太空探索与日本折纸艺术:帮助飞船和火箭实现软着陆

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  折纸与太空探索,听起来八竿子打不着,但华盛顿大学的科学家却把它们联系在一起。这所大学的一支研究小组从折纸艺术中获得灵感,研制了一款利用折痕缓解冲击力的缓冲器,以帮助飞船和火箭实现软着陆。SpaceX的猎鹰9型火箭以及其它可重复使用火箭将成为这项技术的受益者。此外,这项技术也可用于汽车和其它领域。

  

  华盛顿大学的一支研究小组从折纸获得灵感,研制了一款缓冲器,可降低飞船和火箭着陆时的冲击力

  信不信由你,日本的折纸术可帮助火箭实现软着陆。类似SpaceX猎鹰9型这样的火箭必须想办法应对着陆时受到的巨大冲击。其中一种解决方案是,利用特殊材料制造着陆架的“腿”,以吸收部分冲击力。现在,华盛顿大学的一支研究小组提出了一种新奇的解决方案,通过复制折纸结构缓解冲击力。

  这支研究小组制造了一种超材料的纸模型,利用折痕“驯服”冲击力,进而帮助飞船和火箭实现软着陆。研究论文作者、航空航天学副教授杨镇奎(Jinkyu Yang)表示:“如果你佩戴这种材料制成的橄榄球头盔,即使被什么东西撞到,你也不会有撞头的感觉。因为当这股能量传递给你时,你感受到的不再是推力,而是拉力。”

  

  研究小组从折纸术获得灵感,设计出这种独特的结构单元

  杨镇奎和他的团队设计的新型超材料拥有一系列他们渴望的特性。他说:“我们设计的超材料就像乐高玩具,通过重复堆叠和拼接单一类型的拼块或者我们所说的单元,就能制造出各种各样的结构。你可以打造一种拥有前所未见的特殊机械性能的材料,具体取决于你如何设计单元。”

  为了设计这种独特的单元,研究小组将目光投向折纸术。研究论文合著者宫泽泰裕(Yasuhiro Miyazawa)表示:“折纸术是打造这种单元的理想之选。通过改变折痕在扁平材料中的位置,我们可以设计出在折叠和展开时具有不同刚度的材料。我们设计的结构单元能够在被人推动时‘软化’推力,并在恢复正常形态时加强随之而来的张力。”

  

  Space X在加州范登堡空军基地发射猎鹰9型火箭

  与折纸一样,这种单元原型也用纸制造。研究人员利用激光切割机在纸上切出虚线,用以标记折叠位置。他们沿着这些线折纸,形成一个柱形结构,而后在每一端粘上丙烯酸帽,将结构单元组装成一条长链。研究人员将20个结构单元排列在一起并将一端与一个装置相连。这个装置推动这个链条,触发整个链条的连锁反应。借助6台GoPro相机,研究小组追踪到了最初的压缩波以及在链条恢复正常状态时产生的张力波。

  

  与折纸一样,这种单元原型也用纸制造。研究人员利用激光切割机在纸上切出虚线,用以标记折叠位置

  研究人员发现,类折纸结构组成的长链表现出与人们直觉相反的波动:尽管来自推动装置的压缩力触发了整个反应,但推力从未传递到长链的另一端。当第一个结构单元恢复正常形状时,推力被张力取代,并沿着长链传播得越来越快。因此,链条末端的结构单元只会感受到拉力。

  杨镇奎表示:“冲击力在日常生活中随处可见。我们的系统为减少冲击力的不利影响提供了一种全新的解决方案。这种系统可以提升汽车和人员在发生车祸时的安全系数。目前,类折纸系统由纸制成,但我们已计划采用复合材料。理想情况下,我们甚至可以根据特定应用对材料进行优化。”研究论文刊登在5月24日的《科学进展》杂志上。

  

  杨镇奎手拿一个缓冲器纸模型,设计灵感来源于折纸术

  古老的折纸艺术

  折纸艺术据说起源于日本,拥有古老的历史。折纸的英文名称“origami”来自于日语,“ori”意为“折叠”,“kami”意为“纸”。折纸很快从日本走向全世界,进化成一门现代艺术。真正的折纸爱好者不会使用剪刀、胶水或者在纸上画出标记,因为折纸的真正魅力就在于“折”,进行裁切的设计被叫做剪纸(kirigami)。

  人们最耳熟能详的折纸造型当属日本的千纸鹤。日本折纸艺术的历史可追溯到江户时代(1603-1867)。最早的纸模型文字记录出现在1680年的一首短诗中。诗中提到了在神道教婚礼上使用的传统折纸蝴蝶。1797年,已知第一部与折纸有关的著作在日本问世,让更多的人学习和喜欢上折纸。日本流传着很多与折纸有关的故事,例如纸鸟变真鸟的神话传说。

  亿万富翁的太空竞赛

  

  杰夫·贝佐斯与他的“蓝色起源”太空舱

  现在,由亿万富翁创建的多家企业都在打造商业太空飞船。亚马逊首席执行官杰夫·贝佐斯正在领导“蓝色起源”计划。2017年4月,贝佐斯宣布每年将为“蓝色起源”计划投资10亿美元。该系统采用可重复使用的“新谢泼德”号助推火箭,上面建有一个加压乘员舱。蓝色起源的“新格伦”火箭预计于2020年进入低地球轨道。

  

  埃隆·马斯克与他的“龙”飞船

  贝佐斯的飞船尚未飞离地球大气层,埃隆·马斯克的SpaceX公司已经进行了几次成功发射。2018年2月6日,旨在执行火星任务的猎鹰重型火箭发射升空。这是目前世界上运载能力最强的火箭,发射时搭载了一辆特斯拉跑车。SpaceX公司拿到美国宇航局的巨额合约。宇航局希望利用他们的火箭,执行火星殖民任务。现在,SpaceX的载人“龙”飞船又成功完成空间站对接任务。宇航局已经敲定了两名宇航员,执行“龙”飞船的第一次载人任务。

  

  理查德·布兰森与他的空天飞机

  理查德·布兰森的维珍银河Unity空天飞机已经进行了两次成功试飞,第一次是在2018年12月,第二次是在2019年2月22日,飞行速度接近3马赫。目前,已经有600多人预订维珍银河的船票,包括布拉德皮特和凯蒂佩里,票价为25万美元。布兰森认为马斯克的SpaceX将赢得载人探火竞赛。

  太空船二号将搭载6名乘客和2名飞行员,每名乘客的就坐环境相同,侧面和头顶各有一个大窗户。这款空天飞机长约18米,客舱直径超过2米,宇航员可以在失重状态下漂浮。爬升至1.5万多米的高度后,火箭发动机点火,太空船二号将在8万多米高时与母船“白色骑士二号”分离。到达大气层边界——卡门线时,乘客们就会成为“宇航员”。最后,太空船二号会上演6分钟的亚轨道之旅,乘客们会持续失重,整个飞行过程大约持续1个半小时。

  博科园|文:彼得·罗伊德

  转自:漫步宇宙/qqtaikong

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