Как построить космический аппарат из множества идентичных деталей

Исследователи из Массачусетского технологического института разработали лёгкую структуру, мелкие блоки-фрагменты которой могут сцепляться вместе подобно деталям детского конструктора. По словам учёных, этот новый материал может революционизировать сборку самолётов, космических аппаратов, и даже крупных конструкций, таких как дамбы и плотины.

Один из авторов исследования, доктор Нил Гершенфельд, сравнивает новую структуру, которая состоит из крошечных идентичных, взаимнопереплетённых частей, с кольчугой. Эти части, разработанные Гершенфельдом в соавторстве с доктором Кеннетом Ченгом, в 10 раз жёстче для своего веса, чем существующие на сегодняшний день ультралёгкие материалы. И при этом, такая структура может быть с лёгкостью собрана и разобрана – для ремонта повреждений или для придания ей новой конфигурации.

Отдельные части-фрагменты структуры могут производиться в массовом порядке, для этого Гершенфельд и Ченг разработали роботизированную систему, которая, помимо множества других вещей, может собирать их в крылья и фюзеляжи самолётов, в мосты и ракеты.

Новый дизайн объединяет в себе три различные сферы исследований: волоконные композиты, клеточные материалы, и аддитивное производство (такое, например, как трёхмерная печать).

В традиционном композитном производстве, сочленения между крупными компонентами – это именно то место, где начинаются трещины и структурные поломки. И хотя новые конструкции собраны из множества сцепленных волоконных колец, исследователи продемонстрировали, что они ведут себя как эластичное твёрдое тело, с жёсткостью эквивалентной гораздо более тяжёлым традиционным структурам – поскольку нагрузки распределяются на множество фрагментов решётчатой системы.

Для создания такой конструкции профессор Ченг разработал плоские крестообразные композитные элементы, которые способны сцепляться в кубическую решётку октаэдральных клеток – структуру, известную как «кубокт» — которая сходна с кристаллической структурой минерала перовскита — распространённого компонента земной коры. И хотя отдельные элементы конструкции могут разбираться для ремонта или переработки, они не рассыпятся сами по себе, заверяют учёные. Подобно пряжке на ремне, они спроектированы выдерживать большие нагрузки в направлении нормальных векторов сил, и требуют приложения давления в совершенно другом направлении, чтобы рассоединиться.

Возможность соединения множества типов различных деталей даёт новую степень свободы в композитном производстве. Учёные продемонстрировали, что комбинируя различные части, можно создавать изменяемые структуры с идентичной геометрией, но способные гнуться в разные стороны в ответ на прикладываемую к ним нагрузку: Вместо движения только в фиксированных суставах, вся рука робота или крыло самолёта могут изменять свою форму.

Новая технология является крупным прорывом, и способна произвести революцию во многих отраслях производства – от строительства зданий, до робототехники и создания космических аппаратов.

web.mit.edul