Для защиты космических аппаратов предложили использовать алюминиевые «яйца»

Китайские инженеры предложили неожиданное решение проблемы космического мусора, позаимствовав идею у природы. В Даляньском технологическом университете под руководством Вана Юйсиня создали защитную конструкцию из 3D-печатных полых алюминиевых элементов, повторяющих форму куриного яйца. Эти оболочки заполнили водой и разместили между двумя алюминиевыми пластинами, чтобы проверить, как такая система поведет себя при гиперскоростном ударе.

Проблема, которую пытаются решить исследователи, с каждым годом становится острее. На низкой околоземной орбите скопились тысячи отработавших ступеней ракет, неработающих спутников и обломков разрушившихся конструкций. Средняя скорость их столкновения с действующей техникой составляет около 10 километров в секунду, а в отдельных случаях достигает 15 километров в секунду. При такой кинетической энергии даже небольшой фрагмент способен пробить корпус аппарата насквозь.

Традиционная защита — щиты Уиппла и их многослойные модификации — работает не за счет прямого сопротивления удару. Внешний слой разрушает летящую частицу, а при сверхвысоких скоростях расплавляет или испаряет ее. Образовавшееся облако фрагментов распределяет энергию по большей площади, снижая ущерб для основной стенки. Но у таких систем есть существенный минус: они тяжелые. Каждый лишний килограмм защиты увеличивает требования к ракете-носителю и удорожает запуск, поэтому инженеры постоянно ищут способы сделать экранирование легче и эффективнее.

Куриное яйцо на первый взгляд кажется хрупким — при точечном ударе скорлупа легко трескается. Однако изогнутая форма позволяет тонкой оболочке перераспределять равномерно распределенное давление по всей поверхности, делая ее неожиданно прочной на сжатие. Китайская команда воспроизвела эту геометрию в алюминии, создав ячеистую структуру из заполненных водой «яиц», размещенных между пластинами.

Механизм защиты основан на последовательной деформации. При ударе нагрузка сначала приходится на ближайшую оболочку, затем волна деформации переходит на соседние элементы, рассеивая энергию по всей структуре. Вода внутри полостей играет дополнительную роль: при сильном воздействии она начинает перемещаться, гася ударную волну и ослабляя ее распространение.

Испытания показали, что ориентация яйцевидных элементов критически важна. Лучшие результаты получены при вертикальном расположении оболочек, когда узкий конец обращен к верхней пластине. В оптимальной конфигурации водонаполненная структура снизила скорость ударного тела примерно на 65 процентов, тогда как одиночная алюминиевая пластина — лишь на 51 процент.

До внедрения новой защиты в реальную космическую технику еще далеко. Исследователям предстоит подобрать оптимальную толщину стенок, соотношение высоты и диаметра оболочек, а также необходимый объем воды. Результаты работы опубликованы в Journal of Applied Physics, и пока речь идет о лабораторных испытаниях. Но сам подход — использовать природную геометрию для решения инженерной задачи — выглядит многообещающим в гонке за снижение массы космических аппаратов без потери их защищенности.