微重力环境的颗粒物质研究

厚美瑛

颗粒体系的运动及其驱动方式和边界条件相关，呈现复杂得多尺度流动现象，这样的体系在自然界中无所不在。本文介绍在微重力条件下颗粒体系流动特性的研究，以及在实践十号卫星上取得的相关研究进展。

自然界中有许多物质是以“颗粒”状态存在的，一些自然现象如地震、泥石流或山体滑坡等地质灾害的发生与颗粒物质的运动行为息息相关。颗粒物质运动行为的普适性动力学被美国《科学》（Science）周刊在创刊125周年之际列为当今125个尚未解决的重大科学问题之一。

颗粒物质及其在微重力环境下研究的意义

颗粒物质体系指的是大量尺寸大于1微米的宏观颗粒所形成的具有离散性、结构无序性和能量耗散性的多体体系。

与固体、液体和气体的重要区别是，温度对“颗粒态”粒子几乎不起作用。比如，大气中的气体分子虽然看不见摸不着，但是只要知道气体的温度，基本上就能描述出它的状态。而对颗粒体系的描述要复杂得多，物理学家正在努力找寻一个可以描述它的简单方程。已故的诺贝尔奖得主、理论物理学家德让纳（P.-G.deGennes）曾提出将颗粒物质列为一种新类型的凝聚态物质。这种“颗粒态”物质体系，其热扰动，即粒子的布朗运动，与颗粒的平动动能相比可以忽略不计，是远离热平衡的复杂体系。

颗粒体系由于粒子间非弹性碰撞和摩擦等内秉的能量耗散特性，与分子气体不同，经常会有局部凝聚（或团簇）现象出现，颗粒物质团簇形成机制是包括星际尘埃行为及深空探测等微重力科学研究的重要问题。理解和预测这一现象的发生有助于人们对远离平衡态体系自发形成的有序结构和麦克斯韦妖等现象的机理的认知。这种局部凝聚现象可以类比于分子气体中亚稳态分解形成的液滴，将气液相分离用于解释和寻求局部凝聚现象的模型得到了分子动力学模拟的校验，但是实验的校验却由于宏观粒子运动受重力作用的影响难以在实验室中实现。2016年4月6日至25日在轨的我国实践十号返回式科学实验卫星为这样的实验研究提供了长时稳定的微重力条件，使得实验观察成为可能。

在日常环境中，地震和其他一些地质活动，比如采矿是如何传递应力并导致流沙的，与“颗粒态”物质的运动及力传递方式都有关系。由于地球引力会掩盖沙（颗）粒之间的摩擦力，而这种摩擦力是决定土壤能够承受多大载荷的一个重要因素，同时引力产生的应力会很快改变地基所能承受的重量或其负载，使得科学家难以精确研究颗粒物质动力学以及土壤的液化等现象。太空中的实验则有利于科学家展开细致的分析研究，了解相关的物理内涵。美国国家航空航天局（NASA）航天运输系统计划（Space Transportation SystemProgram，STS），在1996年的STS.79和1998年的STS一89两次航天飞机任务中得到的研究结果显示，低重力环境中土壤样品的强度和黏质度比科学家预测的要高出2～3倍。在微重力或者低重力条件下开展的这类岩土应力行为的实验研究，可用于改善建筑物的地基、土地的开发管理，以及化工、农业和其他一些工业中所用粉末或颗粒物质的处理方式。也帮助人类认知不同重力水平中土壤的力学性质，用于太空开发。

国际上有关微重力环境颗粒物质的研究

颗粒物质的性质及动力学研究于1990年代起即被列入美国及欧洲空间局空间科学研究重点项目。NASA分别于1996、1998和2001年执行代号STS-79，STS-89和STS-107任务时开展了颗粒物质的力学性质实验，搭载的颗粒物质实验装置（MGM）用以研究在微重力或者低重力条件下的岩土的应力行为。在微重力环境下进行了以振动干、湿颗粒来模拟地震条件的实验，成功得到了其动力学过程的图像以及压力数据。NASA计划开展的“微重力颗粒流动实验”还包括：重力与颗粒物质项目（研究微重力下三维颗粒体系力链链长与数目的变化），碰撞剪切流的颗粒分层项目（研究微重力条件下颗粒的分层机制），颗粒物质的靜电学研究项目（研究同种电荷颗粒短程相吸引的机理），以及微重力装置中的固-气相互作用项目（研究微重力条件下颗粒流动时间歇气体对颗粒运动的影响）。

法国的物理学家法尔孔（E.Falcon）等人于1998年在Mini.Texus 5号微型探空火箭上，首次观察到微重力条件下三维颗粒气-凝相变，论文发表于1999年的《物理评论快报》。法国国家空间研究中心（CNES）提供失重飞机、火箭和空间站等各种微重力实验平台对颗粒气体的运动行为和统计性质进行研究，使得法国目前的研究水平遥遥领先。德国航空航天中心（DLR）则支持以磁场驱动颗粒运动的方式对颗粒流动行为和统计性质进行微重力实验研究。

法尔孔等人在Mini.Texus 5号微型探空火箭上进行的空间颗粒运动实验，通过振动驱动方形容器（边长L=10毫米）中填充的若干层颗粒（直径d=0.4毫米）来观察这些颗粒的运动行为。实验观测可以看到：（1）当颗粒层数n=1时，整个体系处于均匀分布的颗粒气体状态，此时颗粒的平均自由程l。大于容器的特征尺寸L，气体非常稀薄并且每个颗粒差不多是孤立的，即体系处于克努森（Knudsen）区域；当n=2和3时，颗粒与颗粒之间的碰撞概率增加，由于耗散颗粒在容器中部形成团簇，而上下部分为较稀疏的颗粒气体状态，颗粒通过团簇的“蒸发”和“凝结”机制确保气态和颗粒团簇两相的平衡。（2）在所有情况中，I临近器壁处都存在清空区，这是因为颗粒的运动速度小于驱动激发的速度，驱动过程实质上是一个“超声”性质的压缩过程。

颗粒数目的改变能够导致颗粒气体分布的本质性变化，这一实验结果说明颗粒这样的耗散体系的物理本质是多尺度的，体系因密度或体积的变化存在相转变过程。为了研究其中的物理实质，一系列的实验在法国科学家的努力下展开，他们在微重力环境下从极低数密度开始系统地增加颗粒数目来研究颗粒气体的物理特性和运动行为。

在随后的欧洲空间局探空火箭Maxus 5和Maxus 7上的实验中，埃韦斯克（P.Evesque）等人在不同尺寸容器中放人不同数目的颗粒，在粒子数密度足够大的区域或容器里，甚至可以观察到颗粒按照晶格紧密排列。对于只有两个颗粒的容器，周期性的“超声压缩”，颗粒最终达到一个受迫的共振状态。在这个过程中，由于颗粒数目较少，并且受迫情形下两个颗粒的运动行为渐趋一致，使得颗粒与颗粒之间的相互碰撞概率很小，最终几乎对整个体系没有影响，颗粒能够稳定地处于共振状态。

这种稳定的共振态，给物理学家提供了一个很好的测量颗粒碰撞恢复系数的手段。颗粒与器壁的碰撞可以很容易地通过压力传感器以脉冲的形式记录下来。对于连续的碰撞过程，两次碰撞之间的时间可以通过记录的数据准确得到，然后根据固定的容器尺寸，在共振情形下计算出颗粒在两次碰撞之间的飞行速率，恢复系数即可根据其定义式计算得到。由于这一方法非常简便，适宜大量数据的获取，而且统计平均的结果能够给出精确的恢复系数值。加拉博（Y.Garrabos）等人在失重飞机（空客A300-0g）的抛物线飞行实验中设计了一个实验装置，利用此方法对颗粒的基本物理属性恢复系数进行了测量。他们发现在很宽的速度范围内，颗粒碰撞的恢复系数随碰撞的速度变化很小。在同样的实验装置内，加拉博等人还放入更多数目的颗粒，进一步研究气体分布状态的颗粒对容器壁冲量分布。从实验结果得到，不同实验条件下的冲量，标度化后均满足同样的指数分布律。

由于分布律问题是统计物理的基础，要建立合适的颗粒统计学理论，必须研究清楚颗粒体系的分布律问题。为此，2006年9月笔者所在研究组与法国方面相关研究小组合作，在实践八号返回式卫星上首次开展了微重力条件下颗粒物质在小幅振动驱动下的颗粒运动行为研究。该研究的整个实验体系基本是一个准二维的系统，通过观察、跟踪振动容器中不同数目小球颗粒在微重力环境下的运动，发现即使在颗粒足够稀薄，不形成团聚的情况下，颗粒物质的运动仍然与气体分子不同，而与驱动方式相关，颗粒的两个维度上的速度分布均很好地满足指数分布律PDF（V）∝ exp{-[V/V₀]}。气体分子处于热平衡态，是一个能量守恒系统，分子的速度分布满足麦克斯韦一玻尔兹曼方程。颗粒物质由于彼此之间的碰撞为非弹性碰撞，是一个能量耗散体系，必须由外界输入能量，速度的分布因此受驱动方式与边界条件的影响很大。在不同振动条件下偏离传统分子体系的麦克斯韦分布律对于颗粒体系来说是非常普遍的，这样的发现在微重力场中显而易见，但在实验室里却很难得到。

实践十号卫星颗粒流体相分离实验

2016年4月6日l时38分，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功发射实践十号返回式科学实验卫星。实践十号是国家先导科技专项计划发射的第二颗卫星，搭载了涉及微重力流体物理、微重力燃烧、空间材料科学等19项科学试验项目，对推动我国空间微重力科学的发展具有重要意义。

中国科学院物理研究所和上海技术物理研究所合作的颗粒物质运动行为一颗粒流体相分离研究课题，完成了实践十号颗粒物质箱空间实验装置，首次在轨获得了微重力下颗粒物质团簇形成、颗粒冷却行为，以及双仓分聚麦克斯韦妖现象等颗粒动力学实验结果。

为准备实践十号的卫星实验，研究团队利用中国国家微重力实验室116米落塔的3.3秒自由落体和德国不来梅大学应用空间技术与微重力中心（ZARM）146米上抛式落塔的9.3秒短时微重力条件，在地面进行了两次微重力预实验，初步观察到了悬浮颗粒的团簇现象。

2016年4月6日至25日在轨的实践十号返回式科学实验卫星为实验研究提供了长时稳定微重力条件，使得实验观察成为可能。实验分单、双仓两个部分。单仓部分有三个以活塞分隔的單独样品仓，观察颗粒在活塞激振下的分布情况；双仓部分为一个以窗口相连分隔为两部分的仓，实验观察颗粒受两端活塞激振后的分聚情况。本项实验的关键技术在于以活塞推动多仓的激振方式，将可动部件减到最轻，既减少了功耗和卫星其他资源，又不影响卫星其他实验项目的微重力水平。

此次卫星实验成功获取了单仓颗粒分布图像，并首次在微重力条件下观察到明显的颗粒两仓分聚现象。在轨实验于4月6日22：00至次日2：00和4月9日8：30至11：30进行了两次实验。单仓实验在中间仓观察到均匀分布的气态与颗粒团簇两相，在左仓和右仓观察到了局域团簇；双仓实验中首次观察到了微重力下的颗粒两仓分聚现象。此次实验为首次对颗粒团簇行为（包括麦克斯韦妖现象）进行系统空间实验，期望获得对颗粒聚集行为的系统观察，利用颗粒物质内禀特性，建立空间储存、运输和操作的新方法。

微重力条件提供了直接观察颗粒运动物理规律的必要环境，使得对颗粒体系的一些基本物理机制的研究成为可能。从现象上的颗粒气体的团聚行为，到统计基础的速度分布律问题，这些研究工作无疑都有助于对颗粒体系的深入理解。虽然目前的实验数据还很有限，但是对在克努森域颗粒气体所展现的基本特征的研究，揭示了密度变化导致的颗粒气体气-凝相变的物理机制，给出了颗粒气体可能的速度指数分布规律等重要物理内容。同时，实验过程中还发展了一种可以用来精确测量颗粒的恢复系数这一重要物理参数的实用手段。

当然这些实验结果还只是一个起步，关于颗粒体系更多的重要问题的实验研究，如颗粒气体的气一凝相变的临界行为，颗粒体系的振荡行为和输运问题等等，仍有待于进一步的实验研究。

对颗粒体系的研究不仅是出于对基础科学研究的兴趣，更重要的是理解颗粒运动机制之后，用于应对和处置自然界以及生产中的颗粒物质，也为开发太空做准备。我国将于2020年在载人空间站上搭载颗粒物质实验装置，进一步研究在低重力、低围压条件下的颗粒液化现象。

关键词：颗粒物质 实践十号卫星 微重力