地球大气层外充斥着大量的太空垃圾，威胁着人造卫星、空间站等航天器的安全。随着巨型星座等新型太空应用的快速发展，航天发射数量越来越多，伴随而来的是太空垃圾只增不减。

为了减少太空垃圾产生的碎片对航天器的伤害，世界主要航天国家和机构都在尝试预测碎片的运行轨迹，以期规避碰撞风险。

近日，中国科学院云南天文台博士后舒鹏与合作者借鉴流体力学欧拉视角，发展了一种完全概率密度表征的解体碎片云演化建模方法，在地球静止轨道碰撞碎片云的短期演化和风险分析方面取得了新的研究进展。

定位个体不如预测趋势

跟随个体运行轨迹，对单个目标进行研究——这种离散化模型曾在过去太空目标数量较少时被广泛应用。近年来，随着太空目标密度增高，碰撞和爆炸等解体事故层出不穷，毫米级到厘米级的小尺寸碎片出现指数增长态势，其运动轨迹呈现出明显的不确定性特征，传统的离散化模型面临结果一致性差、计算成本激增等挑战。

“离散化模型对于捕获不确定事件具有天然的不敏感性。”舒鹏告诉《中国科学报》，“所以我们采用欧拉视角建立连续性模型，这是一种思想上转变。”

舒鹏继续解释说，在量子力学中有个“海德堡测不准原理”，揭示了微观粒子运动中的不确定性。由于很难描述电子绕原子核的运动轨迹，物理学家转而采用电子云图来描述电子在空间中不同位置出现的概率。

氢原子电子云图。  供图：受访者

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依据这一原理，研究人员不再执着于预测碎片个体绕地球运动的轨迹，转而去关注碎片出现在各个空间位置的概率。据介绍，欧拉视角就是将空间划分为一个个小网格，再描述出各个网格中的物理状态和输入输出情况。这种方法适合于模拟大尺度大变形的动态行为。

欧拉视角的解体碎片云演化。  供图：受访者

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一个巧合

“我们这次发表的论文是针对地球静止轨道解体事故的模拟。”舒鹏说。

地球静止轨道是距离地球3.6万公里左右的轨道，上面分布着一圈卫星。它们的运动始终保持与地球的自转同步，从地面向上望去，它们像静止不动一样，这对于通信和气象卫星具有独特的价值。与距地面几百公里远的低轨卫星可以在多个高度层和轨道面“杂乱”分布相比，所有的地球静止轨道卫星只能在赤道上方“围”成一个单独的圈，这意味着附近的太空物体相对较少。

地球静止轨道卫星集中在同一个圆。   供图：受访者

低轨巨型星座集中在密集壳层。  供图：受访者

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那么这项研究还有意义吗？答案是肯定的。

2024年10月9日，研究团队将这篇论文投给《国际宇航学报》。10月19日，美国的一颗名为Intelsat 33E的地球静止轨道卫星突然发生异常，不久后，美国太空军确认该目标已解体。“地球静止轨道由于位置有限，资源宝贵，所以由国际电信联盟统一分配‘席位’。而拥有配额的国家都会将功能比较重要、价值比较昂贵的卫星部署在上面。我们的论文模拟了一次比较严重的解体事故，出发点是考虑这样的事件有可能对地球静止轨道卫星群体带来‘团灭’的风险。”舒鹏说。

研究结果显示，高轨航天器与毫米级碎片碰撞的概率可能会在解体36小时内增加到百分之一，而与5厘米以上碎片的碰撞概率可能达到十万分之一。“太空碎片飞行速度很快，即便很小的碎片也会对航天器造成严重的损害。比如毫米级碎片可能会损伤卫星太阳帆或者电源系统，而厘米级的碎片则有可能会摧毁整颗卫星。”舒鹏表示。

解体碎片云赤道平面分布演化（红色六角形为解体点，绿色圆形为地球） 供图：受访者

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持续关注太空解体事故

舒鹏一直专注以连续性方法预测太空垃圾碎片的演化态势，曾在2022年和2023年在国际期刊《导航、控制与动力学》(Journal of Guidance, Control, and Dynamics)发表过3篇论文，系统性发展了欧拉视角下的解体碎片云连续演化模型。

“我们的研究主要有两个作用，一是太空事故应急处置，针对突发的太空解体事故，快速分析出解体碎片密度较高的区域，对经过该区域的航天器发出预警，以帮助航天器避撞。传统的地面观测预警手段受区域覆盖率和尺寸分辨率的限制，存在时间滞后等问题，有时甚至要滞后五六天才能观测到解体碎片，新的模型能在事故早期就进行预警。二是突发碎片观测调度，以模型给出的密度分布为指导，可预知解体碎片出现在空间区域的概率，进而在有限的测控资源条件下监测到最多的新生碎片。”舒鹏指出。

接下来，舒鹏将继续关注高轨道区域对太空解体事故的敏感性，以及低轨道区域巨型星座的部署是否会引起“雪崩式”的级联碰撞效应等问题。

该研究工作得到了国家自然科学基金和中国博士后科学基金的支持。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2024.12.016