Массив из «алюминиевых яиц» с водой показал лучшую защиту от космического мусора, чем сплошной алюминий
iXBT.com ·
Исследователи Даляньского технологического университета в Китае разработали лёгкую защитную конструкцию для космических аппаратов, вдохновлённую геометрией яичной скорлупы. Она состоит из полых алюминиевых оболочек, заполненных водой и размещённых между 2 алюминиевыми пластинами. При ударе отдельные элементы конструкции последовательно деформируются, распределяя нагрузку по всему массиву и постепенно рассеивая кинетическую энергию.
Исследователи Даляньского технологического университета в Китае разработали лёгкую защитную конструкцию для космических аппаратов, вдохновлённую геометрией яичной скорлупы. Она состоит из полых алюминиевых оболочек, заполненных водой и размещённых между 2 алюминиевыми пластинами. При ударе отдельные элементы конструкции последовательно деформируются, распределяя нагрузку по всему массиву и постепенно рассеивая кинетическую энергию.
Проблема, которую пытаются решить авторы, становится всё серьёзнее по мере роста числа запусков. По оценке NASA за 2021 год, на околоземной орбите находится около 34 000 фрагментов размером более 10 см, около 900 000 объектов размером от 1 до 10 см и примерно 128 млн частиц мельче 1 см. Даже небольшой обломок способен повредить аппарат из-за огромной орбитальной скорости. В 2007 году, например, фрагмент космического мусора пробил отверстие в радиаторной панели американского шаттла Endeavour.
Сейчас для защиты космических аппаратов от таких столкновений применяют различные варианты щитов Уиппла (Whipple shield) — внешнюю тонкую панель, отделённую зазором от корпуса. При ударе фрагмент космического мусора должен разрушиться о панель, а его энергия — распределиться по большей площади. Новая конструкция развивает тот же принцип, но вместо обычных слоёв использует массив элементов сложной формы.
Одиночная скорлупа легко разрушается при локальной нагрузке, однако расположенные в массиве оболочки работают совместно. При ударе они деформируются одна за другой, не позволяя нагрузке сосредоточиться в одной точке. По словам соавтора работы Юйсинь Ван (Yuxin Wang) из Даляньского технологического университета, такое каскадное деформирование превращает точечный удар в распределённое рассеивание энергии по всей конструкции.
Вода внутри алюминиевых оболочек дополнительно повышает эффективность защиты. При высокоскоростном ударе жидкость перемещается внутри оболочки, воздействует на её стенки и поглощает часть ударной волны, одновременно перераспределяя нагрузку. Авторы сравнили 3D-печатные образцы со сплошной алюминиевой плитой, алюминиевыми сферами с водой и разработанным массивом «яичных» оболочек. В экспериментах с газовой пушкой и компьютерных моделях именно последняя конструкция показала лучший результат: скорость фрагмента после взаимодействия с ней снижалась почти на 65%, против 51% для сплошной алюминиевой плиты.
Результат зависел и от ориентации элементов. Наиболее эффективной оказалась конфигурация, в которой узкий конец элементов направлен наружу и поддерживает верхнюю алюминиевую пластину. Теперь авторы собираются оптимизировать толщину оболочек, их геометрию, соотношение размеров и расположение элементов, чтобы повысить эффективность поглощения энергии при минимальной массе.