Ученые вдохновились яичной скорлупой, напечатали на 3D-принтере и испытали прототипы экранов для защиты от космического мусора
Китайские исследователи из Даляньского технологического университета предложили новый способ защиты космических аппаратов от орбитального мусора. Тестовые образцы уникальных структур были изготовлены с помощью 3D-печати.
Китайские исследователи из Даляньского технологического университета предложили новый способ защиты космических аппаратов от орбитального мусора. Тестовые образцы уникальных структур были изготовлены с помощью 3D-печати.
Проблема
Объекты на низкой околоземной орбите обычно движутся со скоростью 7–8 км/сек. При столкновении объектов относительная скорость может достигать почти 15 км/сек, а это значит, что даже фрагменты размером всего 1 см могут представлять значительную угрозу для космических аппаратов.
Поэтому исследовательская группа под руководством Юйсинь Вана (Yuxin Wang) из Даляньского технологического университета в Китае изучила возможность применения природных структур для защиты космических аппаратов.
Проблема
Объекты на низкой околоземной орбите обычно движутся со скоростью 7–8 км/сек. При столкновении объектов относительная скорость может достигать почти 15 км/сек, а это значит, что даже фрагменты размером всего 1 см могут представлять значительную угрозу для космических аппаратов.
Поэтому исследовательская группа под руководством Юйсинь Вана (Yuxin Wang) из Даляньского технологического университета в Китае изучила возможность применения природных структур для защиты космических аппаратов.
Параметры яичной скорлупы
Параметры яичной скорлупы
Разработка
В результате длительного эволюционного процесса живые организмы приобрели структуры, эффективно поглощающие энергию. К таким защитным оболочкам относится, например, яичная скорлупа.
Вдохновившись скорлупой, исследовательская группа из Даляньского технологического университета разработала не обычный сплошной металлический экран, а конструкцию из алюминиевых оболочек высотой 12 мм, заполненных водой. Элементы похожи на вертикально стоящие яйца и объединены в упорядоченные массивы, зажатые между двумя алюминиевыми пластинами толщиной 1 мм.
Всего было разработано три конфигурации массивов:
- все острые концы «яиц» контактируют с лицевой пластиной;
- все тупые концы контактируют с лицевой пластиной;
- ориентация концов чередуется.
Прототипы структур для испытаний были напечатаны алюминием на 3D-принтере.
Разработка
В результате длительного эволюционного процесса живые организмы приобрели структуры, эффективно поглощающие энергию. К таким защитным оболочкам относится, например, яичная скорлупа.
Вдохновившись скорлупой, исследовательская группа из Даляньского технологического университета разработала не обычный сплошной металлический экран, а конструкцию из алюминиевых оболочек высотой 12 мм, заполненных водой. Элементы похожи на вертикально стоящие яйца и объединены в упорядоченные массивы, зажатые между двумя алюминиевыми пластинами толщиной 1 мм.
Всего было разработано три конфигурации массивов:
- все острые концы «яиц» контактируют с лицевой пластиной;
- все тупые концы контактируют с лицевой пластиной;
- ориентация концов чередуется.
Прототипы структур для испытаний были напечатаны алюминием на 3D-принтере.
Пример деталей, напечатанных металлическом порошком (SLM)
Пример деталей, напечатанных металлическом порошком (SLM)
Суть метода
В целом, идея защитных экранов заключается в том, чтобы ударный элемент разрушился о внешний слой, а его энергия распределилась по большей площади. Новая разработка развивает этот принцип.
В массиве элементы при ударе совместно деформируются, благодаря чему нагрузка не концентрируется в одном месте, а распределяется по метаструктуре. Часть энергии рассеивается за счет последовательной деформации оболочек. Кроме того, движение воды внутри элементов затрудняет распространение ударной волны.
Суть метода
В целом, идея защитных экранов заключается в том, чтобы ударный элемент разрушился о внешний слой, а его энергия распределилась по большей площади. Новая разработка развивает этот принцип.
В массиве элементы при ударе совместно деформируются, благодаря чему нагрузка не концентрируется в одном месте, а распределяется по метаструктуре. Часть энергии рассеивается за счет последовательной деформации оболочек. Кроме того, движение воды внутри элементов затрудняет распространение ударной волны.
Три конфигурации яйцеобразных элементов (a, b,c) и система со сферическими блоками
Три конфигурации яйцеобразных элементов (a, b,c) и система со сферическими блоками
Испытания
Исследователи проанализировали, как разработанные структуры поведут себя при высокоскоростном ударе.
Тесты проводили на трех конфигурациях заполненных водой алюминиевых яиц, на массиве заполненных водой алюминиевых сфер, а также на однослойной алюминиевой пластине. Для моделирования высокоскоростного удара исследователи использовали сферические снаряды со скоростью 7,5 км/сек.
Испытания
Исследователи проанализировали, как разработанные структуры поведут себя при высокоскоростном ударе.
Тесты проводили на трех конфигурациях заполненных водой алюминиевых яиц, на массиве заполненных водой алюминиевых сфер, а также на однослойной алюминиевой пластине. Для моделирования высокоскоростного удара исследователи использовали сферические снаряды со скоростью 7,5 км/сек.
3D-печатные яйцеобразные элементы (слева) и сферические (справа), мм
3D-печатные яйцеобразные элементы (слева) и сферические (справа), мм
Результаты
Исследователи изучили, как метаструктуры в виде массивов алюминиевых яичных оболочек, заполненных водой, поглощают энергию. Выяснилось, что они могут значительно повысить защитные характеристики против ударов космического мусора на высокой скорости.
Метаструктура, в которой все острые концы контактируют с лицевой пластиной, обеспечивает наивысший уровень ударопрочности (среди рассмотренных конфигураций) и снижает скорость снаряда на 64,9%. Однослойная алюминиевая пластина снизила скорость снаряда на 51%.
Результаты
Исследователи изучили, как метаструктуры в виде массивов алюминиевых яичных оболочек, заполненных водой, поглощают энергию. Выяснилось, что они могут значительно повысить защитные характеристики против ударов космического мусора на высокой скорости.
Метаструктура, в которой все острые концы контактируют с лицевой пластиной, обеспечивает наивысший уровень ударопрочности (среди рассмотренных конфигураций) и снижает скорость снаряда на 64,9%. Однослойная алюминиевая пластина снизила скорость снаряда на 51%.
Трехмерное изображение метаструктуры из алюминиевой яичной скорлупы, заполненной водой
Трехмерное изображение метаструктуры из алюминиевой яичной скорлупы, заполненной водой
Перспективы
В дальнейшем необходимы улучшения формы экрана и условий его заполнения водой, а также реальные испытания на сверхвысокоскоростные удары. В настоящее время исследователи уточняют толщину алюминиевых ячеек, их соотношение сторон и структуру, чтобы улучшить поглощение энергии защитным слоем материала.
Юйсинь Ван (Yuxin Wang):
Эта работа демонстрирует, что бионические, легкие метаструктуры представляют собой перспективный путь для защиты от сверхскоростных ударов. Мы надеемся, что это исследование привлечет больше внимания к биомиметическим защитным структурам.
Перспективы
В дальнейшем необходимы улучшения формы экрана и условий его заполнения водой, а также реальные испытания на сверхвысокоскоростные удары. В настоящее время исследователи уточняют толщину алюминиевых ячеек, их соотношение сторон и структуру, чтобы улучшить поглощение энергии защитным слоем материала.
Юйсинь Ван (Yuxin Wang):
Эта работа демонстрирует, что бионические, легкие метаструктуры представляют собой перспективный путь для защиты от сверхскоростных ударов. Мы надеемся, что это исследование привлечет больше внимания к биомиметическим защитным структурам.
Источник использованной информации и иллюстраций (кроме фото 2): DOI:10.1063/5.0324502
Источник использованной информации и иллюстраций (кроме фото 2): DOI:10.1063/5.0324502
