低重力环境下振动驱动颗粒床中磁性球体三维轨迹研究：揭示巴西果效应与反巴西果效应的竞争机制

本研究通过中国空间站离心机模拟六种低重力环境，采用先进磁粒子追踪技术，首次系统观测了振动参数(f, A, g)对侵入体动力学的影响。研究发现振动加速度阈值Γc决定巴西果效应(BNE)与反巴西果效应(RBNE)的竞争关系，提出基于碰撞的颗粒分选机制，为小天体表面特征形成及航天器-月壤相互作用模拟提供关键数据。

　　

在人类深空探索活动中，月球车着陆扬尘、小行星表面碎石分布等现象背后，隐藏着低重力环境下颗粒物质运动的未解之谜。传统研究受限于地球重力条件和短时微重力环境（如抛物线飞行），难以系统观测颗粒体系中侵入体的动态过程。更关键的是，巴西果效应（BNE，大颗粒上浮）与反巴西果效应（RBNE，大颗粒下沉）的竞争机制在低重力下如何变化，直接影响着对小天体表面陨石坑形成、巨石分布等地质特征的解释。

中国科学院物理研究所软物质物理实验室联合中国科学院空间应用工程与技术中心，依托中国空间站离心机平台，首次实现了0.05g-0.167g（涵盖月球重力）六种低重力环境的长期稳定模拟。研究人员设计了一套创新的三维磁粒子追踪系统：在10mm侵入球内部嵌入5.7mm永磁体，通过xOy和yOz平面上的霍尔传感器阵列（空间分辨率1cm，磁场分辨率0.15μT），以30fps采样率捕获侵入体在振动频率3-10Hz、振幅0.5-6mm条件下的完整运动轨迹。

关键技术包括：1）空间站离心机产生稳定人工重力g_env=Ω²r；2）双霍尔阵列交叉验证的磁偶极子定位算法，通过Levenberg-Marquardt算法拟合Eq.(4)求解(X,Y,Z,α,β)；3）背景磁场G_z(x,y)动态补偿技术；4）平滑因子N可调的噪声抑制方法。

实验装置

70mm立方容器内填充0.6-0.8mm颗粒（密度2.5g/cm³），通过z向正弦振动驱动体系。双传感器阵列设计使定位误差在Z=0.4cm处最低（N=8时误差<5%），如图3所示。

数据记录

Zenodo数据库收录的原始磁场数据包含六种重力下48-82组测试，通过MATLAB脚本处理生成含时间、三维坐标(X,Y,Z)、欧拉角(α,β)、电机位置等参数的轨迹文件。

研究发现

1. 临界振动加速度Γ_c：定义Γ=4π²Af²/g_env，当Γ<>_c时RBNE主导（侵入体下沉），Γ>Γ_c时BNE主导（侵入体上浮），且Γ_c随重力降低而增大。

2. 低重力特异性：相比地球环境，低重力下颗粒阻尼系数和静水压力系数降低，颗粒更易在碰撞中分散，使侵入体下沉深度增加。

3. 动力学机制：提出"基于碰撞的颗粒分选"模型，侵入体下沉速度与振动参数呈非线性关系，该现象在0.1g下通过双阵列数据得到验证（图3d）。

这项研究为理解小天体表面演化提供了实验基准：1）阐明BNE/RBNE竞争关系受重力调制的物理机制；2）开发的磁追踪技术为后续空间颗粒实验设立新标准；3）数据支撑了航天器着陆缓冲机构设计和月壤资源开采装备研发。论文建立的振动加速度-重力标度律，将帮助预测不同天体表面的颗粒行为特征。