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中国研究人员找到防太空碎片干扰航天器的“蛋”妙办法

近地轨道上漂浮着大量垃圾,对载人航天器和无人航天器都构成威胁。

但一个基于自然界持久形态的新想法,或许能为抵御碎片撞击提供更好的保护——这可不是“蛋”戏。撇开糟糕的双关语不谈,我们恳请您的原谅。

大连理工大学的中国研究人员开发出一种新的航天器装甲设计,根据周二发表的一篇研究论文,该设计通过借鉴典型鸡蛋的形状,提供了相当大的额外保护。

“天然生物结构在长期适应中进化出了优异的能量吸收性能,”第一作者王宇新告诉美国物理学会,其期刊发表了团队的研究成果。

轨道上的碎片对航天器构成严重风险,即使是一小块碎片也可能造成巨大破坏,因为金属块和其他航天器碎片以极快的速度飞行。

近地轨道的碎片通常以每秒7至8公里的速度飞行,而轨道物体之间的撞击相对速度可接近每秒15公里。

作为参考,即使是威力最强的军用步枪,其枪口初速也难以超过每秒1.45公里。

据轨道碎片追踪机构Orbital Radar称,一个1厘米的铝球以每秒10公里的速度飞行时,其动能相当于一枚手榴弹。轨道上有这么多卫星,碰撞风险正在上升。

星链正在降低轨道,而SpaceX还单独提议发射多达一百万颗卫星用于轨道数据中心系统。情况日益拥挤,确实需要更好的航天器防护。

王宇新团队的设计是:将一堆3D打印的铝制鸡蛋夹在两块铝板之间,蛋壳内注满水,然后模拟假太空碎片以超高速撞击时会发生什么。研究人员还制作了用于测试的3D打印结构。

其中有几种设计:蛋壳尖端朝外贴着面板、尖端朝外的反向设计、混合蛋壳配置,以及用球体代替蛋壳的设计。

在模拟中,尖端贴着面板的设计表现最佳,将弹丸速度降低了64.9%。

相比之下,在相同模拟条件下,单块铝板将弹丸速度降低了51%。蛋壳不必很大。

王宇新团队测试的设计使用的是注水鸡蛋,高度仅12毫米(约半英寸),两侧各有一毫米厚的铝板。

重量仍然可能是一个问题,因为用半英寸厚的注水蛋壳覆盖航天器可能会使其明显更重。我们曾询问王宇新他的团队是否考虑过这一点,但没有收到回复。据美国物理学会称,该团队目前正在优化设计并进行进一步测试。

无论如何,王宇新告诉AIP Publishing,结果表明更好的航天器防护是可能的。

“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途的途径,”王宇新说。“我们希望这项研究能够引起更多人对仿生防护结构的关注。”无论防护最终如何设计,这都是迫切需要的。

国际空间站居民曾多次因太空垃圾碰撞的可能性而就地避难,而轨道上卫星和碎片数量的不断增加提高了进一步碰撞的风险,使一些轨道区域更接近凯斯勒综合征的相关状况——即碰撞产生更多碎片,进而引发更多碰撞,并可能使受严重影响轨道无法使用。

要么用蛋壳,要么有人能很快开发出类似《星际迷航》里的航天器护盾。

我押蛋壳,但这次,我倒希望自己脸上有蛋(意指被证明是错的)。®