微重力環(huán)境的顆粒物質(zhì)研究

厚美瑛

顆粒體系的運動及其驅(qū)動方式和邊界條件相關(guān)，呈現(xiàn)復(fù)雜得多尺度流動現(xiàn)象，這樣的體系在自然界中無所不在。本文介紹在微重力條件下顆粒體系流動特性的研究，以及在實踐十號衛(wèi)星上取得的相關(guān)研究進展。

自然界中有許多物質(zhì)是以“顆粒”狀態(tài)存在的，一些自然現(xiàn)象如地震、泥石流或山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與顆粒物質(zhì)的運動行為息息相關(guān)。顆粒物質(zhì)運動行為的普適性動力學(xué)被美國《科學(xué)》（Science）周刊在創(chuàng)刊125周年之際列為當(dāng)今125個尚未解決的重大科學(xué)問題之一。

顆粒物質(zhì)及其在微重力環(huán)境下研究的意義

顆粒物質(zhì)體系指的是大量尺寸大于1微米的宏觀顆粒所形成的具有離散性、結(jié)構(gòu)無序性和能量耗散性的多體體系。

與固體、液體和氣體的重要區(qū)別是，溫度對“顆粒態(tài)”粒子幾乎不起作用。比如，大氣中的氣體分子雖然看不見摸不著，但是只要知道氣體的溫度，基本上就能描述出它的狀態(tài)。而對顆粒體系的描述要復(fù)雜得多，物理學(xué)家正在努力找尋一個可以描述它的簡單方程。已故的諾貝爾獎得主、理論物理學(xué)家德讓納（P.-G.deGennes）曾提出將顆粒物質(zhì)列為一種新類型的凝聚態(tài)物質(zhì)。這種“顆粒態(tài)”物質(zhì)體系，其熱擾動，即粒子的布朗運動，與顆粒的平動動能相比可以忽略不計，是遠離熱平衡的復(fù)雜體系。

顆粒體系由于粒子間非彈性碰撞和摩擦等內(nèi)秉的能量耗散特性，與分子氣體不同，經(jīng)常會有局部凝聚（或團簇）現(xiàn)象出現(xiàn)，顆粒物質(zhì)團簇形成機制是包括星際塵埃行為及深空探測等微重力科學(xué)研究的重要問題。理解和預(yù)測這一現(xiàn)象的發(fā)生有助于人們對遠離平衡態(tài)體系自發(fā)形成的有序結(jié)構(gòu)和麥克斯韋妖等現(xiàn)象的機理的認(rèn)知。這種局部凝聚現(xiàn)象可以類比于分子氣體中亞穩(wěn)態(tài)分解形成的液滴，將氣液相分離用于解釋和尋求局部凝聚現(xiàn)象的模型得到了分子動力學(xué)模擬的校驗，但是實驗的校驗卻由于宏觀粒子運動受重力作用的影響難以在實驗室中實現(xiàn)。2016年4月6日至25日在軌的我國實踐十號返回式科學(xué)實驗衛(wèi)星為這樣的實驗研究提供了長時穩(wěn)定的微重力條件，使得實驗觀察成為可能。

在日常環(huán)境中，地震和其他一些地質(zhì)活動，比如采礦是如何傳遞應(yīng)力并導(dǎo)致流沙的，與“顆粒態(tài)”物質(zhì)的運動及力傳遞方式都有關(guān)系。由于地球引力會掩蓋沙（顆）粒之間的摩擦力，而這種摩擦力是決定土壤能夠承受多大載荷的一個重要因素，同時引力產(chǎn)生的應(yīng)力會很快改變地基所能承受的重量或其負(fù)載，使得科學(xué)家難以精確研究顆粒物質(zhì)動力學(xué)以及土壤的液化等現(xiàn)象。太空中的實驗則有利于科學(xué)家展開細(xì)致的分析研究，了解相關(guān)的物理內(nèi)涵。美國國家航空航天局（NASA）航天運輸系統(tǒng)計劃（Space Transportation SystemProgram，STS），在1996年的STS.79和1998年的STS一89兩次航天飛機任務(wù)中得到的研究結(jié)果顯示，低重力環(huán)境中土壤樣品的強度和黏質(zhì)度比科學(xué)家預(yù)測的要高出2～3倍。在微重力或者低重力條件下開展的這類巖土應(yīng)力行為的實驗研究，可用于改善建筑物的地基、土地的開發(fā)管理，以及化工、農(nóng)業(yè)和其他一些工業(yè)中所用粉末或顆粒物質(zhì)的處理方式。也幫助人類認(rèn)知不同重力水平中土壤的力學(xué)性質(zhì)，用于太空開發(fā)。

國際上有關(guān)微重力環(huán)境顆粒物質(zhì)的研究

顆粒物質(zhì)的性質(zhì)及動力學(xué)研究于1990年代起即被列入美國及歐洲空間局空間科學(xué)研究重點項目。NASA分別于1996、1998和2001年執(zhí)行代號STS-79，STS-89和STS-107任務(wù)時開展了顆粒物質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)實驗，搭載的顆粒物質(zhì)實驗裝置（MGM）用以研究在微重力或者低重力條件下的巖土的應(yīng)力行為。在微重力環(huán)境下進行了以振動干、濕顆粒來模擬地震條件的實驗，成功得到了其動力學(xué)過程的圖像以及壓力數(shù)據(jù)。NASA計劃開展的“微重力顆粒流動實驗”還包括：重力與顆粒物質(zhì)項目（研究微重力下三維顆粒體系力鏈鏈長與數(shù)目的變化），碰撞剪切流的顆粒分層項目（研究微重力條件下顆粒的分層機制），顆粒物質(zhì)的靜電學(xué)研究項目（研究同種電荷顆粒短程相吸引的機理），以及微重力裝置中的固-氣相互作用項目（研究微重力條件下顆粒流動時間歇氣體對顆粒運動的影響）。

法國的物理學(xué)家法爾孔（E.Falcon）等人于1998年在Mini.Texus 5號微型探空火箭上，首次觀察到微重力條件下三維顆粒氣-凝相變，論文發(fā)表于1999年的《物理評論快報》。法國國家空間研究中心（CNES）提供失重飛機、火箭和空間站等各種微重力實驗平臺對顆粒氣體的運動行為和統(tǒng)計性質(zhì)進行研究，使得法國目前的研究水平遙遙領(lǐng)先。德國航空航天中心（DLR）則支持以磁場驅(qū)動顆粒運動的方式對顆粒流動行為和統(tǒng)計性質(zhì)進行微重力實驗研究。

法爾孔等人在Mini.Texus 5號微型探空火箭上進行的空間顆粒運動實驗，通過振動驅(qū)動方形容器（邊長L=10毫米）中填充的若干層顆粒（直徑d=0.4毫米）來觀察這些顆粒的運動行為。實驗觀測可以看到：（1）當(dāng)顆粒層數(shù)n=1時，整個體系處于均勻分布的顆粒氣體狀態(tài)，此時顆粒的平均自由程l。大于容器的特征尺寸L，氣體非常稀薄并且每個顆粒差不多是孤立的，即體系處于克努森（Knudsen）區(qū)域；當(dāng)n=2和3時，顆粒與顆粒之間的碰撞概率增加，由于耗散顆粒在容器中部形成團簇，而上下部分為較稀疏的顆粒氣體狀態(tài)，顆粒通過團簇的“蒸發(fā)”和“凝結(jié)”機制確保氣態(tài)和顆粒團簇兩相的平衡。（2）在所有情況中，I臨近器壁處都存在清空區(qū)，這是因為顆粒的運動速度小于驅(qū)動激發(fā)的速度，驅(qū)動過程實質(zhì)上是一個“超聲”性質(zhì)的壓縮過程。

顆粒數(shù)目的改變能夠?qū)е骂w粒氣體分布的本質(zhì)性變化，這一實驗結(jié)果說明顆粒這樣的耗散體系的物理本質(zhì)是多尺度的，體系因密度或體積的變化存在相轉(zhuǎn)變過程。為了研究其中的物理實質(zhì)，一系列的實驗在法國科學(xué)家的努力下展開，他們在微重力環(huán)境下從極低數(shù)密度開始系統(tǒng)地增加顆粒數(shù)目來研究顆粒氣體的物理特性和運動行為。

在隨后的歐洲空間局探空火箭Maxus 5和Maxus 7上的實驗中，埃韋斯克（P.Evesque）等人在不同尺寸容器中放人不同數(shù)目的顆粒，在粒子數(shù)密度足夠大的區(qū)域或容器里，甚至可以觀察到顆粒按照晶格緊密排列。對于只有兩個顆粒的容器，周期性的“超聲壓縮”，顆粒最終達到一個受迫的共振狀態(tài)。在這個過程中，由于顆粒數(shù)目較少，并且受迫情形下兩個顆粒的運動行為漸趨一致，使得顆粒與顆粒之間的相互碰撞概率很小，最終幾乎對整個體系沒有影響，顆粒能夠穩(wěn)定地處于共振狀態(tài)。

這種穩(wěn)定的共振態(tài)，給物理學(xué)家提供了一個很好的測量顆粒碰撞恢復(fù)系數(shù)的手段。顆粒與器壁的碰撞可以很容易地通過壓力傳感器以脈沖的形式記錄下來。對于連續(xù)的碰撞過程，兩次碰撞之間的時間可以通過記錄的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確得到，然后根據(jù)固定的容器尺寸，在共振情形下計算出顆粒在兩次碰撞之間的飛行速率，恢復(fù)系數(shù)即可根據(jù)其定義式計算得到。由于這一方法非常簡便，適宜大量數(shù)據(jù)的獲取，而且統(tǒng)計平均的結(jié)果能夠給出精確的恢復(fù)系數(shù)值。加拉博（Y.Garrabos）等人在失重飛機（空客A300-0g）的拋物線飛行實驗中設(shè)計了一個實驗裝置，利用此方法對顆粒的基本物理屬性恢復(fù)系數(shù)進行了測量。他們發(fā)現(xiàn)在很寬的速度范圍內(nèi)，顆粒碰撞的恢復(fù)系數(shù)隨碰撞的速度變化很小。在同樣的實驗裝置內(nèi)，加拉博等人還放入更多數(shù)目的顆粒，進一步研究氣體分布狀態(tài)的顆粒對容器壁沖量分布。從實驗結(jié)果得到，不同實驗條件下的沖量，標(biāo)度化后均滿足同樣的指數(shù)分布律。

由于分布律問題是統(tǒng)計物理的基礎(chǔ)，要建立合適的顆粒統(tǒng)計學(xué)理論，必須研究清楚顆粒體系的分布律問題。為此，2006年9月筆者所在研究組與法國方面相關(guān)研究小組合作，在實踐八號返回式衛(wèi)星上首次開展了微重力條件下顆粒物質(zhì)在小幅振動驅(qū)動下的顆粒運動行為研究。該研究的整個實驗體系基本是一個準(zhǔn)二維的系統(tǒng)，通過觀察、跟蹤振動容器中不同數(shù)目小球顆粒在微重力環(huán)境下的運動，發(fā)現(xiàn)即使在顆粒足夠稀薄，不形成團聚的情況下，顆粒物質(zhì)的運動仍然與氣體分子不同，而與驅(qū)動方式相關(guān)，顆粒的兩個維度上的速度分布均很好地滿足指數(shù)分布律PDF（V）∝ exp{-[V/V₀]}。氣體分子處于熱平衡態(tài)，是一個能量守恒系統(tǒng)，分子的速度分布滿足麥克斯韋一玻爾茲曼方程。顆粒物質(zhì)由于彼此之間的碰撞為非彈性碰撞，是一個能量耗散體系，必須由外界輸入能量，速度的分布因此受驅(qū)動方式與邊界條件的影響很大。在不同振動條件下偏離傳統(tǒng)分子體系的麥克斯韋分布律對于顆粒體系來說是非常普遍的，這樣的發(fā)現(xiàn)在微重力場中顯而易見，但在實驗室里卻很難得到。

實踐十號衛(wèi)星顆粒流體相分離實驗

2016年4月6日l時38分，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丁運載火箭成功發(fā)射實踐十號返回式科學(xué)實驗衛(wèi)星。實踐十號是國家先導(dǎo)科技專項計劃發(fā)射的第二顆衛(wèi)星，搭載了涉及微重力流體物理、微重力燃燒、空間材料科學(xué)等19項科學(xué)試驗項目，對推動我國空間微重力科學(xué)的發(fā)展具有重要意義。

中國科學(xué)院物理研究所和上海技術(shù)物理研究所合作的顆粒物質(zhì)運動行為一顆粒流體相分離研究課題，完成了實踐十號顆粒物質(zhì)箱空間實驗裝置，首次在軌獲得了微重力下顆粒物質(zhì)團簇形成、顆粒冷卻行為，以及雙倉分聚麥克斯韋妖現(xiàn)象等顆粒動力學(xué)實驗結(jié)果。

為準(zhǔn)備實踐十號的衛(wèi)星實驗，研究團隊利用中國國家微重力實驗室116米落塔的3.3秒自由落體和德國不來梅大學(xué)應(yīng)用空間技術(shù)與微重力中心（ZARM）146米上拋式落塔的9.3秒短時微重力條件，在地面進行了兩次微重力預(yù)實驗，初步觀察到了懸浮顆粒的團簇現(xiàn)象。

2016年4月6日至25日在軌的實踐十號返回式科學(xué)實驗衛(wèi)星為實驗研究提供了長時穩(wěn)定微重力條件，使得實驗觀察成為可能。實驗分單、雙倉兩個部分。單倉部分有三個以活塞分隔的單獨樣品倉，觀察顆粒在活塞激振下的分布情況；雙倉部分為一個以窗口相連分隔為兩部分的倉，實驗觀察顆粒受兩端活塞激振后的分聚情況。本項實驗的關(guān)鍵技術(shù)在于以活塞推動多倉的激振方式，將可動部件減到最輕，既減少了功耗和衛(wèi)星其他資源，又不影響衛(wèi)星其他實驗項目的微重力水平。

此次衛(wèi)星實驗成功獲取了單倉顆粒分布圖像，并首次在微重力條件下觀察到明顯的顆粒兩倉分聚現(xiàn)象。在軌實驗于4月6日22：00至次日2：00和4月9日8：30至11：30進行了兩次實驗。單倉實驗在中間倉觀察到均勻分布的氣態(tài)與顆粒團簇兩相，在左倉和右倉觀察到了局域團簇；雙倉實驗中首次觀察到了微重力下的顆粒兩倉分聚現(xiàn)象。此次實驗為首次對顆粒團簇行為（包括麥克斯韋妖現(xiàn)象）進行系統(tǒng)空間實驗，期望獲得對顆粒聚集行為的系統(tǒng)觀察，利用顆粒物質(zhì)內(nèi)稟特性，建立空間儲存、運輸和操作的新方法。

微重力條件提供了直接觀察顆粒運動物理規(guī)律的必要環(huán)境，使得對顆粒體系的一些基本物理機制的研究成為可能。從現(xiàn)象上的顆粒氣體的團聚行為，到統(tǒng)計基礎(chǔ)的速度分布律問題，這些研究工作無疑都有助于對顆粒體系的深入理解。雖然目前的實驗數(shù)據(jù)還很有限，但是對在克努森域顆粒氣體所展現(xiàn)的基本特征的研究，揭示了密度變化導(dǎo)致的顆粒氣體氣-凝相變的物理機制，給出了顆粒氣體可能的速度指數(shù)分布規(guī)律等重要物理內(nèi)容。同時，實驗過程中還發(fā)展了一種可以用來精確測量顆粒的恢復(fù)系數(shù)這一重要物理參數(shù)的實用手段。

當(dāng)然這些實驗結(jié)果還只是一個起步，關(guān)于顆粒體系更多的重要問題的實驗研究，如顆粒氣體的氣一凝相變的臨界行為，顆粒體系的振蕩行為和輸運問題等等，仍有待于進一步的實驗研究。

對顆粒體系的研究不僅是出于對基礎(chǔ)科學(xué)研究的興趣，更重要的是理解顆粒運動機制之后，用于應(yīng)對和處置自然界以及生產(chǎn)中的顆粒物質(zhì)，也為開發(fā)太空做準(zhǔn)備。我國將于2020年在載人空間站上搭載顆粒物質(zhì)實驗裝置，進一步研究在低重力、低圍壓條件下的顆粒液化現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：顆粒物質(zhì) 實踐十號衛(wèi)星 微重力