Chińscy naukowcy testują pancerz kosmiczny wzorowany na skorupce jajka

Koncepcja nowej osłony statków kosmicznych przywodzi na myśl transport ogromnych jaj w metalowej skrzynce. Badacze umieścili między dwiema płytami z aluminium rząd cienkich, przypominających skorupki elementów, a każdy z nich napełnili wodą. Zamysł jest taki, że przy zderzeniu skorupki zapadają się jedna po drugiej, rozkładając energię uderzenia na szerszy obszar, a woda w ich środku dodatkowo hamuje falę uderzeniową. Eksperymenty pokazały, że taka konstrukcja ogranicza prędkość pocisku znacznie skuteczniej niż zwykłe płyty aluminiowe.

Jedna skorupka to za mało, ale cały rząd daje efekt

Odwołanie się do jaja w kontekście ochrony statków kosmicznych może na pierwszy rzut oka zaskakiwać, bo przecież skorupkę łatwo pęka się o krawędź patelni. Rzecz w tym, że jej wytrzymałość zależy od tego, z jakiej strony i w jaki sposób przyłożona jest siła. Zakrzywiona, cienka konstrukcja bywa w stanie przenosić obciążenia dużo lepiej, niż wskazywałaby na to sama grubość materiału.

Naukowcy z Dalian University of Technology przełożyli tę zasadę na aluminium. Zamiast jednego masywnego elementu zaprojektowali cały ciąg wydrążonych, jajowatych struktur i wstawili je między dwie płyty przyjmujące uderzenie.

Dzięki temu w momencie trafienia nie pracuje wyłącznie jeden punkt osłony. Najpierw odkształca się pierwsza ze skorupek, następnie obciążenie przenosi się na sąsiednie elementy, a te z kolei zaczynają się zgniatać i pochłaniać kolejne porcje energii. Takie stopniowe, kontrolowane niszczenie konstrukcji jest tu zamierzonym efektem, nie usterką.

Woda w środku ma tłumić, a nie tylko dodawać ciężaru

Każda z aluminiowych skorupek została wypełniona wodą, która stanowi tu równie istotny element konstrukcji jak sam metal. W chwili silnego uderzenia ciecz zaczyna przemieszczać się w odkształcanej przestrzeni, dzięki czemu energia zostaje zużyta nie tylko na zgniecenie aluminium, ale też na wprawienie wody w ruch.

Woda ogranicza też rozprzestrzenianie się fal uderzeniowych wewnątrz osłony. W efekcie energia, która w tradycyjnej metalowej płycie koncentrowałaby się głównie w miejscu trafienia, rozkłada się na większej części struktury. Skorupki zapadają się jedna za drugą, a zamknięta w nich ciecz zabiera kolejną część energii uderzenia. Badacze porównali kilka wariantów: samodzielne płyty aluminiowe, kuliste elementy wypełnione wodą umieszczone między płytami oraz strukturę wzorowaną na jajkach. To ostatnie rozwiązanie wypadło najlepiej.

Zwykłe płyty aluminiowe redukowały prędkość pocisku o około 51 proc. Gdy dodano wypełnioną wodą konstrukcję inspirowaną skorupkami, wynik podniósł się do blisko 65 proc. Nie oznacza to jednak, że pancerz pochłonął dokładnie 65 proc. energii kinetycznej – energia zależy od kwadratu prędkości, więc mówimy o dwóch różnych wielkościach. Badanie odnosi się konkretnie do zmiany prędkości pocisku po przebiciu się przez osłonę.

Okazało się także, że liczy się samo ustawienie jajek. Najskuteczniejszy wariant to ułożenie ich pionowo, z węższym końcem stykającym się z górną płytą przyjmującą uderzenie. Taka orientacja sprawia, że konstrukcja traci stateczność stopniowo i zgniata się równomiernie, zamiast zapadać się w jednym miejscu.

Na orbicie nawet niewielki fragment metalu działa jak pocisk

Takie zabezpieczenia są potrzebne, bo niska orbita okołoziemska w coraz mniejszym stopniu zasługuje na nazwę pustej przestrzeni. Według szacunków Europejskiej Agencji Kosmicznej krąży wokół Ziemi ponad milion fragmentów o wielkości od około 1 do 10 cm. Większości z nich nie da się na bieżąco śledzić, więc nie ma możliwości wykonywania manewrów unikowych przy każdym potencjalnym zagrożeniu.

Na orbicie kluczowa nie jest masa obiektu, lecz jego prędkość względna, która bywa ogromna. Odłamek może zderzyć się ze statkiem kosmicznym z prędkością liczoną w kilometrach na sekundę.

Przy takich wartościach nawet drobna śrubka czy kawałek metalu przestaje przypominać przedmiot znany z warunków ziemskich. Energia uderzenia jest wystarczająca, by przebić poszycie, uszkodzić urządzenia i wygenerować nowe chmury odłamków. Z tego powodu satelitów i statków załogowych nie chroni się po prostu coraz grubszą blachą – każdy dodatkowy kilogram trzeba najpierw wynieść z Ziemi.

Najbardziej rozpoznawalnym rozwiązaniem chroniącym przed małymi odłamkami jest osłona Whipple'a. Zamiast jednej bardzo masywnej ściany stosuje się cienką warstwę oddaloną od głównego poszycia. Odłamek uderza najpierw w zewnętrzną płytę, gdzie przy dużej prędkości rozpada się, częściowo topi lub odparowuje, tworząc rozszerzającą się chmurę mniejszych fragmentów. Ta chmura trafia następnie w kolejną warstwę.

Dzięki temu energia, która wcześniej była skoncentrowana w jednym niewielkim obiekcie, rozkłada się na większej powierzchni, co zwiększa szanse przetrwania tylnej ściany. Chińska konstrukcja rozwija podobne podejście – nie stawia na niezniszczalną płytę, lecz wprowadza między warstwami dodatkową strukturę, która poświęca się, kontrolowanie odkształcając się i wchłaniając energię uderzenia.

To nie jedyny pomysł na nowy pancerz kosmiczny, jaki pojawił się ostatnio. Na Spider's Web pisaliśmy już o Space Armor, kompozycie rozwijanym jako lekka ochrona przed odłamkami, mającym dodatkowo ograniczać powstawanie wtórnych śmieci kosmicznych. Różne zespoły badawcze próbują więc rozwiązać ten sam problem przy pomocy zupełnie odmiennych materiałów.

Źródło: Spider's Web