На околоземной орбите находится почти 1 миллион обломков размером более 1 сантиметра. По мере того как мы продолжаем запускать космические аппараты и телескопы для исследования Вселенной, эти обломки представляют собой серьёзную угрозу высокоскоростных столкновений.
В журнале Journal of Applied Physics исследователи из Даляньского технологического университета в Китае представили конструкцию, вдохновленную яичной скорлупой, в качестве потенциального материала для защиты космических аппаратов. «В ходе эволюции природные биологические структуры продемонстрировали превосходные показатели поглощения энергии в процессе длительной адаптации», — говорит автор исследования Юйсинь Ван.
Использование яичной скорлупы в качестве образца для создания прочного материала может показаться нелогичным. Однако исследователи обнаружили, что если расположить наполненные водой алюминиевые яичные скорлупки в виде массива, то они приобретут полезные свойства материала, если поместить их тупым концом вниз между двумя алюминиевыми ударными пластинами. Энергия удара не концентрируется в одной скорлупке, а постепенно рассеивается по всему материалу, позволяя каждой скорлупе последовательно разрушаться и деформироваться.
«Отдельная яичная скорлупа легко ломается под воздействием локальной силы, но механизм защиты, обеспечиваемый массивом яичных скорлупок, совершенно иной, — говорит Ван. — Совместная деформация элементов яичной скорлупы преобразует локальную ударную нагрузку в распределенное рассеивание энергии по всей структуре, тем самым значительно повышая противоударные свойства мишеней».
Помогает и то, что яйца наполнены водой. При сильном ударе вода плещется и препятствует распространению ударных волн. Такое взаимодействие значительно снижает и рассеивает энергию удара. Учеными было проведено сравнение нескольких 3D-моделей и симуляций: одних только алюминиевых пластин, алюминиевых сфер, заполненных водой, зажатых между алюминиевыми пластинами, и конструкций в форме яичной скорлупы.
Лучше всего показал себя материал из «яичной скорлупы», заполненной водой. Он выдерживал высокие нагрузки и снижал скорость ударного снаряда почти на 65 % по сравнению с 51 % снижения, которое обеспечивали сами по себе алюминиевые пластины. Среди возможных вариантов расположения яичной скорлупы наиболее эффективными оказались структуры, в которых яйца располагались вертикально, а их тупой конец соприкасался с верхней пластиной.
Прежде чем использовать этот материал в качестве легкой защиты для космических аппаратов, необходимо оптимизировать его геометрию и наполнение, а также провести испытания на ударную нагрузку. В настоящее время исследователи корректируют толщину алюминиевых «яичных скорлупок», их соотношение сторон и расположение, чтобы улучшить поглощение энергии материалом.
«Эта работа показывает, что бионические, легкие метаструктуры являются перспективным направлением в области защиты от сверхскоростных ударов, — сказал Ван. — Мы надеемся, что это исследование привлечет внимание к защитным структурам, вдохновленным биологическими объектами».
