Почему пуля круглая, а дырка квадратная? Это явно не тот вопрос, который волнует многих на регулярной основе. Тем не менее, так иногда бывает, и чем дальше мы хотим забираться в космос, тем чаще приходится отвечать даже на самые внезапные вопросы.

Давайте немного поговорим о спутниках, кусачих астероидах и о том, за какие заслуги в Советском Союзе попадали в академики.

Речь пойдет об одной прикольной конструкции для защиты космических спутников. Пока что она есть только в лабораториях, а не на орбите, но давайте начнем с того, зачем она вообще понадобилась.

Космическое пространство не такое пустое, как нам бы хотелось. Поверхности Луны, Марса и многих других небесных тел тонко намекают, что бывает, когда тебя не защищает толстая пушистая атмосфера. Мимо нас все время летает куча мелкой каменной пакости, и наши спутники и космические станции защищены от нее не больше, чем поверхность Луны в Море Спокойствия.

На самом деле, всерьез защищаться от всех космических камней без исключения точно не получится. Например, если из-за пределов Солнечной системы прилетит маааленький такой межзвездный астероид на скорости 50 километров в секунду, никакая броня не поможет. Приходится рассчитывать на то, что такие события крайне редки.

Рядовые столкновения на орбите происходят на скорости до 10 километров в секунду. Близко к первой космической скорости, на которой, грубо говоря, летают все спутники. Этакая средняя скорость на трассе. Обломки космического мусора тоже ее соблюдают и могут мощно прилететь в борт с пересекающейся орбиты. Вот от таких ударов и хотелось бы защищаться в первую очередь, все-таки металлические куски потверже, чем каменные и ледяные микрометеоритики.

На следующем фото хорошо написано про обычную броню. Самый простой и прямолинейный способ защититься от удара — закрыться полуметровым слоем алюминия или даже стали. Разумеется, в этом случае стоимость запуска любого спутника станет настолько космической, что было бы дешевле запустить десять. Даже если девять из них погибнут от столкновений, так десятый выживет.

Более хитровыдуманная и эффективная схема — разнесенная преграда, она же щит Уиппла. Щит состоит из двух тонких металлических стенок, и первая из них не столько защищает, сколько атакует. Ее задача — раздробить опасный монолитный объект на облако мелких осколков, которые разлетаются веером и врезаются во вторую стенку. Там уже и скорость будет пониже, и удар будет распределен на большую площадь, да еще и часть осколков пойдет под углом и безвредно отрикошетит.

Крутое изобретение, но одна из самых важных его деталей — это пустое пространство между стенками. Чем оно больше, тем на большую площадь распределится удар, и тем проще будет второй стенке удержать осколки. Казалось бы, уж чего в космосе много, так это пространства, но не все так просто.

Потому что пространства довольно мало в самой ракете, которая выводит наше добро на орбиту. Полезная нагрузка, то есть спутники и прочая аппаратура, занимают довольно малую часть. Большая часть ракеты — это топливо, топливо и еще раз топливо (первая ступень, вторая ступень и третья ступень). Полезную нагрузку плотно упаковывают, а большие разлапистые детали делают складными.

Металлический щит Уиппла, двойную обшивку, тоже можно попробовать сделать складным. Но это будет весьма экзотическая конструкция с кучей движущихся деталей. Любую из них может заесть на орбите, где некому будет стукнуть по борту молотком, и ничего не раскроется.

А почему бы, подумали инженеры, не взять кевлар? Или любую другую ткань от бронежилетов, они все очень легкие, а по прочности бывают не хуже металлов. Так можно целые отсеки космических станций делать. Отвозить на орбиту как стопки тряпочек, а там уже разворачивать полноценные модули. И вот взяли они кевлар, а он на первых же испытаниях начал выдавать сюрпризы.

Основная проблема в том, что ткань (даже самого банального сатинового плетения) — это довольно сложный объект с точки зрения механики. Тонкая, мягкая, неоднородная. Еще и из ниточек состоит, которые сами по себе не так просты.

То, насколько поведение привычных веревок может отличаться от бытового представления, хорошо иллюстрируется одной старой историей.

Это академик Халил Ахмедович Рахматулин, и он придумал, как веревками крылья у самолетов отрезать. То есть аэростатную защиту, которую успешно применяли во Вторую Мировую.

Вот эта иллюстрация, на самом деле, неправильная. То есть самая левая картинка, конечно, отражает суть дела — в небе висит шарик на веревочке, самолет летит и вот-вот в нее врежется. А дальше показан случай, когда защита вообще-то не сработала. Самолет аккуратно тронул веревочку, шарик немного опустился, потом веревочка соскользнула с крыла, шарик поднялся обратно, а самолет полетел дальше. Можете сами такое дома попробовать, потыкав пальцем веревочку от воздушного шарика. Конечно, никакая это не защита.

Если по такой картинке посчитать силу, которая действует на крыло самолета, то ничего впечатляющего не получится. Но аэростатная защита работала, как же так? А все потому, что предыдущая картинка не учитывала одну важную фишку.

Правильную картинку, да еще и с правильной подписью, вы найдете, если будете гуглить волны Рахматулина. На медленно летящий объект, который отклоняет веревочку целиком, и правда будет действовать не очень большая сила. А вот если объект летит быстро, то вступают в игру правила, про которые начинающие физики иногда забывают.

Тот факт, что скорость света конечна и постоянна, развирусился и уже известен каждому первому: его печатают на футболках рядом с котом Шредингера и портретом Эйнштейна с высунутым языком. А вот то, что скорость передачи упругих возмущений в твердом теле тоже еще как конечна, часто оказывается для людей сюрпризом. Так оказалось и с веревочками. Оказывается, если самолет летит с достаточно большой скоростью (во Вторую Мировую такие уже летали), то эта скорость оказывается сопоставима со скоростью распространения возмущений в тросе. То есть см. рис. 1 б), как любят говорить механики, самолет будет взаимодействовать не с веревкой в целом, а с ее маленьким кусочком. Этот процесс можно представить себе так: крыло самолета врезается в небольшой кусок веревки, который очень жестко держит за края сила инерции. Если честно посчитать (тогда-еще-не-академик Рахматулин честно посчитал), то этой силы с запасом хватает, чтобы отрезать крыло вчистую.

На самом деле, это была весьма неочевидная фишка, которая привела к крутому изобретению. Аэростатную защиту стали применять во всех городах, а механикам-прочнистам пришлось крепко задуматься, где еще могут появиться такие эффекты. Тем более что техника двигалась вперед, и новые изобретения подкидывали все больше загадок.

Возвращаемся в двадцать первый век. Вот еще одна загадка. Это были четыре одинаковых кусочка кевлара, в них прилетели пули с различной скоростью. Как думаете, где скорость была выше?

Правильно, на правой нижней. На левой верхней был медленно летящий ударник, он успел вдоволь повзаимодействовать с нитками, вытянуть их из ткани и скукожить тряпочку. Чем выше скорость, тем, на самом деле, меньше взаимодействие. Ударник пробивает препятствие, выбивает из него “пробку” и летит дальше (ну, иногда его самого в щепки разносит, но это сейчас не суть). Есть даже такой фокус, пальцем листочек бумаги пробить. Принцип тот же.

Ну когда уже квадратная дырка-то будет?

А вот она.

Слева модель, справа фото. На модели она не очень квадратная, потому что это реально очень сложно смоделировать, а вот на фото — вполне. Честное слово, в жизни еще квадратнее. Я такую руками трогала.

Для объяснения, почему так, пришлось вспомнить и Рахматулина, и модель с прекрасным названием «крест-колокол».

Обычный кевлар с точки зрения ткачей устроен просто. Есть нитки вертикально, есть нитки горизонтально, переплетаются один-через-один.

Когда в такую ткань прилетает очень быстрый ударник (пару километров в секунду), то она практически не успевает на него отреагировать. Представьте себе замедленную съемку, как ударник как будто меееедленно пролетает сквозь ткань, но время тоже движется медленно, и ткань сама очень мееееедленно разгоняется вслед за ним. Непосредственное взаимодействие идет только с теми нитками, которых ударник коснулся. Это «крест» — вертикальные и горизонтальные нити. Нити «креста» начинают двигаться и распространяют возмущение на те нити, которые с ними пересекаются. Это «колокол». Дальше нюансы взаимодействия зависят от свойств ниток, плотности плетения, скорости ударника — короче, сложно.

Но на космических скоростях около десяти километров в секунду, на самом деле, все оказывается относительно просто. Ударник пролетает сквозь ткань с такой скоростью, что за время его пролета волна возмущения от взаимодействия успевает уйти по нитям на доли миллиметров. То есть пуля уже просвистела, а события в ткани только начинают разворачиваться. Волны Рахматулина бегут по нитям «креста», те начинают разгоняться, и до такой скорости, что банально перерубают нити «колокола».

В общем-то, все. Нити «креста» перерезали всех соседей и либо разрушились в короткие обрывки, либо свернулись подгоревшими с краю лохмотьями. От кевларовой тряпочки осталось четыре треугольных лоскутка, которые загнуло наружу и немного закрутило. Что осталось? Ага, правильно, квадратная дырка. А какой там был ударник, уже неважно, он давно улетел.

Кевлар и прочие композиты ведут себя иначе, чем старые добрые понятные металлы. Они анизотропные, они неоднородные, на их свойства могут влиять и плетение, и мелкие дефекты производства. Профессиональная инженерная интуиция может сбоить, потому что на новые материалы ее надо обучать отдельно, а лучше всего это получается как раз на странных непонятных эффектах.

Вот, например, квадратная дырка — если занырнуть на уровень ниток и подумать о всем происходящем «из первых принципов», самой базовой механики материалов, то все очевидно. А когда видишь такую шутку природы и технологии первый раз, то чувствуешь себя самолетом, влетевшим в аэростатное заграждение. Неожиданные эффекты отрезают привычную интуицию и заставляют смотреть на вещи немного иначе. Ну, после того, как прилетел лицом в землю, посидел пару лет за книгами и наконец разобрался.

На самом деле, и со старыми добрыми понятными металлами понятно далеко не все, и сюрпризов они могут подкинуть не меньше - особенно на переднем крае материаловедения, вокруг аддитивных технологий и 3D-печати. Но об этом в другой раз.

Автор: Катерина Бекламышева

Оригинал