- 大连理工大学研发基于蛋壳的超材料设计，保护航天器免受太空垃圾撞击。
- 新设计利用3D打印技术制作空心铝蛋壳，有效吸收强烈冲击波。
- 充水的蛋壳结构在撞击测试中表现最佳，减缓弹丸速度达近65%。
- 研究团队正改进材料设计，以最大化保护并最小化重量，防止Kessler综合症。
据报道，受蛋壳启发的设计可能很快将用于保护航天器免受高速轨道碰撞。来自大连理工大学的研究人员开发了一种基于“蛋壳”的生物启发轻量级超材料设计，以保护航天器免受太空垃圾的撞击。随着发射次数的增加，轨道逐渐变成了一个垃圾场。目前，近一百万个直径大于一厘米的金属、油漆和破碎火箭部件正以极高的速度穿过地球的轨道。即使是微小的碎片，若以每小时数万英里的速度撞击，亦可产生如手榴弹般的爆炸力量，威胁着关键卫星、昂贵的太空望远镜和有人居住的空间站。
工程师们已花费数十年时间寻找更轻、更耐用的装甲来抵御这些宇宙子弹，而答案可能就在蛋壳中。
蛋壳结构的设计与性能
大连团队提出了一种以蛋壳为模型的航天器保护系统。他们通过3D打印技术制作了空心铝蛋壳的阵列，并将其夹在两块金属冲击板之间。这种设计有效地吸收了强烈的冲击波，否则这些冲击波会使传统装甲破碎。作者王宇欣表示：“自然生物结构经过长期适应，展现出出色的能量吸收性能。”
液体阻尼的概念听起来似乎不切实际。蛋以其脆弱而著称，轻轻一碰便会在柜台上破裂。然而，自然界将蛋的形状设计得如几何艺术品一般。将它们组织成阵列，形成了一种出乎意料的坚固结构。研究人员将充满水的铝蛋壳钝面朝下放置于两块板之间。这种设计将冲击力分散至整个系统。结果是，每个蛋壳会依次崩溃，逐渐吸收并散发动能。王表示：“单一的蛋壳在局部力量下容易破裂，但蛋壳阵列的保护机制完全不同。”
这些蛋壳单元的协同变形将局部冲击负载转化为在超材料中分布的能量耗散，显著增强了目标板的抗冲击性能。
改进材料以提升防护
在铝蛋壳内部加入水进一步提升了装甲的性能。在高速碰撞中，困住的液体会在内部翻滚，减轻后续的冲击波传播。为了评估该设计，研究人员进行了3D打印测试及模拟，并比较了实心铝板、充水铝球和蛋壳超材料。充水的蛋壳结构在所有设计中表现最佳，减缓撞击弹丸的速度近65%，而实心铝板则为51%。将蛋壳直立放置，尖端朝向上板，可以获得最佳效果。
王表示：“这项工作表明，仿生轻量级超材料是一个有前景的高速碰撞防护方案。我们希望这项研究能引起更多人对于生物启发保护结构的关注。”然而，这种材料尚未准备好投入发射台。团队正积极改进金属壳的厚度、布局及长宽比，以在最大化保护的同时最小化重量，这对火箭载荷至关重要。这可以防止Kessler综合症的发生，Kessler综合症是一种危险的连锁反应，当太空物体之间的碰撞产生数千个高速碎片时，这些新碎片会撞击其他卫星和火箭，生成更多的碎片，速度超过大气阻力的消除速度。
如果这种受生物启发的方法被采用，它可能成为保护人类最伟大的宇宙事业免受环绕地球的致命垃圾光环的无形盾牌。
这些研究成果已于9月8日发表在《应用物理学杂志》上。
生物启发设计对航天防护的潜力
大连理工大学的研究展示了生物启发设计在航天防护中的潜力，特别是针对日益严重的太空垃圾问题。随着太空活动增加，保护航天器免受高速碰撞的需求愈加迫切。蛋壳结构的设计不仅能有效吸收冲击，还能通过液体阻尼进一步提升性能。这项研究的成功，可能为未来航天器的安全性提供新的解决方案，并引起更多对生物启发材料的关注，推动相关技术的发展与应用。