颗粒入侵中的重力依赖速率敏感性：微重力实验与模拟

为什么在太空中穿越沙地很重要

想象一下驾驶月球车或在火星上拉一条埋在地下的电缆：每个车轮、每条腿或每件工具都必须推动由松散颗粒组成的土壤。在地球上我们对沙子和砾石如何反作用有相当好的了解，但在低重力下这些规律可能会发生显著变化。本研究探讨了物体在常规重力与近失重条件下穿过聚丙烯小球床时的难易程度，结果表明“太空沙”在行为上更趋向于浓稠流体，而非我们脚下熟悉的固体土壤。

用下落实验室深入颗粒世界

为此，研究者构建了一个透明箱，填充小型聚丙烯颗粒，作为沙床替代物。一根金属圆柱体沿其长度布置了八个微型力传感器，垂直插入颗粒中。电机以受控速度横向牵引圆柱，有点像在沙箱中拖杆。关键在于实验地点：装置被置于北京一座116米高的落塔中下落。在每次3.6秒的自由落体过程中，舱内的有效重力降至地球重力的约千分之一，使团队能将下落前（常重力）与下落中（微重力）测得的数据进行对比。

颗粒如何反作用

团队在多个深度和35到100毫米每秒的不同速度下测量了颗粒对移动圆柱的阻力。在常重力下，总阻力相当大——约7到9牛顿，而且随速度变化很小。然而阻力几乎随深度线性增加，因为更深的颗粒受到上方重量的更强压迫。在微重力下，情况发生了翻转：阻力下降了约两个数量级，降到几百分之一牛顿，但现在阻力随速度显著增加。在近失重条件下，圆柱移动越快，颗粒流动越剧烈，阻力在测试速度区间内增加了约2.5倍。

虚拟颗粒与隐藏的内部应力

为理解重力减小时响应为何出现如此大变化，研究者还建立了与实验几何形状相对应的计算机模拟。他们采用一种数值方法，将颗粒视作连续材料同时追踪围绕移动圆柱发生的大形变。在此框架中，他们实现了一种流变模型——一套规则——将内部应力分为“准静态”部分（当颗粒相互挤压时占主导）和“粘性”部分（当材料较易流动时变得重要）。该模型由一个“惯性数”支配，该数比较颗粒被剪切的速率与它们被压紧的程度。在微重力下，内部压力非常低，惯性数显著增大，使材料被推入更接近流体的状态。

移动沙体内部发生了什么

模拟显示，在常重力下，圆柱周围的运动被局限且较为刚性：颗粒速度和剪切速率集中在侵入体附近，准静态应力占主导。而在微重力下，扰动区域扩展得更远，较大范围内颗粒速度更高，粘性应力在总应力中的比重大幅上升。颗粒速度、剪切速率和内部压力的分布图证实，当自重几乎被消除时，颗粒床明显更“流体化”。尽管模拟得到的微重力下阻力值略低于实验测量，但总体模式和对速度的强依赖性吻合良好，表明诸如颗粒的局部重排等更精细的物理成分可进一步完善模型。

对地球以外世界的意义

简而言之，该研究表明在重力微弱时，松散颗粒材料更像是随推进速度而增阻的缓慢浓稠液体，而不再像一堆固体的沙子。在地球上，上覆颗粒的重量使材料保持大体上的固体状态，因此加速推入并不会显著改变阻力。在微重力中，失去自重使颗粒更自由地流动，从而使速度变得更加重要。这些洞见对于预测航天器、漫游者、钻具和地下基础设施与月球或火星土壤的相互作用至关重要，并指出在未来低重力环境的作业中需要不同的设计准则和土壤模型。

引用: Hou, M., Cheng, X., Yang, S. et al. Gravity-dependent rate sensitivity in granular intrusion: microgravity experiments and simulations. npj Microgravity 12, 19 (2026). https://doi.org/10.1038/s41526-026-00563-7

关键词: 微重力, 颗粒流动, 行星土壤, 入侵力, 月球与火星风化层