嫦娥5号が月面に足場を築いたのは主にミツバチのおかげである。

2020年11月24日、待望の嫦娥5号が長征5号ロケットの助けを借りて宇宙に飛び立ち、112時間後に月周回軌道に入り、ついに月の裏側に無事着陸した。この偉業は、我が国の宇宙探査に新たな章を開いた。

知っていましたか？嫦娥5号が月面に降下する際、逆エンジンにより降下速度は大幅に低下するが、着陸の瞬間には地球の約4倍の重力加速度に耐えられる。つまり、着陸ブラケットは地上の探査機の重量の4倍に相当する過負荷に耐えることになります。着陸の瞬間、過負荷に耐えられず着陸ブラケットが破損した場合、嫦娥5号探査機と搭載されている高精度科学研究用検出機器の多くが損傷を受ける可能性がある。

したがって、着陸ブラケットをより高い過負荷に耐えさせ、探査機を損傷から保護する方法は、エンジニアが直面する大きな困難です。

月の表面は凹凸があるため、探査機の着陸位置、着陸姿勢、質量分布、重心位置、着陸時の振動特性、機構動作の調整など、設計時に考慮する必要がある要素がすべてあります。また、着陸の瞬間の衝撃力は着陸ブラケットを通じて探査機に非常に破壊的なエネルギーを伝達するため、着陸ブラケットは硬くて安定しているだけでなく、探査機を緩衝・保護して破壊エネルギーを効率的に吸収する能力も備えていなければなりません。

この困難な課題に耐えられる素材はどれでしょうか?エンジニアたちは徹底的な審査を経て、最終的にハニカムと呼ばれる保護材を採用し、嫦娥5号探査機の中空着陸ブラケット内部の充填材として設置した。

え、ハニカム素材？それはミツバチの巣と何の関係があるのでしょうか?

そうです、ハニカム素材のデザインのインスピレーションは、自然界にある本物のハニカムから来ています。

嫦娥5号は自然界に由来するハニカム緩衝構造を採用している。画像ソース: 自家製

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自然由来のハニカム素材

ミツバチは驚くべき社会性昆虫であり、高等動物に匹敵する知能を示すことが多い。私たちがよく目にする六角形のモザイク状のハニカムは、ミツバチ科が何百万年もの進化を経て習得した独自の秘密（特許を取得できるほどの秘密）です。

ミツバチはまさに自然の熟練した職人です。画像ソース: theconversation

蜂の巣の構造は皆さんもよくご存知だと思います。蜂の巣は多くの巣で構成されており、そのうちのいくつかは若い蜂の繁殖に使用され、いくつかは蜜を貯蔵するために使用されます...同時に、各蜂の巣の断面はほぼ標準的な六角形です。このユニークな形は非常に印象的で、人々は同様の形を見ると、ミツバチとその巣を思い浮かべるでしょう。そのため、多数の六角形で構成されるこの平面構造は、「ハニカム構造」と呼ばれることがよくあります。

エンジニアやアーティストは、古くからさまざまな産業にハニカム素材を応用してきました。六角形のハニカム要素は、さまざまな建物、彫刻、絵画、その他の作品に見られます。

蜂の巣型建築、画像提供：archcollege

カメルーンはハニカム型の記念硬貨を発行した。画像ソース: パワーコイン

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ハニカム素材には数学的な美しさが詰まっている

科学者たちもハニカム構造に非常に興味を持っています。古代ローマのファロや古代ギリシャの教皇などの学者は蜂の巣を研究しました。しかし、それぞれのハニカムがなぜ六角形なのかについては明確な説明がありませんでした。その後、科学者たちは、このハニカム構造が空間を最も有効に活用できると考え、「ハニカム仮説」を提唱しました。しかし、長い間、この推測は確認されていません。

1999 年、数学者トーマス・ヘイルズは数学的手法を用いてハニカム予想を証明しました。ハニカム予想とは、平面を多数の等面積の領域に分割する場合、正六角形のモザイク細分化を使用すると必要な線の周囲が最小になるというものです。言い換えれば、ミツバチは、最小限の材料で空間を最大限に活用するために、密集した正六角形のハニカム構造を使用しています。本当に賢いですね！

数学者トーマス・ヘイルズ、画像出典: Wikipedia

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ハニカム素材は高い保護能力を持っています

ハニカム素材が嫦娥5号とともに月面に着陸できたのは、緩衝材や保護材の分野でも大きな応用価値があったからだ。

ハニカム素材を 2 枚の非常に薄い固体パネルの間に置き、しっかりと接着すると、「ハニカム サンドイッチ パネル」と呼ばれる多層複合パネルが得られます。このサンドイッチパネルは厚く見え、多孔質のハニカムコアが体積の大部分を占めていますが、質量は非常に軽量です。同時に、ハニカムサンドイッチパネルは曲げ変形に対する耐性と緩衝保護機能も高いため、重量、耐荷重効率、保護機能に対する要件が非常に高い航空機、ロケット、衛星などの機器での使用に非常に適しています。 1915 年、エンジニアのヒューゴ・ユンカースが初めてハニカムサンドイッチパネルを航空機の構造設計に採用し、ハニカム素材が空を飛ぶ時代が始まりました。

ハニカムサンドイッチパネル、画像出典：透かしを参照（著作権侵害の場合は削除をご連絡ください）

ハニカム素材は、爆発や高速衝突などの危険な環境から後部機器をどのように保護するのでしょうか?これは、簡単な圧縮破壊実験を通じて観察できます。

ハニカム材料は、2次元平面内の六角形のモザイク構造を垂直方向に引き伸ばすことで得られるため、2次元材料とも呼ばれます。ハニカム材料を異なる方向に圧縮すると、その破壊モードも異なることがわかります。さまざまな圧縮方向におけるハニカム材料の圧縮破壊を研究するために、科学者は通常、2 次元平面内の X 方向と Y 方向を面内方向として定義し、引張方向 (Z 方向) を面外方向として定義します。

ハニカム材料の方向定義、画像ソース：自家製

下の図はハニカム材料の面外圧縮試験を示しています。その上には堅固な圧力ヘッドがあり、その下にはいくつかの重要な機器があります。その役割は、圧力ヘッドが下向きの圧力を加えるときに、後部の機器を可能な限り保護することです。

圧縮試験が開始されると、圧力ヘッドがゆっくりと下方に移動し、ハニカム材料を介して後方に圧力を伝達します。ニュートンの第 3 法則と力のバランス条件によれば、圧力ヘッドがハニカム材料に及ぼす圧力は、ハニカム材料が後部装置に及ぼす圧力に等しくなります。圧力が後部機器の耐荷重限界を超えると、機器が損傷する可能性があります。

面外方向の圧縮実験、画像出典：自作

圧縮が進むにつれて、圧力ヘッドとハニカム素材の間の圧力は確かに急激に増加しており、すぐに背後の装置の許容限界を超えてしまうようです。しかし、この時点で、ハニカム素材は巨大な圧力に早期に屈し、側壁が曲がり、折れ曲がり始めました。この側壁変形現象は、最初は局所的な領域にのみ存在しますが、圧力ヘッドが押し下げられ続けると、より広い領域に拡大します。

圧力変化の法則、画像出典：自家製

ハニカム材料の局所的な曲げと折り畳み現象。画像出典：参考文献[2]

このような局所的な側壁の曲がりや折り畳みの破損が発生するたびに、ボクサーが空中でパンチを繰り出すときのように、ハニカム材料と圧力ヘッドの間に小さな隙間が生じ、圧力が瞬時に低下します。圧力ヘッドがハニカム材料を圧縮し続けるまで、圧力は上昇し続けます。

圧縮プロセス全体を通じて、側壁の大きな曲がりや折り畳みにより圧力が上昇し続けることは不可能となり、常に一定値付近で変動します。ハニカム素材が完全にパンケーキ状に圧縮された場合にのみ、圧力は急速に上昇し続け、後ろの機器に脅威を与えます。

上記は面外圧縮の場合です。ハニカム材料が面内圧縮を受けると、側壁の曲げと折り畳みの規則は異なりますが、圧力曲線の変化規則は依然として類似しており、比較的明らかなプラットフォーム領域も持っています。圧力ヘッドがハニカム材料を完全に圧縮するまでは、圧力は有効な突破口に達することはなく、当然、後方の保護対象物にいかなる脅威も及ぼすことはできません。

ハニカム材料の面内圧縮試験では、側壁も曲がって折れ曲がっていることがわかります。画像出典：参考文献[3]

つまり、ハニカム素材は自己犠牲的な素材なのです。徹底的な破壊力で外部の破壊エネルギーを自身の内部エネルギーに変換し、背後にいる仲間の安全を確保します。そこで、エンジニアたちは嫦娥5号の着陸ブラケットにハニカム素材を充填材として設置した。ハニカム素材は確かにその使命を無事に果たしたことが判明した。

科学者たちは、一般的な三角形、長方形、六角形から、珍しい凹型六角形やカゴメ型まで、ハニカム材料の基本構成の革新的なデザインも生み出しました。これらの材料は総称してハニカム材料と呼ばれ、それぞれが多くの独自の機械的特性を持っています。学習が得意で、突破口を開き革新する勇気があるというこの素晴らしい考えは、まさに「弟子が師匠を超える」と表現できます。

さまざまな新しいハニカム素材、画像ソース: 自家製

参考文献:

1.ヘイルズTC。ハニカム予想[J]離散幾何学と計算幾何学、2001年。

2. チャオ・ジセン、コン・ハイヨン、ミャオ・ホンリー、リー・ミン。傾斜アルミニウム合金ハニカムサンドイッチパネル複合材料の機械的応答[J]。塑性工学ジャーナル、2021年、28(03):183-189。

3. ローナ・J・ギブソン、マイケル・F・アシュビー翻訳者、劉培生。多孔質固体の構造と特性、第2版 [M]。北京：清華大学出版局、2003年11月。

終わり

Tadpole Musical Notation オリジナル記事、転載の際は出典を明記してください

編集者/となりのトトロ