北京
随着发射次数不断增加，轨道正慢慢变成垃圾场。
这听起来似乎不太可能，但受鸡蛋启发的设计可能很快就能保护航天器免受高速轨道碰撞。大连理工大学的研究人员开发出一种基于“蛋壳”的仿生、轻质超结构设计，用于保护航天器免受空间垃圾撞击。
随着发射次数不断增加，轨道正慢慢变成垃圾场。目前，近百万块大于一厘米的金属、油漆和火箭残骸碎片正以极高速度飞驰穿过地球轨道。一小片碎片以每小时数万英里的速度飞行，撞击时具有手榴弹般的爆炸力，可能刺穿关键卫星、昂贵的太空望远镜和载人空间站。
工程师们花了几十年寻找更轻、更坚固的装甲，以抵御这些“宇宙子弹”。
答案或许能在蛋壳中找到。中国大连理工大学团队提出了一种模仿蛋壳的航天器防护系统。
该团队通过3D打印空心铝制蛋壳阵列，并将其夹在两块金属冲击板之间，制造出一种轻质超结构。这种设计能有效吸收猛烈冲击波，而传统装甲在同样情况下会被震碎。
“自然生物结构经过长期适应进化，展现出优异的能量吸收性能。”作者Yuxin Wang说。
液体阻尼
这听起来很荒谬。鸡蛋以脆弱著称，在厨房台面上轻轻一碰就会裂开。然而，大自然把鸡蛋设计成了几何杰作。
把它们排列成阵列，会形成一种出奇坚固的结构。研究人员将充水铝制蛋壳钝端朝下放在两块金属板之间。这种设计将冲击力分散到整个系统。结果，每个壳依次坍塌，逐渐吸收并耗散动能。
“单个蛋壳在局部受力下容易破裂，但蛋壳阵列的防护机制完全不同。”Wang说，“这些蛋壳单元的协同变形将局部冲击载荷转化为整个超结构中的分布式能量耗散，从而显著增强目标板的抗冲击性能。”
在铝蛋壳内部加水，进一步增强了装甲的性能。高速碰撞时，被困住的液体会来回晃动，在冲击波扩散之前对其产生阻尼。为评估这一设计，研究人员进行了3D打印测试和模拟，比较了实心铝板、充水铝球和蛋壳超结构。
降低冲击
充水蛋壳结构表现优于所有其他设计，使撞击弹丸的速度降低近65%，而实心铝板仅降低51%。将蛋壳竖直放置、窄尖端朝向顶部金属板时，效果最佳。
“这项工作表明，仿生轻质超结构是超高速撞击防护的一条有前景的途径。”Wang说，“我们希望这项研究能吸引更多对仿生防护结构的关注。”
这种材料尚未完全准备好用于发射台。团队正在积极改进金属壳的厚度、布局和长径比，以在最大化防护的同时最小化重量，而重量是火箭有效载荷的关键因素。
它可能有助于防止凯斯勒综合征。这是一种危险的连锁反应：太空物体之间的碰撞会产生数千个高速碎片。这些新碎片撞击其他卫星和火箭，产生更多碎片，其速度超过大气阻力清除碎片的速度。
如果这种仿生方法得到采用，它可能成为一面隐形护盾，保护人类最宏大的宇宙探索事业免受环绕地球的致命垃圾晕威胁。
研究结果于9月8日发表在《应用物理学杂志》上。
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