2020年11月24日，萬(wàn)眾矚目的嫦娥五號(hào)在長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭的幫助下進(jìn)入太空，歷時(shí)112個(gè)小時(shí)進(jìn)入了月球軌道，最終安全登陸月球背面。

這一壯舉打開(kāi)了我國(guó)航天探索事業(yè)的新篇章。

你知道嗎？嫦娥五號(hào)探測(cè)器在向月球表面降落時(shí)，雖然反向發(fā)動(dòng)機(jī)大大降低了它的下降速度，但它仍然會(huì)在著陸瞬間承受約4倍于地球的重力加速度。也就是說(shuō)，著陸支架承受的過(guò)載相當(dāng)于探測(cè)器地面重量的4倍。

在落地瞬間，一旦著陸支架因無(wú)法承受過(guò)載而斷裂，那么嫦娥五號(hào)探測(cè)器及其隨身攜帶的許多高精度科研探測(cè)設(shè)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(guò)載，并保護(hù)探測(cè)器不受傷害，是工程師們遇到的一大難點(diǎn)。

月球表面凹凸不平，因此探測(cè)器的著陸位置、著陸姿態(tài)、質(zhì)量分布、質(zhì)心位置、著陸時(shí)的振動(dòng)特性、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性等因素都是設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的地方。

除此之外，由于落地瞬間的沖擊力會(huì)通過(guò)著陸支架向探測(cè)器傳遞具有高度破壞性的能量，所以著陸支架不僅要堅(jiān)硬、穩(wěn)當(dāng)，還需要具有高效吸收破壞性能量的緩沖防護(hù)能力。

哪種材料可以勝任這個(gè)艱巨的任務(wù)呢？

工程師們經(jīng)過(guò)綜合篩選，最終采用了一種叫做蜂窩的防護(hù)材料，將其作為填充材料安裝到了嫦娥五號(hào)探測(cè)器的中空著陸支架內(nèi)。

咦，蜂窩材料？它和蜜蜂的蜂巢有啥關(guān)系？

沒(méi)錯(cuò)，蜂窩材料的設(shè)計(jì)靈感正是來(lái)源于大自然中的真蜂巢！

嫦娥五號(hào)應(yīng)用了來(lái)源于自然界的蜂窩緩沖結(jié)構(gòu)，圖片來(lái)源：自制1

來(lái)自大自然的蜂窩材料

蜜蜂是一種神奇的社會(huì)性昆蟲(chóng)，它們常常展現(xiàn)出與高等動(dòng)物相媲美的智慧。

我們常見(jiàn)的六邊形鑲嵌式蜂巢，就是蜜蜂家族在經(jīng)歷了數(shù)百萬(wàn)年演化后所掌握的獨(dú)門(mén)秘籍（可申請(qǐng)專(zhuān)利那種）。

蜜蜂真是大自然的能工巧匠，圖片來(lái)源：theconversation

蜂巢的結(jié)構(gòu)想必大家都很熟悉了：它由許多蜂房組成，有的用來(lái)培育幼蜂，有的用來(lái)儲(chǔ)存花蜜……

同時(shí)，每一個(gè)蜂房的橫截面幾乎都是標(biāo)準(zhǔn)的六邊形，這種獨(dú)特的造型令人們印象深刻，以至于只要看到類(lèi)似的形狀，就會(huì)聯(lián)想到蜜蜂和它們的家。

所以，這種由許多個(gè)六邊形鑲嵌而成的平面結(jié)構(gòu)常被人們稱(chēng)為“蜂窩結(jié)構(gòu)”。

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

蜂巢風(fēng)格建筑，圖片來(lái)源：archcollege

喀麥隆發(fā)行的蜂窩風(fēng)格紀(jì)念幣，圖片來(lái)源：powercoin

蜂窩材料蘊(yùn)含了數(shù)學(xué)之美

科學(xué)家們同樣對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)非常感興趣，古羅馬的法羅、古希臘的波佩斯等學(xué)者便曾先后研究過(guò)蜂巢。

不過(guò)，對(duì)于為什么每個(gè)蜂房都是六邊形這一問(wèn)題，他們并沒(méi)有給出確切的解釋。

后來(lái)的科學(xué)家們提出了一個(gè)“蜂窩猜想”，認(rèn)為這種蜂窩結(jié)構(gòu)可能具有最優(yōu)的空間利用率。但長(zhǎng)久以來(lái)，這個(gè)猜想未能得到證實(shí)。

1999年，數(shù)學(xué)家托馬斯·黑爾斯利用數(shù)學(xué)方法證明了蜂窩猜想：如果要將一個(gè)平面分割為許多個(gè)面積相同的區(qū)域，那么當(dāng)采用正六邊形鑲嵌的方式時(shí)，所需的線條周長(zhǎng)最小。

也就是說(shuō)，蜜蜂采用這種正六邊形緊密鑲嵌的蜂房設(shè)計(jì)，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(xué)家托馬斯·黑爾斯，圖片來(lái)源：維基百科

蜂窩材料具有高效防護(hù)能力

而蜂窩材料之所以能夠隨著嫦娥五號(hào)登上了月球，則是由于它在緩沖防護(hù)領(lǐng)域同樣具有極大的應(yīng)用價(jià)值。

如果我們把蜂窩材料放置在兩層很薄的實(shí)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(fù)合板材。

這種夾芯板看起來(lái)很厚，多孔的蜂窩材料芯材占據(jù)了絕大部分體積，但其質(zhì)量卻很輕。

同時(shí)，蜂窩夾芯板還具有較高的抗彎曲變形和緩沖防護(hù)能力，所以非常適合用于飛機(jī)、火箭、衛(wèi)星等對(duì)重量、承載效率和防護(hù)能力要求非常高的設(shè)備上。

1915年，工程師雨果·容克斯首次在飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用了蜂窩夾芯板，由此開(kāi)啟了蜂窩材料飛上藍(lán)天的時(shí)代。

蜂窩夾芯板，圖片來(lái)源：見(jiàn)水印（如侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系刪除）

蜂窩材料是如何在爆炸、高速碰撞等危險(xiǎn)環(huán)境中保護(hù)后方設(shè)備的呢？我們可以通過(guò)簡(jiǎn)單的壓縮破壞實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行觀察。

蜂窩材料又被稱(chēng)為二維材料，是因?yàn)樗梢酝ㄟ^(guò)二維平面內(nèi)的六邊形鑲嵌結(jié)構(gòu)向垂直方向拉伸得到。

可以發(fā)現(xiàn)，如果沿著不同的方向?qū)Ψ涓C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(xué)家們一般把二維平面內(nèi)的X方向和Y方向定義為面內(nèi)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(lái)源：自制

如下圖所示就是蜂窩材料的面外壓縮實(shí)驗(yàn)，它的上方是一個(gè)剛性壓頭，下方是某個(gè)重要的設(shè)備。而它的任務(wù)則是在壓頭向下施加壓力時(shí)，盡量保護(hù)后方設(shè)備。

壓縮試驗(yàn)啟動(dòng)后，壓頭開(kāi)始慢慢向下移動(dòng)，并將壓力通過(guò)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(duì)蜂窩材料施加的壓力和蜂窩材料對(duì)后方設(shè)備施加的壓力相等。當(dāng)壓力超過(guò)了后方設(shè)備的承受極限時(shí)，就可以使設(shè)備遭到破壞。

面外方向的壓縮實(shí)驗(yàn)，圖片來(lái)源：自制

隨著壓縮的進(jìn)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(guò)后方設(shè)備的承受極限了。

但就在這時(shí)，蜂窩材料提前屈服于巨大的壓力，它的側(cè)壁開(kāi)始出現(xiàn)彎曲、折疊。

這種側(cè)壁的變形現(xiàn)象最初僅存在于局部區(qū)域，接著會(huì)隨著壓頭的繼續(xù)下壓而向更廣的部位擴(kuò)展。

壓力的變化規(guī)律，圖片來(lái)源：自制

蜂窩材料的局部彎曲折疊現(xiàn)象，圖片來(lái)源：文獻(xiàn)[2]

每發(fā)生一次這種局部的側(cè)壁彎曲折疊破壞，蜂窩材料與壓頭之間都會(huì)出現(xiàn)一次微小的縫隙，就像拳擊手一拳打空了一樣，會(huì)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(huì)繼續(xù)恢復(fù)上升。

在整個(gè)壓縮過(guò)程中，大量的側(cè)壁彎曲折疊現(xiàn)象使得壓力總是無(wú)法繼續(xù)上升，始終在一個(gè)恒定值附近上下波動(dòng)。只有當(dāng)蜂窩材料被完全壓實(shí)成餅狀后，壓力才會(huì)繼續(xù)迅猛上升，對(duì)后方設(shè)備造成威脅。

以上是面外壓縮的情形，而當(dāng)蜂窩材料承受面內(nèi)方向的壓縮時(shí)，雖然它的側(cè)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(lèi)似，同樣具有一個(gè)比較明顯的平臺(tái)區(qū)。

在壓頭將蜂窩材料完全壓實(shí)之前，壓力始終無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效突破，自然也就不能對(duì)后方的保護(hù)對(duì)象造成什么威脅。

蜂窩材料的面內(nèi)壓縮實(shí)驗(yàn)，可以看到側(cè)壁也發(fā)生了彎曲折疊，圖片來(lái)源：文獻(xiàn)[3]

總而言之，蜂窩材料是一種自我犧牲型材料，通過(guò)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(zhuǎn)化為自身的內(nèi)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(hào)的著陸支架中。事實(shí)證明，蜂窩材料的確圓滿(mǎn)完成了它的使命。

科學(xué)家們還針對(duì)蜂窩材料的基本構(gòu)型進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，從常見(jiàn)的三角形、矩形、六邊形，到不常見(jiàn)的內(nèi)凹六邊形、Kagome型等，這些材料都被統(tǒng)稱(chēng)為蜂窩材料，并各自有著許多獨(dú)特的力學(xué)性能。

這種善于學(xué)習(xí)又勇于突破創(chuàng)新的奇妙構(gòu)思，真可謂是“青出于藍(lán)而勝于藍(lán)”啊！

各種新型蜂窩材料，圖片來(lái)源：自制

參考文獻(xiàn)：

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(fù)合材料的力學(xué)響應(yīng)[J].塑性工程學(xué)報(bào),2021,28(03):183-189.

3.Lorna J. Gibson, Michael F. Ashby著；劉培生譯. 多孔固體結(jié)構(gòu)與性能第2版[M]. 北京：清華大學(xué)出版社, 2003.11.