【蒋迅专栏（十）】用CFD探索澳亚陨石的来源

本文已发表在《太空探索》杂志 2016年第2期上。

丁查普曼/NASA

第谷坑是月球上的一座环形山，澳亚玻璃陨石是在澳大利亚和一些东南亚国家发现的一批陨石。这二者之间有什么关系呢?事实上，这些陨石很可能是在大约70万年前月球遭到一颗小行星的撞击而产生第谷坑的同时一些飞溅出来的月球物质飞落到地球上的。这听起来似乎有些难以置信，但得出这个结论主要靠的就是数学。进行这项分析的就是 NASA 的一名科学家丁查普曼 (Dean  Roden  Chapman，1922 一 1995)  。

1、人生经历

 查普曼于1922年3月8日在新墨西哥州桑姆那堡 (Fort   Sumner ，New  Mexico)出生。他有一个弟弟汤姆 (Perry  T. “Tom” )和一个姐姐卡门(Carmen)。在他还很小的时候， 全家搬到了亚利桑那州，很快又安顿在了南加州。那是 1926年。他和弟弟和姐姐一起长大。他和弟弟几乎在一起做所有的事情： 一起玩， 一起卖杂志，一起送报。送报很辛苦，他们必须早上3点半起床去工作，然后去上学。放学后他们还一起打篮球，甚至到了发狂的地步。由於送报和篮球，查普曼在高中的成绩很一般。

高中毕业时，查普曼和两个同学商量一起报名陆军航空兵。但是预飞训练要求本科学分。所以他们只好到洛杉矶城市学院去修课。他的两个同学完成了学分，在陆军航空兵报 上了名，而查普曼则被一位教授鼓励申请了加州理工学院。教授对他的机敏和智慧印象深刻并深信他经过加州理工的学习后能达到更高的目标。查普曼不但被录取，还得到了一笔奖学金。1941年，查普曼以最高荣誉从城市学院毕业，在加州理工他也是成绩优秀，还是 一名篮球明星。他以最高分获得机械工程学士学位，又以优秀生的荣誉获得航空工程的硕 士学位。

毕业后，查普曼得到了NACA 艾姆斯航空实验室(即现在的 NASA艾姆斯研究中心)的一个职位。当时二战还在进行之中。美国政府为了避免把这里的精英抽去当兵，干脆把这里的人都征入海军编制。就这样，查普曼算是实现了他当年加入海军的愿望。虽然不是航空兵，但他是搞航空研究的，也算圆了梦。二战结束后，他又回到了加州理工去攻读博士学位，从师汉斯利浦曼 (Hans Wolfgang Liepmann) ，从事超音速飞行的研究。1948年， 他获到了博士学位。

查普曼于1948年再次加入艾姆斯航空实验室。后来成为那里的航空部主任。他是著名的流体力学专家和现代计算流体力学的先驱。他还对存有争议的玻璃陨石来源的理论进行过研究。

作为一名科学家，查普曼具有一个特别的优点：他集出色的数学修养和工程师素质于一身。他又善於把问题简化并用文字清晰地表述出来。

在艾姆斯，查普曼最初的工作是在世界上最大的40x80英尺亚音速风洞部门。不久他被调到1x3英尺超音速部门并在那里工作了很长时间。查普曼的早期工作主要是表面摩擦、基础压力和热传导。他还率先在高马赫数在风洞里使用混合气体，以避免气体液化的问题。在流体分离的特徵及其对相应区域中热传导的影响方面进行了大 量的理论和实验研究。

从1944年到1979年，他一步一步地建立起自己在表面摩擦、边界层、基础压力、分离流动、湍流和风洞中混合气体、电弧风洞 (arc-jet) 、大气进入动力学、烧蚀分析、防热、高超音速真实气体、计算流体力学、激波分析等多方面的专家。但连他自己都没有想到，他的这些技能会在陨石研究上发挥作用。

2、研究陨石

玻璃陨石/****

对查普曼来说，最具有挑战性的工作是玻璃陨石的来源问题。他的方法就是：统计 建模 计算 试验。

本来NASA对玻璃陨石的研究兴趣来自于对陨石的空气动力受热的性质从而用于未来再入航天器的设计上。但出於科学的好奇心，NASA科学家们也对陨石本身产生兴趣。

澳亚石场/****

玻璃陨石是具有粗糙玻璃形状的鳞状物体，在地球的很多地方都有过发现。各方面的科学家对玻璃陨石己经研究了好几百年，提出了多种理论来解释玻璃陨石的来源。最早报告澳大利亚的玻璃陨石的是达尔文。他说在澳大利亚的新南威尔士发现了一些像镜片似的“火山炸弹”（volcanic bombs） 。这些炸弹具有绿色玻璃似的压扁的瓶状，并在表面有条纹。在过去的两个世纪里，这些后来被称为“奥石”(australites) 的东西引起了人们的极大兴趣和争论。他们认为这些东西一定是一次火山爆发的结果：可能是陆地火山（达尔文的观点），也可能是月球火山，也可能来自太阳，也可能是来自木星或其它行星。后来，人们发现这些“奥石”不仅在澳大利亚有，而且在东南亚一带也有很多，范围可能覆盖了30%的地球表面。人们称之为“澳亚石场”（Australasian strewnfield)“奥石”只是“澳亚石场”的一部分。

在1960年代，在一个博物馆里查普曼意识到玻璃陨石的形状可能是在它们进入大气层时出於受热和空气动力的结果。他使用能模拟大气进入条件的电弧风洞成功地再现了奥石的形状。所以他断定这些奥石来自外太空，其形状是它们在超高速地进入大气层由於气动和受热而形成。所以这些所谓的奥石其实就是平时人们说的玻璃陨石。玻璃陨石这个词的 英文是 “tektites”，来自希腊文 “tektos”， 意思是熔化了的。英裔澳大利亚地质学家弗朗茨爱德华修斯（Franz Eduard Suess）用这个词来指那些未知来源的散落在地球若干地区的自然玻璃状体 。在1950年和1960年代初，人们有两个主要的假想：这些玻璃状体或者是由於某种原因（比如月球撞击或月球火山）来自于月球，或者是一颗小行星撞击地球造成的。不管哪种猜想正确，我们都可以称它们为“玻璃陨石”。

到底哪一个假想是正确的呢？查普曼决心去找到答案。在1963-1965年间，投入了大量的时间和精力。我们从他的研究过程可以清楚地看到他的科学素质、数学知识和计算能力使他获益匪浅。

查普曼假定的是月球来源说。要是小行星的话，也没处开始啊。他的工作就按照这个目标开始了。首先他先确定那次撞击事件发生的时间大概是什么时候。这个不难，他通过氩钾，铀裂变的衰变计算，他确定这些陨石都只有70万年。这样的年龄无疑保证了它们没有遭受地球上的化学和物理的腐蚀。

根据已有的对这些陨石的化学元素的分析进行了综合。下表是他得到的在马尼拉和澳大利亚西南部两地的陨石的化学成分的比较。他发现，尽管它们有不同的形状，但是它们的来源是同一个，因为它们的化学成分惊人地相似。注意这两地相距至少5千公里。

但人们注意到，在这两个地区的玻璃陨石的形状、大小不同。澳大利亚的陨石有明显的烧蚀痕迹，而东南亚的陨石缺少这一特微：澳大利亚的陨石比较圆滑而在更北边的那些陨石更为不规则。为了解决这个疑惑，查普曼做了很多空气动力学和热动力学试验。他得出了大多数玻璃陨石可能都来自月亮。如果是来自月亮的一堆炽热的岩浆落在地球上，那么落在澳大利亚东南部的陨石是那些更热一些、少粘性一些的中央部分；而那些不规则的 则来自相对冷一些的、更粘一些的其他部分。通过他们的试验和计算，他们甚至确定了这些陨石进入大气层时的角度和进入速度(大约 7英里/秒)。於是他推断，这次的陨石散落是从南向北。从而解释了这两处陨石的不同。

不过，他的这个理论还没有被那些不具备大气进入动力学背景的科学家们接受。有人说，从月球飞出的物体在其路径上以地月之间的距离为半径的球面上只有1/15000部分被地球挡住，所以击中地球的可能应该非常小。

另一方面，深悉空气动力学理论的 NASA艾姆斯研究中心主任朱利安·艾伦赞扬了查普曼的科学“侦探”精神，并提出了更大的挑战： “如果你是一个好的空气动力学家，那么你应该能确定它们来自月球上哪个陨石坑。”

查普曼接受了两方的挑战。

查普曼在分析陨石：NASA

查普曼和同事们所做的轨道计算表明，由於地球的引力作用，月球上的溅起物击中地球的几率比1/15000要大得多，平均是1：200，不管是从月球上哪个地方溅起。

查普曼选择了10个月球陨石坑/NASA

从地球上可观测的陨石坑有150多个。要确定那次撞击是从月球的哪里发生的，他必须缩小范围。因为他己经知道那些陨石是70万年前落到地球的，所以他可以锁定那些在那个时期出现的月球上的陨石坑。根据月球的照片，他选择了10个最年轻的陨石坑 (70万年算是年轻的哦)。在这些陨石坑附近的溅起痕迹还都清晰可见。因此，他可以确定是否有细窄的熔化物溅起后是否能达到地球，这其中包括一个在月球背面的陨石坑。他的计算显示，从这几个陨石坑溅起物到达地球的概率要高于前面的平均值，其中有一个的概率达到 了1/60。

他还需要知道，熔化物溅起时，会不会是以一个细窄的轨道溅出。这一点不难。根据月球上的溅起痕迹在艾姆斯的试验，如果熔化物溅射出来的话，其轨道很窄，而且由於地球的引力而在飞行轨道上不会过於分散。特别地，轨道分析清楚地显示，散落的方式会落在地球表面的一小部分地区里。

那么到底是从哪个陨石坑里溅射出来的呢?他对数千个玻璃陨石进行了某种特殊的重力测量和大量的化学元素分析。从这些数据里，他发现了它们在地球上散落的模式规律。再使用NASA   的最先进的计算机IBM7094，他分析了月球上所有具有月球射纹的大陨石坑里弹出的陨石的地月轨道，最后用电弧风洞来验证他的模型。他发现位於月球南半球的第谷坑（Tycho）所产生的地月轨道最接近地球上实际观测到的玻璃陨石，而且只有从第谷溅 出的溅射物的某个角度可以造成澳亚的陨石散落的形状。他把量角器的这个角度对准了第谷坑，正好落在了一个溅射痕迹上。查普曼回答了艾伦的挑战：澳大利亚玻璃陨石来自于第谷坑的"罗斯溅射"(Rosse ejecta ray)   。

当然，在查普曼的分析中，他做了许多的简化。所以他没有断言澳亚玻璃陨石一定是来自第谷坑。然而他非常肯定，这些陨石是来自月球。在他的严格的分析和计算的事实面前，有一些持反对意见的人有了转变，但仍然有一些重要人物仍持反对意见。

最终的确认还需要来自对“罗斯溅射”的化学元素分析。但是查普曼在整个分析过程中采用的如此丰富的科技手段令所有人佩服。

在对玻璃陨石做了大量分析之后，查普曼又与同事一起做了烧蚀分析的计算。1965年7月，他与另一位同事一起发表了“推广的烧蚀分析及其在热屏蔽材料及陨石玻璃上的应用”             （Generalized Ablation Analysis With Application to Heat Shield Materials and Tektite Glass）的论文。

3、获得荣誉

Source: NASA

他因为出色的工作在 1952年就获得了一年一度的美国航天航空协会 (AlAA) 的荣誉奖。1963年，NASA授予查普曼“杰出科学成就奖”（Award for Exceptional Scientific Achievement）。

查普曼还获得过多项奖励，包括奖励他在空间飞行器再入大气层工作的“洛克菲勒公共服务奖”（Rockefeller Public Service Award) ，1972年由NASA艾姆斯中心颁发的奖励他在陨石研究方面工作的艾伦奖，1979年美国航天航空协会授予的“德莱顿特邀研究报告”（Dryden Lectureship in Research），1980年 “NASA出色服务奖”（NASA's Distinguished Service Medal），1978年麻省理工学院的胡萨克名誉教授（Hunsaker Honorary Professor）。他还是美国天文学会和美国航空航天学院的研究员 （fellow of the American Astronautical Society and the  American Institute of Aeronautics and Astronautics）。

1969年，查普曼被任命为艾姆斯中心热气动力学室的主任 （chief of the Thermo and Gas Dynamics Division）；1974年被提升为艾姆斯中心航空学研究所主任（Director of  Astronautics），领导著五百多人，从事流体力学、气动、材料、计算技术和化学方面的基础和应用研究。在这段时间里，他的最大成就是建立起了首个以高速计算机为手段的计算流体力学的研究梯队。1970年，第一个大规模平行计算机Illac IV在艾姆斯中心建成并于1973年投入使用。他因此被国家工程学院 (National Academy of Engineering) 选为会员。

在NASA工作34年后， 1980年查普曼从NASA退休，同时接受斯坦福大学的任聘，成为了斯坦福大学的教授。1995年10月4 日，查普曼在家中因癌症逝世。终年73岁。