空间环境颗粒物质运动行为的研究

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1、空间的物理学专题(Ⅱ)空间环境颗粒物质运动行为的研究术厚美瑛(中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室北京100190)摘要颗粒体系足一种动力学特性未被很好理解的新类型凝聚态物质．对微重力环境下颗粒物质运动行为的研究不论在基础物理或太空探测中都具有重大意义．文章回顾了过去lO年来国内外在无重力环境中以振动作为驱动源的颗粒物质运动空间实验研究所取得的进展，并展望了颗粒物质运动的物理规律的研究前景．关键词微重力，颗粒物质，动力学GranularbehaviorinmicrogravityHOUMei—Ying十(B

2、eijingNationalLaboratoryforCondemedMatterPhysics，InstituteofPhysics，ChineseAcademySciences，Beijing100190，China)AbstractAgranularsystemisanewkindofcondensedmatter，forwhichafulldynamicdescriptionisstillnotavailable．Anunderstandingofgranularbehaviorinmicrogravity

3、isofgreatimportancenotonlyforbasicre—searchinphysicsbutalsofortheexplorationofspace．InthisarticlewesummarizetheachievementsobtainedSOfarinthestudyofgranularmotiondrivenbyvibrationundermicrogravityconditions．FutureresearchinthisfieldiSalsodiscussed．Keywordsmicr

4、ogravity，granularmedium，kinetics颗粒物质广泛存在于星球表面和人类生存的环火星上的活动也使得对颗粒流的认识成为必须探究境中．广义地说，一切离散态物质都可归为颗粒物质的空间问题之一．火星的泥土含有水分，其中的氧和体系，或用颗粒模型处理，如公路上的车辆、路上的氢可能用来供维持生命．月球土壤有充足的氧，可以行人，以致宇宙空间的物质等．颗粒物质不同于一般用来维持月球勘探．实现这些元素的抽取必须要对固体、液体和气体．其运动行为与普通物质不同，显这些土壤进行某种操作．欲得到有效并且长时间操示出奇异

5、的、有时有悖于常理的特性，对于这类颗粒作的装置，对颗粒流的精确控制是至关重要的．空问物质的运动规律的研究已经引起物理学家广泛的关操作允许的误差远小于地面的同等实验所要求的．注J．已故的诺贝尔奖得主、著名理论物理学家因此空间勘探急需我们改进现有的对颗粒流动的基础认识．现有的适用于地面的经验公式并不适用于deGennes曾提出将颗粒物质列为一种新类型的凝其他重力环境，我们仍需改进我们的基础科学认知，聚态物质．这方面的研究现已成为一个受到重视的为在太空操作颗粒物质设计更精确的装备．前沿问题，比如“颗粒流动的原理”已被列为

6、“集合在空间环境下，颗粒(如气体分子)以悬浮形式态物质(cooperativematter)前沿”的11个大问题之存在，由于非弹性碰撞引起的能量损耗，颗粒可能会一；“颗粒流的动力学理论”被美国“Science”杂志列产生聚集，这是气体分子系统所没有的．这一独特性为当今125个科学大问题之一．质使得即使是一个简单的颗粒系统也很难清楚描颗粒的运动行为在太空勘探中扮演重要角色．火星表面常年曝露在沙尘暴中．在火星表面上建立国家自然科学基金重大国际合作项目(批准号：10720101074)任何结构形式的建筑物或其他装置，均应

7、能抵挡得2008—09～16收到住大量的沙暴．除此之外，不久的将来人类在月球或十Email：mayhou@iplay．ac．cn物理·37卷(2008年)10期·729·空间的物理学专题(Ⅱ)述，空间实验的观察数据变得尤为重要．对微重力环模型的有效性及其局限性．境下颗粒物质运动行为研究在基础物理与太空探测最早的空问颗粒运动实验研究是1998年在中都具有重大的意义．Mini—Texus五号太空探针火箭中进行的]，该实验颗粒物质的性质及动力学研究于1990年代起通过振动驱动方形容器(边长L=10mm)中填充的被列入美国

8、及欧洲空间局空间科学研究重点项目之若干层颗粒(直径d=0．4mm)并观察这些颗粒的运一．美国宇航局(NASA)于1996年在STS-79，1998动行为．实验所观察到的颗粒的分布状况如图1所年在STS一89，和2001年在STS一107太空探针火箭上示，其中从左向右容器中的颗粒层数分别为n=3，开展了颗粒物质的力学性质实验，在微重力环境下2，l层，容器以正弦