Инженеры разбивают камни, имитируя воздействие на астероид

Автор: Johns Hopkins University

Инженеры Университета Джонса Хопкинса раскрыли новые подробности о том, как сыпучие материалы, такие как песок и камни, ведут себя при экстремальных воздействиях. Эти открытия когда-нибудь могут помочь защитить Землю от опасных астероидов.

Используя новые экспериментальные методы и передовые компьютерные симуляции, команда обнаружила, что эти материалы могут вести себя неожиданным образом при ударе на высоких скоростях, что бросает вызов традиционным моделям. Их работа опубликована в журнале Journal of the Mechanics and Physics of Solids.

«Наше исследование показывает, что разные части материала и даже разные песчинки могут вести себя совершенно по-разному во время одного и того же ударного события», — сказал руководитель группы Райан Херли, доцент кафедры машиностроения в Школе инженерии Уайтинга при Университете Джонса Хопкинса и научный сотрудник Института экстремальных материалов Хопкинса (HEMI).

«То, что мы обнаружили, может быть использовано в различных областях: от отклонения астероидов до промышленных процессов, таких как производство планшетов».

Команда стреляла снарядами из газовой пушки со скоростью до 2 км/с в гранулированные образцы, сделанные как из алюминия, так и из натриево-кальциевого стекла, и наблюдала за поведением образцов в первые несколько микросекунд после удара. Хотя подобные эксперименты обычно проводятся на месте в HEMI в кампусе JHU в Балтиморе, этот конкретный эксперимент проводился в Advanced Photon Source (APS) в Чикаго, поскольку он требовал использования специальных рентгеновских установок для визуализации удара.

«Если вы пойдете на пляж, вы увидите только песок на поверхности, но рентгеновские лучи могут увидеть, что происходит под ним», — сказал Соханджит Гхош, аспирант кафедры машиностроения и ведущий автор статьи.

«Мы объединяем рентгеновские снимки с разработанными нами числовыми моделями, и это превращает двухмерное рентгеновское изображение в трехмерный процесс, который дает нам полную картину происходящего как во времени, так и в пространстве».

Автор: Johns Hopkins University

Исследователи обнаружили, что, помимо других химических реакций, тепло, создаваемое при интенсивном сжатии, приводит к растрескиванию зерен, их плавлению и повторному затвердеванию.

«Интересно посмотреть, как зерна взаимодействуют друг с другом по-разному при разных скоростях удара», — сказал Гош. «Мы обнаружили, что при увеличении скорости до все более высоких значений передается так много тепловой энергии, что зерна фактически плавятся, а затем преобразуются».

Команда заметила, что различные металлические материалы демонстрируют различные способы рассеивания энергии во время высокоскоростных ударов. Такие материалы, как алюминий, поглощают энергию за счет образования дефектов и пластичности, в то время как хрупкие материалы, такие как натриево-кальциевое стекло, рассеивают энергию за счет трещин и фрагментации.

Исследователи говорят, что эти результаты могут быть полезны для будущих миссий, подобных миссии DART 2022 года, которая столкнулась с астероидом, изменив его траекторию.

«Все астероиды имеют этот слой песка, называемый реголитом, сверху, и когда вы стреляете в них, именно реголит рассеивает большую часть энергии удара», — сказал Гош. «Мы можем сделать вывод из комбинации такого моделирования и экспериментов, как будут вести себя различные материалы в разных средах и условиях удара».

Гош рассказал, что хотя планирование эксперимента длилось несколько месяцев, сам физический опыт закончился буквально в мгновение ока.

«Временные рамки экспериментов очень короткие — несколько сотен наносекунд», — сказал он. «Мы готовим весь эксперимент в течение месяца, а затем он заканчивается за несколько микросекунд».

Мохмад Такур, младший научный сотрудник HEMI, также был членом исследовательской группы.

Больше информации: Sohanjit Ghosh et al, Quantifying 3D time-resolved kinematics and kinetics during rapid granular compaction, Part I: Quasistatic and dynamic deformation regimes, Journal of the Mechanics and Physics of Solids (2024). DOI: 10.1016/j.jmps.2024.105765

Источник: Johns Hopkins University