跟着沙漏到月球！浙大学子跨专业组合，脑洞大开！

浙江大学 2022-05-14

当光电与计算机相遇会发生什么？

当月球与沙漏相遇又会发生什么？

看着神舟十二号喷薄升空的你

一定也开始期待嫦娥七号的发射

而这次的嫦娥七号在探月的同时

还带有另一项“非同寻常”的任务

那就是月球上的科普实验

在嫦娥七号任务科普试验载荷创意设计征集方案的初步征集中，来自光电学院和计算机学院的四位浙大学子的方案——月球上的沙漏实验作为浙江唯一一个案例，成功入围国家航天局嫦娥七号科普载荷创意设计征集终选阶段，说不定，他们“脑洞大开”的创意真的能“上天”。

浙大四位学子

把小小的沙漏“玩出了花样”

下面就让我们一起

去看看他们的奇妙世界吧~

沙漏之旅的启程

这个团队由三位研究生和一位本科生组成。在采访的开始，他们便抛出了一个问题：“将一个计时时长为300s的沙漏带上月球，它的计时周期会怎么变？”

为什么会考虑到这个问题呢？

我们都知道月球是地球的卫星，与地球的距离非常近。并且目前探月的尝试正在一步步深入推进，那么未来人们很有可能会在月球上建立基地。团队成员、浙江大学光电科学与工程学院研究生张自然解释道：“建立基地需要建筑材料，而将地球上的建筑材料发射到月球上，费时费能，很不方便，因此需要利用月球上的资源，比如月壤、月岩等。”

然而，对于月面材料的加工利用不可避免的会涉及到颗粒流的物理性质，但目前国内外很少有人研究过重力加速度大幅改变对颗粒流性质的影响。因此，在月面低重力环境条件下，研究颗粒流之间的相互作用机制对未来建设月球基地来说是一个很关键的问题。

此外，如果要在地球上实现重力加速度的改变，就要在类似于宇航员训练的模拟舱中进行。“改变加速度需要很大的舱进行旋转，不断进行加速来改变，用这种方法是不能很稳定、很大幅度地改变加速度的。”也就是说，在地球上进行改变重力加速度的操作，既不方便，也不稳定。而物理实验只有在有很好的稳定性时才更具有准确性，因而只有在月球上才能真正地、完全稳定地改变重力加速度。

可是，那又怎么会想到是沙漏呢？

沙漏是一个天然的计时工具，在沙子流动的过程中，时间点滴流逝。那么，沙漏流速快慢究竟受哪些因素影响？下落速度是否可以改变？能否通过科学公式计算？至今，在学术界，沙漏计时的准确物理模型仍然存在争论。而这个实验，通过直观的流动来反映抽象的时间概念，使得实验更加有可观赏性。如果能够实现，这也将成为国际上首次月球沙漏实验。

同时，沙漏作为一个简单而且美观的模型，在生活中随处可见，对于我们而言更亲近且更容易被接受。除此之外，沙漏中的“沙粒”也蕴含着丰富的知识。沙漏是国内外许多科学家研究“颗粒流”的重要工具。一颗颗“沙粒”聚合到沙漏内部，会形成似液体般流动的全新群体状态，在化工上称为“颗粒流”，而“颗粒流”的力学知识则可应用在建筑、滑坡应对等领域。因此，沙漏的直观性与知识性决定了它可以作为这个实验一个很好的工具。

“这个问题有三个答案”

那这个问题的答案究竟会是多少呢？

也许有人会脱口而出，由于月球上的重力加速度是地球上的六分之一，所以时间为6倍！然而这第一个答案在现代物理理论上已经被证明是错误的了。

在目前的物理理论上，荷兰物理学家Beverloo曾提出过Beverloo公式，从这个经验公式中可以得到沙漏在月球上的计时时长大约为地球上的2.45倍。这便是第二个答案。

而第三个答案为，不确定。为什么呢？

由于月球与地球除了重力加速度之外，还有温度、湿度、大气环境等因素均不相同，因而很难直接将这个经验公式代入并说明其完全正确。因此将沙漏送上月球进行全真实验显得十分必要而且更加具有价值。

同时我们需要关注的另一方面是，除了解答问题、得到数据，我们还可以收获什么。对于我们而言，更重要的还有就是体验量纲分析带来的魅力。“量纲就是‘单位’，通过寻找各个物理量单位之间的关系来‘凑’出公式。”光电科学与工程学院一年级的研究生陈肇杰解释道。也就是说，我们可以不需要具体数值而是直接看“量”之间的关系，可以通过量的单位来初步判断量与量之间的方幂关系。

为了更好地去探究答案，提高方案的可行性，他们从三个角度进行深入剖析。首先是可行性的问题，如何把沙漏带上去，考虑沙漏能否承受火箭加速带来的加速度以及能否承受在穿越大气层时的高温和到达宇宙空间中的低温这样的温差，能否承受一个大气压的压强。接着，在航天的情况下，需要在可行的条件下尽量简单，能否把试验箱所需要的体积和功耗降到最小，这样就不会影响其他探月、航天任务的进行。还有关于数据传输，如何将获得的图像用怎么样的方式比较可靠的传输回地面。

在报名之后，他们设计了一个由沙漏装置、照明模块、驱动模块、监视模块和环形照明模块组成的月球沙漏实验箱。与普通沙漏相比，为了上太空，这款沙漏实验装置有许多特别之处。比如，为了减少普通沙粒不规则带来的影响，装置中的“沙粒”选取了0.24毫米的玻璃珠；由于太空与地球气压不同，他们在瓶壁打上了比玻璃珠直径小的透气孔，而瓶壁本身也是经过千挑万选、可以适应太空环境的材料。

他们的故事从这里开始

如此一个有趣的方案，却是由这四位看似“毫无关系”的同学合作而成。“我在大一时上过徐之海老师《深空探测》这门课，这个方案最初的来源就是我当时的课程设计。大二时，徐老师突然一个电话打过来，表示这个方案不错，并让我与学长们合作，完成方案设计并投稿到创意征集活动。”组中年纪最小的杨子晗如是说道。在徐之海老师的课程上以及在对实验方案的思考与完善的过程中，他对深空探测有了更深的了解和体悟。

作为徐之海老师的研究生，张自然笑着说道：“当时得到这个消息的时候我正在上徐老师的《现代成像系统》这门课程，这个消息也是徐老师告诉我的。”

他想到，他曾在本科期间参加物理竞赛时探究过很多关于沙漏的问题，知道有很多影响它计时的因素，因而他十分愿意去进行这个方案的研究。“同时，我目前的研究方向是光学成像工程，而沙漏中沙子漏下过程的呈现需要相机，于是这个实验方案中会涉及到的成像、照明、数据传输方面的知识，与我的研究方向也比较相近。”这两段经历，竟都是出人意料地与这个方案相关，因而张自然就参与到了这个项目中。

陈肇杰则说：“我目前的研究方向是图像处理，简单来说就是如何把不好的图像变成好看的图像，把不准确的图像变成准确的图像。”“在这个方案中，对于其中关于图像传输部分就可能需要相关知识，让视频变得更小，传输得更快，但同时保证视频的清晰度。”

罗鹏擅长3D建模，方案中精致的装置3D示意图就是出自他手。罗鹏在徐之海老师的实验室里做研究，在三维设计、相机的制作方面拥有丰富的经验。

从左至右分别为张自然、杨子晗、罗鹏、陈肇杰

方案成型离不开指导老师徐之海。作为中国宇航学会空间遥感专业委员会副主任委员，他主持设计并研制的系列星载光学系统曾在嫦娥二号、嫦娥三号、嫦娥四号中继星、嫦娥五号试验星任务中得以应用，参与创造了中国航天史上的多个首次。

在整个过程中，四位成员也提到：“徐之海老师很重视这个方案设计，并且希望可以将它一直做下去。”期间，徐老师提出了很多具有参考价值的意见与建议，为整个设计掌舵。

“生命就像沙漏一样”

除了学习，生活之中的他们有着各自的爱好和目标。

陈肇杰和张自然都喜欢运动，陈肇杰更喜欢骑车，打台球、乒乓球，也会去玩桌游，张自然则更喜欢打篮球。

他们都希望在学好专业知识的同时，做一些自己感兴趣的事，为祖国的发展建设贡献自己的一份微薄力量。

杨子晗直言：“我会自己折腾机器，在计算机上跑（运行）一些自己感兴趣的东西。在学好专业知识的基础上，近期的精力重点投入学习和竞赛上，长期的话希望可以推免本校研究生。”作为本科生的他已经开始规划两年后的去处，对未来的道路明确而坚定。

“生命就像沙漏一样，我们没有一个准确的模型来计算出它的时长，但却能清晰地感受到它在流淌。点点细沙下落，唯有珍惜和热爱可以滤掉生命的浮华，将宝贵的知识和思想沉淀下来。”这是四位成员留给学弟、学妹们的一段话。

这场沙漏之旅到这里就接近尾声了，而现实中的沙漏之旅仍在继续……