Исследователи из Даляньского технологического университета предложили необычный вариант защиты космических аппаратов от микрометеороидов и фрагментов орбитального мусора. В работе для Journal of Applied Physics они проверили алюминиевую метаструктуру, вдохновленную формой яичной скорлупы.
Проблема остается практической: на околоземных орбитах находятся сотни тысяч фрагментов размером больше сантиметра. При орбитальных скоростях даже небольшой объект может пробить или серьезно повредить корпус спутника, солнечную батарею, радиатор или элемент телескопа.
Авторы использовали не саму скорлупу, а ее геометрию. Между двумя алюминиевыми пластинами размещались напечатанные на 3D-принтере полые алюминиевые элементы в форме яиц, заполненные водой. При ударе такая структура не передает нагрузку в одну точку, а заставляет элементы последовательно деформироваться. За счет этого энергия распределяется по всей внутренней решетке.
Отдельную роль играет вода внутри полых элементов. При быстром ударе жидкость движется и дополнительно гасит ударные волны, уменьшая передачу энергии к защитным пластинам. В расчетах и испытаниях сравнивались простые алюминиевые пластины, пластины со сферическими водонаполненными элементами и вариант с яичной геометрией.
Лучший результат показала именно водонаполненная яичная метаструктура. Она снизила скорость ударного снаряда почти на 65 процентов, тогда как одни алюминиевые пластины дали около 51 процента. Наиболее эффективной оказалась ориентация, при которой элементы стояли вертикально, а их узкий конец был направлен к верхней пластине.
До применения на реальных спутниках материалу нужны дополнительные гиперскоростные испытания и оптимизация. Команда теперь подбирает толщину алюминиевых оболочек, соотношение размеров и схему размещения элементов. Если подход подтвердится, такие бионические легкие структуры могут стать одним из способов снизить риск повреждений от космического мусора без сильного увеличения массы аппарата.
