Специалисты из Даляньского технологического университета в Китае представили инновационную и облегчённую систему защиты для космических аппаратов, созданную под влиянием структуры яичной скорлупы. Эта конструкция включает в себя полые алюминиевые оболочки, заполненные водой, которые располагаются между двумя алюминиевыми пластинами. При столкновении отдельные компоненты системы последовательно деформируются, что позволяет распределить воздействие на всю структуру и постепенно снизить кинетическую энергию удара.

Проблема защиты космических аппаратов становится всё более актуальной в связи с увеличением количества запусков. Согласно данным NASA за 2021 год, на околоземной орбите насчитывается приблизительно 34 000 обломков размером свыше 10 сантиметров, около 900 000 объектов от 1 до 10 сантиметров и примерно 128 миллионов частиц меньшего размера. Даже небольшой фрагмент мусора может нанести повреждения из-за высокой скорости движения в космосе; так, в 2007 году обломок космического мусора пробил радиаторную панель американского шаттла Endeavour.

В настоящее время для защиты космических аппаратов от подобных столкновений используются различные модификации щитов Уиппла (Whipple shield), которые представляют собой внешнюю тонкую панель, отделённую воздушным зазором от корпуса. При ударе фрагмент космического мусора должен разрушаться о эту панель, а его энергия – рассеиваться по большей площади. Новая разработка основана на том же принципе, но вместо обычных слоёв использует массив элементов сложной конфигурации.

Отдельная оболочка легко повреждается при локальной нагрузке, однако находящиеся в составе массива элементы работают согласованно. При столкновении они последовательно деформируются, предотвращая концентрацию нагрузки в одной области. Соавтор исследования Юйсинь Ван (Yuxin Wang) из Даляньского технологического университета отметил, что подобное каскадное деформирование преобразует точечный удар в распределённое рассеивание энергии по всей защитной конструкции.

Наличие воды внутри алюминиевых корпусов способствует усилению защитных свойств. В момент столкновения с высокой скоростью жидкость перемещается внутри этих корпусов, оказывая давление на их стенки и поглощая часть энергии удара, при этом распределяя возникающую нагрузку. Исследователи провели сопоставление 3D-печатных образцов с цельной алюминиевой пластиной, алюминиевыми сферами, заполненными водой, и массивом из «яичных» оболочек собственной разработки. В ходе экспериментов, выполненных с использованием газовой пушки и компьютерного моделирования, именно последний вариант конструкции продемонстрировал наилучшие характеристики: скорость фрагмента после взаимодействия снизилась почти на 65%, в то время как для цельной алюминиевой пластины этот показатель составил 51%.

Эффективность защиты оказалась зависимой от расположения элементов. Наиболее результативной признана конфигурация, при которой узкая часть элементов направлена наружу и поддерживает верхнюю алюминиевую пластину. В настоящее время исследователи планируют оптимизировать толщину оболочек, их форму, соотношение размеров и расположение элементов с целью повышения эффективности поглощения энергии при минимальном весе.