Специалисты из Китая разработали конструкцию, состоящую из множества тонкостенных алюминиевых элементов, внешне похожих на частицы яичной скорлупы, которые были заполнены водой. После этого эти элементы поместили между алюминиевыми пластинами и провели испытания для оценки поведения данной структуры при воздействии ударной волны высокой скорости.

По мере увеличения числа запусков космических аппаратов и развертывания спутников на околоземной орбите проблема загрязнения космического пространства обломками становится все более актуальной. Отслужившие свое ступени ракет-носителей, вышедшие из строя устройства, фрагменты разрушенных объектов — все это представляет собой потенциальную угрозу как для вновь выводимой на орбиту техники, так и для космонавтов, выполняющих свою работу в космическом пространстве.

На низкой околоземной орбите космический мусор сталкивается с другими объектами на гиперскоростяххарактеризуется средней скоростью столкновений, составляющей приблизительно 10 километров в секунду, а в отдельных ситуациях этот показатель может достигать 15 километров в секунду.

Для предотвращения столкновений при экстремально высоких скоростях применяют щиты Уиппласложные многослойные защитные системы. Их работа строится не на простом противостоянии прямому воздействию. Внешний слой предназначен для разрушения летящего объекта, а в случае особо высокой скорости он может и расплавить, и испарить его.

Облако обломков, образовавшееся в процессе столкновения, охватывает значительно большую территорию, а изменение распределения энергии и импульса приводит к тому, что основная стенка аппарата получает меньшие повреждения. Хотя такие системы защиты демонстрируют высокую эффективность, они увеличивают вес конструкции, что, в свою очередь, предъявляет более жесткие требования к ракете-носителю и повышает общую стоимость запуска. В связи с этим специалисты стремятся разработать максимально облегченные варианты защиты.

Вдохновение для создания новых решений нередко можно найти в природе. На этот раз внимание инженеров привлекло куриное яйцо.

Куриная яичная скорлупа создает впечатление хрупкости — при локальном ударе она легко раскалывается. Однако благодаря своей изогнутой форме тонкая оболочка демонстрирует способность эффективно противостоять равномерно распределенной нагрузке: особая геометрия позволяет перенаправлять внешнее давление по всей поверхности, обеспечивая прочность на сжатие. Прочность яйца определяется не только формой, но и толщиной, структурой скорлупы, а также направлением приложенного механического воздействия.

Особый интерес к структуре яичной скорлупы вызвала китайская группа инженеров во главе с Ваном Юйсинем (Yuxin Wang) из Даляньского технологического университета. Они разработали трехмерно напечатанные полые алюминиевые конструкции, имитирующие форму скорлупы, и заполнили их водой. Полученные ячеистые структуры были помещены между алюминиевыми пластинами для испытаний на устойчивость к гиперскоростным ударам.

Принцип действия конструкции основан на последовательной деформации: при ударе нагрузка сначала воздействует на ближайшую оболочку, а затем переходит на соседние элементы. Благодаря последовательному характеру деформации, воздействие распределяется по большей площади, и энергия удара рассеивается по всей структуре.

Немаловажную роль играет вода, находящаяся внутри алюминиевых оболочек. В случае сильного воздействия она начинает перемещаться в полости, дополнительно гасит энергию и снижает интенсивность распространения ударной волны.

Специалисты проанализировали воздействие расположения овальных секций на уровень защиты конструкции и выяснили, что наилучшая эффективность достигается при вертикальной ориентации, когда более узкий участок оболочки направлен к верхней пластине. При оптимальном расположении водонаполненная яйцевидная структура позволила уменьшить скорость удара объекта примерно на 65%, в то время как для алюминиевой пластины этот показатель составил 51%.

Тем не менее, до практического применения подобной системы в космосе потребуется проведение дополнительных испытаний: ученым необходимо оценить эффективность водонаполненной конструкции при воздействии космического вакуума и значительных колебаний температуры.

Научная работа опубликована в издании Journal of Applied Physics.