2020年11月24日，萬衆矚目的嫦娥五号在長征五号運載火箭的幫助下進入太空，曆時112個小時進入了月球軌道，最終安全登陸月球背面。這一壯舉打開了大陸航天探索事業的新篇章。
你知道嗎？嫦娥五号探測器在向月球表面降落時，雖然反向發動機大大降低了它的下降速度，但它仍然會在着陸瞬間承受約4倍于地球的重力加速度。也就是說，着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，一旦着陸支架因無法承受過載而斷裂，那麼嫦娥五号探測器及其随身攜帶的許多高精度科研探測裝置都将可能受到損傷。
是以，如何讓着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，是以探測器的着陸位置、着陸姿态、品質分布、質心位置、着陸時的振動特性、機構運動協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着陸支架向探測器傳遞具有高度破壞性的能量，是以着陸支架不僅要堅硬、穩當，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，将其作為填充材料安裝到了嫦娥五号探測器的中空着陸支架内。
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！
嫦娥五号應用了來源于自然界的蜂窩緩沖結構，圖檔來源：自制
1
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，就是蜜蜂家族在經曆了數百萬年演化後所掌握的獨門秘籍（可申請專利那種）。
蜜蜂真是大自然的能工巧匠，圖檔來源：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标準的六邊形，這種獨特的造型令人們印象深刻，以至于隻要看到類似的形狀，就會聯想到蜜蜂和它們的家。是以，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，我們可以在各種建築、雕塑和繪畫等作品上發現六邊形蜂窩元素。
蜂巢風格建築，圖檔來源：archcollege
喀麥隆發行的蜂窩風格紀念币，圖檔來源：powercoin
2
蜂窩材料蘊含了數學之美
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後研究過蜂巢。不過，對于為什麼每個蜂房都是六邊形這一問題，他們并沒有給出确切的解釋。後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的空間使用率。但長久以來，這個猜想未能得到證明。
1999年，數學家托馬斯·黑爾斯利用數學方法證明了蜂窩猜想：如果要将一個平面分割為許多個面積相同的區域，那麼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使用率，真是太高明了！
數學家托馬斯·黑爾斯，圖檔來源：維基百科
3
蜂窩材料具有高效防護能力
而蜂窩材料之是以能夠随着嫦娥五号登上了月球，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闆之間，并用膠水将它們牢牢地粘在一起，就得到了一種叫做“蜂窩夾芯三明治闆”的多層複合闆材。這種夾芯闆看起來很厚，多孔的蜂窩材料芯材占據了絕大部分體積，但其品質卻很輕。同時，蜂窩夾芯闆還具有較高的抗彎曲變形和緩沖防護能力，是以非常适合用于飛機、火箭、衛星等對重量、承載效率和防護能力要求非常高的裝置上。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闆，由此開啟了蜂窩材料飛上藍天的時代。
蜂窩夾芯闆，圖檔來源：見水印（如侵權，請聯系删除）
蜂窩材料是如何在爆炸、高速碰撞等危險環境中保護後方裝置的呢？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内的六邊形鑲嵌結構向垂直方向拉伸得到。可以發現，如果沿着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内的X方向和Y方向定義為面内方向，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，圖檔來源：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，下方是某個重要的裝置。而它的任務則是在壓頭向下施加壓力時，盡量保護後方裝置。
壓縮試驗啟動後，壓頭開始慢慢向下移動，并将壓力通過蜂窩材料向後方傳遞。根據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後方裝置施加的壓力相等。當壓力超過了後方裝置的承受極限時，就可以使裝置遭到破壞。
面外方向的壓縮實驗，圖檔來源：自制
随着壓縮的進行，壓頭和蜂窩材料之間的壓力的确在快速增加，似乎馬上就要超過後方裝置的承受極限了。但就在這時，蜂窩材料提前屈服于巨大的壓力，它的側壁開始出現彎曲、折疊。這種側壁的變形現象最初僅存在于局部區域，接着會随着壓頭的繼續下壓而向更廣的部位擴充。
壓力的變化規律，圖檔來源：自制
蜂窩材料的局部彎曲折疊現象，圖檔來源：文獻[2]
每發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。直到壓頭繼續将蜂窩材料壓緊後，壓力才會繼續恢複上升。
在整個壓縮過程中，大量的側壁彎曲折疊現象使得壓力總是無法繼續上升，始終在一個恒定值附近上下波動。隻有當蜂窩材料被完全壓實成餅狀後，壓力才會繼續迅猛上升，對後方裝置造成威脅。
以上是面外壓縮的情形。而當蜂窩材料承受面内方向的壓縮時，雖然它的側壁彎曲折疊規律有所不同，但壓力曲線的變化規律卻仍然類似，同樣具有一個比較明顯的平台區。在壓頭将蜂窩材料完全壓實之前，壓力始終無法實作有效突破，自然也就不能對後方的保護對象造成什麼威脅。
蜂窩材料的面内壓縮實驗，可以看到側壁也發生了彎曲折疊，圖檔來源：文獻[3]
總而言之，蜂窩材料是一種自我犧牲型材料，通過自身發生“粉身碎骨”般的大幅度壓潰破壞，将具有破壞性的外部能量轉化為自身的内能，進而保證了身後夥伴的安全。是以，蜂窩材料被工程師們作為填充材料安裝到了嫦娥五号的着陸支架中。事實證明，蜂窩材料的确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新設計，從常見的三角形、矩形、六邊形，到不常見的内凹六邊形、Kagome型等，這些材料都被統稱為蜂窩材料，并各自有着許多獨特的力學性能。這種善于學習又勇于突破創新的奇妙構思，真可謂是“青出于藍而勝于藍”啊！
各種新型蜂窩材料，圖檔來源：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闆複合材料的力學響應[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.
END
蝌蚪五線譜原創文章，轉載注明來源
責編/龍貓
向左滑動，檢視北京市科學技術協會新媒體傳播體系