Ученые превратили яичную скорлупу в новое средство защиты от космического мусора

Фото из открытых источников

В ходе моделирования защитный экран от космического мусора, состоящий из полых металлических яиц, снизил скорость снаряда на 64,9 процента, что значительно превышает показатель в 51 процент, достигнутый плоской пластиной. Результаты исследования были опубликованы в Journal of Applied Physics.

Бронирование космических аппаратов от космического мусора осуществляется одним и тем же основным способом уже почти 80 лет. Перед корпусом находится тонкий лист алюминия с зазором позади него. Прежде чем обломок орбитального мусора достигнет чего-либо важного, он ударяется о этот слой, распадается и разлетается на облако более мелких фрагментов.

Этот метод хорошо работает с мелкими обломками, но более крупные фрагменты представляют собой гораздо большую проблему. Поэтому команда в Китае заполнила образовавшуюся пустоту чем-то странным: полыми алюминиевыми оболочками, каждая из которых имела форму яйца и была наполнена водой.

В ходе моделирования шарик размером с мраморный шарик (11 миллиметров в диаметре) потерял 64,9% своей скорости при пересечении этого «сэндвича». При прохождении через обычную алюминиевую пластину он потерял 51%. Исследователи изготовили физические копии панелей с помощью 3D-печати, но высокоскоростные удары были смоделированы на компьютере.

Примерно 34 000 обломков размером более 10 сантиметров вращаются на околоземной орбите. Ещё около 900 000 имеют размер от 1 до 10 сантиметров, а примерно 128 миллионов — меньше этого значения.

Управление по борьбе с космическим мусором НАСА и Управление по борьбе с космическим мусором Европейского космического агентства отслеживают эту популяцию, хотя самые мелкие фрагменты обнаружить сложнее всего.

Скорость — это то, что превращает небольшой объект в угрозу. Объекты на низкой околоземной орбите обычно движутся со скоростью около 28000 километров в час. Когда объекты движутся навстречу друг другу, их относительные скорости столкновения могут быть значительно выше.

Щит не обязательно должен останавливать нечто подобное. Он должен разрушить и рассеять это. Тонкая пластина сначала принимает на себя космический мусор. 

Идея восходит к Фреду Уипплу, который предложил её в 1947 году. Инженеры называют эту конструкцию экраном Уиппла, и она до сих пор является рабочим вариантом защиты от космического мусора. Эта передняя пластина предназначена для уничтожения. Именно её разрушение превращает один быстро движущийся фрагмент в широкое, тонкое облако.

У него есть потолок. Одна алюминиевая пластина хорошо защищает от мусора размером менее 5 миллиметров, а при большем размере защита снижается. С тех пор инженеры внесли множество исправлений. Две пластины вместо одной более чем вдвое увеличивают сопротивление, но при этом необходимо увеличить зазор между ними.

Алюминиевые сотовые сердечники тоже помогают, но они увеличивают вес и габариты. Главная проблема — вес и габариты. Каждый килограмм брони, окружающий модуль экипажа или спутник, — это килограмм, который необходимо запустить.

Прежде чем приступать к разработке чего-либо из металла, команда раздавила два яйца в испытательной машине. Оба яйца разбились при усилии около 365 ньютонов, что очень много для скорлупы, которая трескается о край миски.

Юйсинь Ван, возглавлявший работу в Даляньском технологическом университете, скопировал эту форму из алюминия. Каждый из них представляет собой полое металлическое яйцо длиной около 12 миллиметров со стенками толщиной 1 миллиметр. Каждый из них заполнен водой. Само по себе яйцо всё ещё хрупкое, а внутри него оно практически не имеет значения.

«Одна яичная скорлупа легко разбивается под действием локальной силы, но механизм защиты массива яичных скорлуп совершенно иной», — сказал Ван.

При ударе снаряды разрушаются последовательно, а не все сразу. Каждый из них деформируется, поглощает часть энергии и передает остальную часть соседним. Инженеры и раньше копировали биологические структуры, в том числе при проектировании летательных аппаратов, и это тот самый инстинкт, направленный на освоение орбиты.

Вода тоже имеет значение. Внутри каждой оболочки она отражает ударные волны во многих направлениях, и изогнутая стенка смещает часть нагрузки вбок, а не прямо на корпус.

У яйца есть тупой и узкий концы, поэтому команда попробовала три варианта расположения. Все узкие концы прилегали к передней тарелке, все тупые концы — к ней, а также чередовались два типа концов.

Победу одержала команда с узкими торцами. В такой конфигурации снаряд вылетал с задней стороны со скоростью 2633 метра в секунду. Пройдя через гладкую пластину, он двигался со скоростью 3680 метров в секунду.

Тупые концы и чередующаяся расстановка оказались посередине. Алюминиевые шары, наполненные водой, в сравнении с ними, превзошли чистый алюминий и проиграли всем вариантам расстановки яиц.

Отверстия рассказывают ту же историю. Панели в форме яиц рвались неровными, лепесткообразными перфорациями, ширина которых в 1,8 раза превышала ширину чистого круга, пробитого в гладкой пластине. «Большая дыра» звучит хуже, и в данном случае это означает, что энергия пошла вбок, а не прошла прямо сквозь отверстие.

Для запуска снаряда размером с мраморный шарик со скоростью 7,5 километров в секунду требуется газовое орудие, а такие испытания обходятся дорого. Поэтому вместо этого были смоделированы удары.

Метод был предварительно проверен на основе двух опубликованных экспериментов с применением огнестрельного оружия. В испытании на трение свинца о свинец, имитированное облако обломков отличалось от измеренного всего на 3,5 процента. Предсказанные размеры отверстий в алюминии отличались от реальных не более чем на 0,2–6,0 процента.

Модель не может отслеживать отдельную трещину. Она оценивает, происходит ли разрыв или перфорация материала. Для отслеживания трещины от начала до конца потребовалась бы более точная модель, а команда пока такую не создала.

Исследователи действительно создали физические версии панелей. Оболочки были напечатаны на 3D-принтере из алюминиевого порошка, заполнены водой и приварены лазером между пластинами. Однако панели еще не прошли испытания на ударопрочность, поэтому сравнение трех вариантов компоновки основано исключительно на компьютерном моделировании.