不骗人!嫦娥五号在月球站稳脚跟 主要靠蜜蜂

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  2020年11月24日,万众瞩目的嫦娥五号在长征五号运载火箭的帮助下进入太空,历时112个小时进入了月球轨道,最终安全登陆月球背面。

  这一壮举打开了我国航天探索事业的新篇章。

  

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  你知道吗?嫦娥五号探测器在向月球表面降落时,虽然反向发动机大大降低了它的下降速度,但它仍然会在着陆瞬间承受约4倍于地球的重力加速度。也就是说,着陆支架承受的过载相当于探测器地面重量的4倍。

  在落地瞬间,一旦着陆支架因无法承受过载而断裂,那么嫦娥五号探测器及其随身携带的许多高精度科研探测设备都将可能受到损伤。

  所以,如何让着陆支架可以承受较高的过载,并保护探测器不受伤害,是工程师们遇到的一大难点。

  月球表面凹凸不平,因此探测器的着陆位置、着陆姿态、质量分布、质心位置、着陆时的振动特性、机构运动协调性等因素都是设计时需要考虑的地方。

  除此之外,由于落地瞬间的冲击力会通过着陆支架向探测器传递具有高度破坏性的能量,所以着陆支架不仅要坚硬、稳当,还需要具有高效吸收破坏性能量的缓冲防护能力。

  哪种材料可以胜任这个艰巨的任务呢?

  工程师们经过综合筛选,最终采用了一种叫做蜂窝的防护材料,将其作为填充材料安装到了嫦娥五号探测器的中空着陆支架内。

  咦,蜂窝材料?它和蜜蜂的蜂巢有啥关系?

  没错,蜂窝材料的设计灵感正是来源于大自然中的真蜂巢!

  

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  嫦娥五号应用了来源于自然界的蜂窝缓冲结构,图片来源:自制1

  来自大自然的蜂窝材料

  蜜蜂是一种神奇的社会性昆虫,它们常常展现出与高等动物相媲美的智慧。

  我们常见的六边形镶嵌式蜂巢,就是蜜蜂家族在经历了数百万年演化后所掌握的独门秘籍(可申请专利那种)。

  

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  蜜蜂真是大自然的能工巧匠,图片来源:theconversation

  蜂巢的结构想必大家都很熟悉了:它由许多蜂房组成,有的用来培育幼蜂,有的用来储存花蜜……

  同时,每一个蜂房的横截面几乎都是标准的六边形,这种独特的造型令人们印象深刻,以至于只要看到类似的形状,就会联想到蜜蜂和它们的家。

  所以,这种由许多个六边形镶嵌而成的平面结构常被人们称为“蜂窝结构”。

  工程师和艺术家们则很早就已经把蜂窝材料应用在了各行各业,我们可以在各种建筑、雕塑和绘画等作品上发现六边形蜂窝元素。

  

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  蜂巢风格建筑,图片来源:archcollege

  

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  喀麦隆发行的蜂窝风格纪念币,图片来源:powercoin

  蜂窝材料蕴含了数学之美

  科学家们同样对蜂窝结构非常感兴趣,古罗马的法罗、古希腊的波佩斯等学者便曾先后研究过蜂巢。

  不过,对于为什么每个蜂房都是六边形这一问题,他们并没有给出确切的解释。

  后来的科学家们提出了一个“蜂窝猜想”,认为这种蜂窝结构可能具有最优的空间利用率。但长久以来,这个猜想未能得到证实。

  1999年,数学家托马斯·黑尔斯利用数学方法证明了蜂窝猜想:如果要将一个平面分割为许多个面积相同的区域,那么当采用正六边形镶嵌的方式时,所需的线条周长最小。

  也就是说,蜜蜂采用这种正六边形紧密镶嵌的蜂房设计,可以在材料用量最少的情况下尽量提高空间利用率,真是太高明了!

  

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  数学家托马斯·黑尔斯,图片来源:维基百科

  蜂窝材料具有高效防护能力

  而蜂窝材料之所以能够随着嫦娥五号登上了月球,则是由于它在缓冲防护领域同样具有极大的应用价值。

  如果我们把蜂窝材料放置在两层很薄的实心板之间,并用胶水将它们牢牢地粘在一起,就得到了一种叫做“蜂窝夹芯三明治板”的多层复合板材。

  这种夹芯板看起来很厚,多孔的蜂窝材料芯材占据了绝大部分体积,但其质量却很轻。

  同时,蜂窝夹芯板还具有较高的抗弯曲变形和缓冲防护能力,所以非常适合用于飞机、火箭、卫星等对重量、承载效率和防护能力要求非常高的设备上。

  1915年,工程师雨果·容克斯首次在飞机的结构设计中应用了蜂窝夹芯板,由此开启了蜂窝材料飞上蓝天的时代。

  

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  蜂窝夹芯板,图片来源:见水印(如侵权,请联系删除)

  蜂窝材料是如何在爆炸、高速碰撞等危险环境中保护后方设备的呢?我们可以通过简单的压缩破坏实验来进行观察。

  蜂窝材料又被称为二维材料,是因为它可以通过二维平面内的六边形镶嵌结构向垂直方向拉伸得到。

  可以发现,如果沿着不同的方向对蜂窝材料加以挤压,它的破坏方式一定是不同的。

  为了研究不同压缩方向上蜂窝材料的受压破坏,科学家们一般把二维平面内的X方向和Y方向定义为面内方向,而把拉伸方向(Z方向)定义为面外方向。

  

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  蜂窝材料的方向定义,图片来源:自制

  如下图所示就是蜂窝材料的面外压缩实验,它的上方是一个刚性压头,下方是某个重要的设备。而它的任务则是在压头向下施加压力时,尽量保护后方设备。

  压缩试验启动后,压头开始慢慢向下移动,并将压力通过蜂窝材料向后方传递。

  根据牛顿第三定律以及力的平衡条件可知,压头对蜂窝材料施加的压力和蜂窝材料对后方设备施加的压力相等。当压力超过了后方设备的承受极限时,就可以使设备遭到破坏。

  

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  面外方向的压缩实验,图片来源:自制

  随着压缩的进行,压头和蜂窝材料之间的压力的确在快速增加,似乎马上就要超过后方设备的承受极限了。

  但就在这时,蜂窝材料提前屈服于巨大的压力,它的侧壁开始出现弯曲、折叠。

  这种侧壁的变形现象最初仅存在于局部区域,接着会随着压头的继续下压而向更广的部位扩展。

  

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  压力的变化规律,图片来源:自制

  

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  蜂窝材料的局部弯曲折叠现象,图片来源:文献[2]

  每发生一次这种局部的侧壁弯曲折叠破坏,蜂窝材料与压头之间都会出现一次微小的缝隙,就像拳击手一拳打空了一样,会使压力瞬间下降。直到压头继续将蜂窝材料压紧后,压力才会继续恢复上升。

  在整个压缩过程中,大量的侧壁弯曲折叠现象使得压力总是无法继续上升,始终在一个恒定值附近上下波动。只有当蜂窝材料被完全压实成饼状后,压力才会继续迅猛上升,对后方设备造成威胁。

  以上是面外压缩的情形,而当蜂窝材料承受面内方向的压缩时,虽然它的侧壁弯曲折叠规律有所不同,但压力曲线的变化规律却仍然类似,同样具有一个比较明显的平台区。

  在压头将蜂窝材料完全压实之前,压力始终无法实现有效突破,自然也就不能对后方的保护对象造成什么威胁。

  

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  蜂窝材料的面内压缩实验,可以看到侧壁也发生了弯曲折叠,图片来源:文献[3]

  总而言之,蜂窝材料是一种自我牺牲型材料,通过自身发生“粉身碎骨”般的大幅度压溃破坏,将具有破坏性的外部能量转化为自身的内能,从而保证了身后伙伴的安全。

  所以,蜂窝材料被工程师们作为填充材料安装到了嫦娥五号的着陆支架中。事实证明,蜂窝材料的确圆满完成了它的使命。

  科学家们还针对蜂窝材料的基本构型进行了创新设计,从常见的三角形、矩形、六边形,到不常见的内凹六边形、Kagome型等,这些材料都被统称为蜂窝材料,并各自有着许多独特的力学性能。

  这种善于学习又勇于突破创新的奇妙构思,真可谓是“青出于蓝而胜于蓝”啊!

  

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  各种新型蜂窝材料,图片来源:自制

  参考文献:

  1.Hales T C . The Honeycomb Conjecture[J]. Discrete &Computational Geometry, 2001.

  2.乔及森, 孔海勇, 苗红丽, 李明. 梯度铝合金蜂窝夹芯板复合材料的力学响应[J].塑性工程学报,2021,28(03):183-189.

  3.Lorna J. Gibson, Michael F. Ashby著;刘培生译. 多孔固体结构与性能第2版[M]. 北京:清华大学出版社, 2003.11.


标签: 嫦娥五号 月球 蜜蜂

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