地球大氣層外充斥著大量的太空垃圾，威脅著人造衛(wèi)星、空間站等航天器的安全。隨著巨型星座等新型太空應(yīng)用的快速發(fā)展，航天發(fā)射數(shù)量越來越多，伴隨而來的是太空垃圾只增不減。

　　為了減少太空垃圾產(chǎn)生的碎片對(duì)航天器的傷害，世界主要航天國家和機(jī)構(gòu)都在嘗試預(yù)測碎片的運(yùn)行軌跡，以期規(guī)避碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

　　“九游娛樂的安全性怎么樣？”

　　近日，中國科學(xué)院云南天文臺(tái)博士后舒鵬與合作者借鑒流體力學(xué)歐拉視角，發(fā)展了一種完全概率密度表征的解體碎片云演化建模方法，在地球靜止軌道碰撞碎片云的短期演化和風(fēng)險(xiǎn)分析方面取得了新的研究進(jìn)展。

　　跟隨個(gè)體運(yùn)行軌跡，對(duì)單個(gè)目標(biāo)進(jìn)行研究——這種離散化模型曾在過去太空目標(biāo)數(shù)量較少時(shí)被廣泛應(yīng)用。近年來，隨著太空目標(biāo)密度增高，碰撞和爆炸等解體事故層出不窮，毫米級(jí)到厘米級(jí)的小尺寸碎片出現(xiàn)指數(shù)增長態(tài)勢，其運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)出明顯的不確定性特征，傳統(tǒng)的離散化模型面臨結(jié)果一致性差、計(jì)算成本激增等挑戰(zhàn)。

　　“離散化模型對(duì)于捕獲不確定事件具有天然的不敏感性?！笔纟i告訴《中國科學(xué)報(bào)》，“所以我們采用歐拉視角建立連續(xù)性模型，這是一種思想上轉(zhuǎn)變?！?

　　舒鵬繼續(xù)解釋說，在量子力學(xué)中有個(gè)“海德堡測不準(zhǔn)原理”，揭示了微觀粒子運(yùn)動(dòng)中的不確定性。由于很難描述電子繞原子核的運(yùn)動(dòng)軌跡，物理學(xué)家轉(zhuǎn)而采用電子云圖來描述電子在空間中不同位置出現(xiàn)的概率。

　　依據(jù)這一原理，研究人員不再執(zhí)著于預(yù)測碎片個(gè)體繞地球運(yùn)動(dòng)的軌跡，轉(zhuǎn)而去關(guān)注碎片出現(xiàn)在各個(gè)空間位置的概率。據(jù)介紹，歐拉視角就是將空間劃分為一個(gè)個(gè)小網(wǎng)格，再描述出各個(gè)網(wǎng)格中的物理狀態(tài)和輸入輸出情況。這種方法適合于模擬大尺度大變形的動(dòng)態(tài)行為。

　　地球靜止軌道是距離地球3.6萬公里左右的軌道，上面分布著一圈衛(wèi)星。它們的運(yùn)動(dòng)始終保持與地球的自轉(zhuǎn)同步，從地面向上望去，它們像靜止不動(dòng)一樣，這對(duì)于通信和氣象衛(wèi)星具有獨(dú)特的價(jià)值。與距地面幾百公里遠(yuǎn)的低軌衛(wèi)星可以在多個(gè)高度層和軌道面“雜亂”分布相比，所有的地球靜止軌道衛(wèi)星只能在赤道上方“圍”成一個(gè)單獨(dú)的圈，這意味著附近的太空物體相對(duì)較少。

　　2024年10月9日，研究團(tuán)隊(duì)將這篇論文投給《國際宇航學(xué)報(bào)》。10月19日，美國的一顆名為Intelsat 33E的地球靜止軌道衛(wèi)星突然發(fā)生異常，不久后，美國太空軍確認(rèn)該目標(biāo)已解體?！暗厍蜢o止軌道由于位置有限，資源寶貴，所以由國際電信聯(lián)盟統(tǒng)一分配‘席位’。而擁有配額的國家都會(huì)將功能比較重要、價(jià)值比較昂貴的衛(wèi)星部署在上面。我們的論文模擬了一次比較嚴(yán)重的解體事故，出發(fā)點(diǎn)是考慮這樣的事件有可能對(duì)地球靜止軌道衛(wèi)星群體帶來‘團(tuán)滅’的風(fēng)險(xiǎn)?！笔纟i說。

　　研究結(jié)果顯示，高軌航天器與毫米級(jí)碎片碰撞的概率可能會(huì)在解體36小時(shí)內(nèi)增加到百分之一，而與5厘米以上碎片的碰撞概率可能達(dá)到十萬分之一?！疤账槠w行速度很快，即便很小的碎片也會(huì)對(duì)航天器造成嚴(yán)重的損害。比如毫米級(jí)碎片可能會(huì)損傷衛(wèi)星太陽帆或者電源系統(tǒng)，而厘米級(jí)的碎片則有可能會(huì)摧毀整顆衛(wèi)星?！笔纟i表示。

　　舒鵬一直專注以連續(xù)性方法預(yù)測太空垃圾碎片的演化態(tài)勢，曾在2022年和2023年在國際期刊《導(dǎo)航、控制與動(dòng)力學(xué)》(Journal of Guidance, Control, and Dynamics)發(fā)表過3篇論文，系統(tǒng)性發(fā)展了歐拉視角下的解體碎片云連續(xù)演化模型。

　　“我們的研究主要有兩個(gè)作用，一是太空事故應(yīng)急處置，針對(duì)突發(fā)的太空解體事故，快速分析出解體碎片密度較高的區(qū)域，對(duì)經(jīng)過該區(qū)域的航天器發(fā)出預(yù)警，以幫助航天器避撞。傳統(tǒng)的地面觀測預(yù)警手段受區(qū)域覆蓋率和尺寸分辨率的限制，存在時(shí)間滯后等問題，有時(shí)甚至要滯后五六天才能觀測到解體碎片，新的模型能在事故早期就進(jìn)行預(yù)警。二是突發(fā)碎片觀測調(diào)度，以模型給出的密度分布為指導(dǎo)，可預(yù)知解體碎片出現(xiàn)在空間區(qū)域的概率，進(jìn)而在有限的測控資源條件下監(jiān)測到最多的新生碎片?！笔纟i指出。

　　接下來，舒鵬將繼續(xù)關(guān)注高軌道區(qū)域?qū)μ战怏w事故的敏感性，以及低軌道區(qū)域巨型星座的部署是否會(huì)引起“雪崩式”的級(jí)聯(lián)碰撞效應(yīng)等問題。