不騙人，嫦娥五號在月球站穩(wěn)腳跟主要靠蜜蜂

2020年11月24日，萬眾矚目的嫦娥五號在長征五號運載火箭的幫助下進入太空，歷時112個小時進入了月球軌道，最終安全登陸月球背面。這一壯舉打開了我國航天探索事業(yè)的新篇章。

你知道嗎？嫦娥五號探測器在向月球表面降落時，雖然反向發(fā)動機大大降低了它的下降速度，但它仍然會在著陸瞬間承受約4倍于地球的重力加速度。也就是說，著陸支架承受的過載相當于探測器地面重量的4倍。在落地瞬間，一旦著陸支架因無法承受過載而斷裂，那么嫦娥五號探測器及其隨身攜帶的許多高精度科研探測設備都將可能受到損傷。

所以，如何讓著陸支架可以承受較高的過載，并保護探測器不受傷害，是工程師們遇到的一大難點。

月球表面凹凸不平，因此探測器的著陸位置、著陸姿態(tài)、質量分布、質心位置、著陸時的振動特性、機構運動協(xié)調性等因素都是設計時需要考慮的地方。除此之外，由于落地瞬間的沖擊力會通過著陸支架向探測器傳遞具有高度破壞性的能量，所以著陸支架不僅要堅硬、穩(wěn)當，還需要具有高效吸收破壞性能量的緩沖防護能力。

哪種材料可以勝任這個艱巨的任務呢？工程師們經過綜合篩選，最終采用了一種叫做蜂窩的防護材料，將其作為填充材料安裝到了嫦娥五號探測器的中空著陸支架內。

咦，蜂窩材料？它和蜜蜂的蜂巢有啥關系？

沒錯，蜂窩材料的設計靈感正是來源于大自然中的真蜂巢！

嫦娥五號應用了來源于自然界的蜂窩緩沖結構，圖片來源：自制

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來自大自然的蜂窩材料

蜜蜂是一種神奇的社會性昆蟲，它們常常展現(xiàn)出與高等動物相媲美的智慧。我們常見的六邊形鑲嵌式蜂巢，就是蜜蜂家族在經歷了數(shù)百萬年演化后所掌握的獨門秘籍（可申請專利那種）。

蜜蜂真是大自然的能工巧匠，圖片來源：theconversation

蜂巢的結構想必大家都很熟悉了：它由許多蜂房組成，有的用來培育幼蜂，有的用來儲存花蜜……同時，每一個蜂房的橫截面幾乎都是標準的六邊形，這種獨特的造型令人們印象深刻，以至于只要看到類似的形狀，就會聯(lián)想到蜜蜂和它們的家。所以，這種由許多個六邊形鑲嵌而成的平面結構常被人們稱為“蜂窩結構”。

工程師和藝術家們則很早就已經把蜂窩材料應用在了各行各業(yè)，我們可以在各種建筑、雕塑和繪畫等作品上發(fā)現(xiàn)六邊形蜂窩元素。

蜂巢風格建筑，圖片來源：archcollege

喀麥隆發(fā)行的蜂窩風格紀念幣，圖片來源：powercoin

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蜂窩材料蘊含了數(shù)學之美

科學家們同樣對蜂窩結構非常感興趣，古羅馬的法羅、古希臘的波佩斯等學者便曾先后研究過蜂巢。不過，對于為什么每個蜂房都是六邊形這一問題，他們并沒有給出確切的解釋。后來的科學家們提出了一個“蜂窩猜想”，認為這種蜂窩結構可能具有最優(yōu)的空間利用率。但長久以來，這個猜想未能得到證實。

1999年，數(shù)學家托馬斯·黑爾斯利用數(shù)學方法證明了蜂窩猜想：如果要將一個平面分割為許多個面積相同的區(qū)域，那么當采用正六邊形鑲嵌的方式時，所需的線條周長最小。也就是說，蜜蜂采用這種正六邊形緊密鑲嵌的蜂房設計，可以在材料用量最少的情況下盡量提高空間利用率，真是太高明了！

數(shù)學家托馬斯·黑爾斯，圖片來源：維基百科

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蜂窩材料具有高效防護能力

而蜂窩材料之所以能夠隨著嫦娥五號登上了月球，則是由于它在緩沖防護領域同樣具有極大的應用價值。

如果我們把蜂窩材料放置在兩層很薄的實心板之間，并用膠水將它們牢牢地粘在一起，就得到了一種叫做“蜂窩夾芯三明治板”的多層復合板材。這種夾芯板看起來很厚，多孔的蜂窩材料芯材占據(jù)了絕大部分體積，但其質量卻很輕。同時，蜂窩夾芯板還具有較高的抗彎曲變形和緩沖防護能力，所以非常適合用于飛機、火箭、衛(wèi)星等對重量、承載效率和防護能力要求非常高的設備上。1915年，工程師雨果·容克斯首次在飛機的結構設計中應用了蜂窩夾芯板，由此開啟了蜂窩材料飛上藍天的時代。

蜂窩夾芯板，圖片來源：見水?。ㄈ缜謾啵埪?lián)系刪除）

蜂窩材料是如何在爆炸、高速碰撞等危險環(huán)境中保護后方設備的呢？我們可以通過簡單的壓縮破壞實驗來進行觀察。

蜂窩材料又被稱為二維材料，是因為它可以通過二維平面內的六邊形鑲嵌結構向垂直方向拉伸得到?？梢园l(fā)現(xiàn)，如果沿著不同的方向對蜂窩材料加以擠壓，它的破壞方式一定是不同的。為了研究不同壓縮方向上蜂窩材料的受壓破壞，科學家們一般把二維平面內的X方向和Y方向定義為面內方向，而把拉伸方向（Z方向）定義為面外方向。

蜂窩材料的方向定義，圖片來源：自制

如下圖所示就是蜂窩材料的面外壓縮實驗，它的上方是一個剛性壓頭，下方是某個重要的設備。而它的任務則是在壓頭向下施加壓力時，盡量保護后方設備。

壓縮試驗啟動后，壓頭開始慢慢向下移動，并將壓力通過蜂窩材料向后方傳遞。根據(jù)牛頓第三定律以及力的平衡條件可知，壓頭對蜂窩材料施加的壓力和蜂窩材料對后方設備施加的壓力相等。當壓力超過了后方設備的承受極限時，就可以使設備遭到破壞。

面外方向的壓縮實驗，圖片來源：自制

隨著壓縮的進行，壓頭和蜂窩材料之間的壓力的確在快速增加，似乎馬上就要超過后方設備的承受極限了。但就在這時，蜂窩材料提前屈服于巨大的壓力，它的側壁開始出現(xiàn)彎曲、折疊。這種側壁的變形現(xiàn)象最初僅存在于局部區(qū)域，接著會隨著壓頭的繼續(xù)下壓而向更廣的部位擴展。

壓力的變化規(guī)律，圖片來源：自制

蜂窩材料的局部彎曲折疊現(xiàn)象，圖片來源：文獻[2]

每發(fā)生一次這種局部的側壁彎曲折疊破壞，蜂窩材料與壓頭之間都會出現(xiàn)一次微小的縫隙，就像拳擊手一拳打空了一樣，會使壓力瞬間下降。直到壓頭繼續(xù)將蜂窩材料壓緊后，壓力才會繼續(xù)恢復上升。

在整個壓縮過程中，大量的側壁彎曲折疊現(xiàn)象使得壓力總是無法繼續(xù)上升，始終在一個恒定值附近上下波動。只有當蜂窩材料被完全壓實成餅狀后，壓力才會繼續(xù)迅猛上升，對后方設備造成威脅。

以上是面外壓縮的情形。而當蜂窩材料承受面內方向的壓縮時，雖然它的側壁彎曲折疊規(guī)律有所不同，但壓力曲線的變化規(guī)律卻仍然類似，同樣具有一個比較明顯的平臺區(qū)。在壓頭將蜂窩材料完全壓實之前，壓力始終無法實現(xiàn)有效突破，自然也就不能對后方的保護對象造成什么威脅。

蜂窩材料的面內壓縮實驗，可以看到側壁也發(fā)生了彎曲折疊，圖片來源：文獻[3]

總而言之，蜂窩材料是一種自我犧牲型材料，通過自身發(fā)生“粉身碎骨”般的大幅度壓潰破壞，將具有破壞性的外部能量轉化為自身的內能，從而保證了身后伙伴的安全。所以，蜂窩材料被工程師們作為填充材料安裝到了嫦娥五號的著陸支架中。事實證明，蜂窩材料的確圓滿完成了它的使命。

科學家們還針對蜂窩材料的基本構型進行了創(chuàng)新設計，從常見的三角形、矩形、六邊形，到不常見的內凹六邊形、Kagome型等，這些材料都被統(tǒng)稱為蜂窩材料，并各自有著許多獨特的力學性能。這種善于學習又勇于突破創(chuàng)新的奇妙構思，真可謂是“青出于藍而勝于藍”?。?/p>

各種新型蜂窩材料，圖片來源：自制

參考文獻：

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

2.喬及森, 孔海勇, 苗紅麗, 李明. 梯度鋁合金蜂窩夾芯板復合材料的力學響應[J].塑性工程學報,2021,28(03):183-189.

3.Lorna J. Gibson, Michael F. Ashby著；劉培生譯. 多孔固體結構與性能第2版[M]. 北京：清華大學出版社, 2003.11.

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蝌蚪五線譜原創(chuàng)文章，轉載注明來源

責編/龍貓