空間環(huán)境 流星體模型 征求意見稿

1空間環(huán)境流星體模型本文件規(guī)定了用于計(jì)算流星體的分布狀況、預(yù)測流星體顆粒與航天器碰撞的概率。本文件適用于科學(xué)研究及工程應(yīng)用中空間流星體數(shù)量計(jì)算、軌道演化、與航天器的碰撞分析和合理避障。下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。ISO14200:2021空間環(huán)境（自然和人工）基于過程的流星體和碎片環(huán)境模型實(shí)施（軌道高度低GB/T32452航天器空間環(huán)境術(shù)語單位時(shí)間單位面積的碰撞數(shù)量。航天器與流星體發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)單位體積的質(zhì)量。數(shù)密度或其視線積分。指其他條件均相同的條件下，在同一地點(diǎn)重復(fù)的實(shí)驗(yàn)。指塵埃散射導(dǎo)致的微弱的彌漫的白色光。4符號、代號和縮略語AU天文單位（astronomicalunit）；CMOR加拿大流星軌道雷達(dá)（CanadianMeteorOrbitRadar）DEC赤緯（Declination）ESA歐洲航天局（EuropeanSpaceAgency）ECEF地心地固坐標(biāo)系（EarthCenteredEarthFixed）2GEO地球靜止軌道（GeosynchronousOrbit）HAMP哈佛無線電流星體計(jì)劃（HarvardRadioMeteorProject）IMEM星際流星體工程模型（InterplanetryMeteoroidEngineeringModel）LEGENDLEO-GEO碎片演化模型（LEO-to-GEOdebrisevolutionarymodel）LEO低地球軌道（LowEarthOrbit）MEM流星體工程模型（MeteoroidEngineeringModel）NASA美國國家航空航天局（NationalAeronauticsandSpaceAdministration）RA赤經(jīng)（RightAscension）RSA俄羅斯聯(lián)邦航天局（RussianFederalSpaceAgency）SSP太空空間站計(jì)劃（SpaceStationProject）5.1概述5.2流星體環(huán)境模型分類流星體環(huán)境模型主要包括零星流星體模型和流星體流模型兩大類，其中，零星流星體模型又可分為質(zhì)量密度模型和通量模型。零星流星體通常被認(rèn)為起源于彗星和小行星，由于質(zhì)量密度模型不是一個(gè)測量量，流星體的密度存在嚴(yán)重的不確定性。根據(jù)雷達(dá)觀測其密度范圍為：0.16g/cm3到4g/cm3。不同文獻(xiàn)中引用的平均質(zhì)量密度值差異很大，因此一般取0.5g/cm3作為估計(jì)。質(zhì)量密度的關(guān)系按公式(1)計(jì)算：[2.0g/cm3l0.5g/cm3P——流星體密度；m——流星體質(zhì)量。m<10-6gm>10-2gg通量模型可以用于任務(wù)分析階段的航天器軌道選擇，特定軌道的安全性驗(yàn)證，碰撞規(guī)避操作頻率預(yù)測以及設(shè)計(jì)關(guān)鍵部位的碰撞保護(hù)措施。通量模型主要包括Grün模型、Divine模型、Divine-Staubach模型、IMEM模型、MEM模型，通量模型詳細(xì)介紹見附錄A-附錄E。不同模型關(guān)于碰撞通量的計(jì)算對比圖見附錄F。不同流星體通量模型之間各參數(shù)、特性及功能對比情況見附表F.1。流星體流通量是通過一年內(nèi)平均的累積零星流星體通量來定義的。在日歷年中定期觀察到流星體活動的平均每小時(shí)速率顯著增加。這是由于地球通過類似的日心軌道運(yùn)行的粒子流造成的。目前有兩種主要的流星體流模型：Cour-Palais模型和Jenniskens模型，詳見附錄G。Grün模型A.2模型函數(shù)Grün模型以積分的形式給出總平均流星體通量，即質(zhì)量大于等于給定質(zhì)量m每平方米每年的撞擊粒子數(shù)。不考慮地球遮蔽和重力效應(yīng)，流星體通量按公式（A.1）計(jì)算：F(m)=3.15576×107F1(m)+F2(m)+F3(m)（A.1）m——粒子質(zhì)量；F2.2×103m0.306+15.0)-4.38——質(zhì)量大于10-9g的粒子通量；(m)=1.3×10-9(m+1011m2+1027m4)-0.36——質(zhì)量大于10-14g小于10-9g的粒子通量；(m)=1.3×10-16(m+106m2)-0.85——質(zhì)量小于10-14g的粒子通量。A.3適用范圍質(zhì)量：10-18g-100g4Divine模型由美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)。Divine模型取日心黃道坐標(biāo)系為參考坐標(biāo)系，假設(shè)流星體僅在太陽引力作用下按軌道動力學(xué)規(guī)律運(yùn)動，通過對觀測數(shù)據(jù)分析獲得流星體的質(zhì)量分布函數(shù)、近地點(diǎn)分布函數(shù)、軌道傾角分布函數(shù)、和偏心率分布函數(shù)，給出了流星體的速度分布，進(jìn)而獲得流星體五個(gè)航天器上的塵埃探測器來收集數(shù)據(jù)，通過聯(lián)合分析驗(yàn)證不同質(zhì)量和軌道分布的流星體的參數(shù)值。最終將流星體分成五個(gè)流星體群，五個(gè)流星體群按照流星體軌道分布特點(diǎn)以及質(zhì)量遞增的順序分別命名為偏心群（eccentricpopulations）、傾斜群（inclinedpopulations）、暈群（halopopulations）、核群（corepopulations）以及小行星群（asteroidalpopulations）。模型給出的流星體通量按公式（B.1）計(jì)算：Jm——流星體碰撞通量；VD——相對碰撞速度；x=sin-1與近日點(diǎn)距離相關(guān)的輔助變量；與近日點(diǎn)距離相關(guān)的輔助變量；rr——日心距離；FS——縮放因子；HM——粒子質(zhì)量分布函數(shù)；pi——傾角分布函數(shù)；pe——偏心率分布函數(shù)；N1——近日點(diǎn)距離分布函數(shù)；e——偏心率。近日點(diǎn)距離：0.1-20AU質(zhì)量：10-18g-1g5Divine-Staubach模型Staubach更新了Divine模型，Divine-Staubach模型重新擬合了概率密度，模型考慮了太陽光壓影響下的橢圓和雙曲線流星體種群，同時(shí)考慮了地球引力聚焦變化和行星遮蔽帶來的通量各向非同性。將Divine模型中的部分流星體群重新命名，并且增添了一個(gè)新的流星體群——星際塵埃群。模型給出的流星體通量按公式（C.1）錯誤!未找到引用源。計(jì)算：J=Σ∫dr1∫de∫di,)|32(ηFηSFSΓHMvD)（C.1）re——偏心率；vxvyvz——流星體粒子在x,y,z軸方向速度分量；M——地球質(zhì)量；pi——傾角分布函數(shù)；pe——偏心率分布函數(shù)；N1——近日點(diǎn)距離分布函數(shù)；ηF——與速度有關(guān)的聚焦因子；ηS——屏蔽系數(shù)；FS——縮放因子；HM——粒子質(zhì)量分布函數(shù)；VD——相對碰撞速度。近日點(diǎn)距離：0.1-20AU質(zhì)量：10-18g-1g6行星際流星體工程模型IMEM（InterplanetaryMeteoroidEngineeringModel）由ESA開發(fā)，該模型除了將模型預(yù)測與觀測相匹配外，還嘗試根據(jù)影響流星體軌道和來源的物理效應(yīng)構(gòu)建流星體模型。IMEM模型與之前模型不同之處在于1）使用形式上，IMEM模型繼承于計(jì)算機(jī)程序中，可以計(jì)算根據(jù)航天器在太陽系中的不同位置和速度條件下的塵埃粒子的通量、平均撞擊速度和數(shù)量密度，并將結(jié)果已ASCII文件輸出。（2）數(shù)據(jù)集構(gòu)建上，與Divine和Staubach的模型不同，IMEM模型不再基于黃道光數(shù)據(jù)，取而代之的是使用宇宙背景探索者COBE（CosmicBackgroundExplorer）近地觀測臺的紅外觀測作為新的模型參考，同時(shí)，IMEM模型修正了哈佛射電星項(xiàng)目數(shù)據(jù)以及增加了幾個(gè)新的流星體和塵埃數(shù)據(jù)集。（3）計(jì)算方法上，IMEM模型首次將波因廷－羅伯遜效應(yīng)引入模型，并將Divine模型中質(zhì)量分布函數(shù)、偏心率分布函數(shù)和傾角分布函數(shù)三個(gè)函數(shù)整合成一個(gè)包含三個(gè)參數(shù)的函近日點(diǎn)距離：0.1-10AU質(zhì)量：10-12g-100g7MEM模型流星體工程模型（MeteoroidEngineeringModel）由NASA開發(fā)，數(shù)據(jù)來源于加拿大流星軌道雷達(dá)數(shù)據(jù)。模型基于6各雷達(dá)/流星體源，分別為：Helion,Anti-Helion,NorthApex,SouthApex,NorthToroidal,SouthToroidal。MEM模擬了來自四個(gè)母體種群的流星體的產(chǎn)生：短周期彗星、長周期彗星、哈雷型彗星和小行星。在1AU附近的通量計(jì)算使用Grün模型校準(zhǔn)，質(zhì)量密度使用恒定的1g/cm3。MEM的目的是使航天器設(shè)計(jì)人員能夠評估航天器被流星體撞擊的可能性，預(yù)測撞擊對航天器組件造成的損壞，并在必要時(shí)添加適當(dāng)數(shù)量的流星體屏蔽。MEM模型與之前模型不同的是，它不輸出一個(gè)通用的通量描述，而是針對特定的航天器給出碰撞通量、速度分布、方向分布等信息。此后，NASA在MEM模型的基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)，2019年發(fā)布的MEM3模型包含了基于流星體消融模型的新流星體體積密度分布，模型同時(shí)修正了對流星體附近大質(zhì)量物體影響的算法，校正了引力聚焦模型的同時(shí)還保留了速度和方向性之間的所有相關(guān)性，提供了更準(zhǔn)確的行星星歷，MEM3還進(jìn)行了多項(xiàng)性能改進(jìn)。MEM3代碼運(yùn)行速度比前一代模型提速約3倍，提供了更多的用戶幫助和更好的錯誤處理。最后，該代碼現(xiàn)在支持跨平臺：Mac和Windows用戶可以使用命令行版本。總之，MEM3提供了更準(zhǔn)確、更易于使用的太陽系內(nèi)部流星體環(huán)境模型。流星體撞擊造成的損傷由修正彈道極限方程描述pc∞d19/18p1/2(v丄cosθ)2/3（E.1）pc——撞擊坑深度；d——流星體直徑；p——流星體密度；θ——撞擊角。NASA在MEM模型的基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)，此后發(fā)布的MEM3模型包含了基于流星體消融模型的新流星體體積密度分布，模型同時(shí)修正了對流星體附近大質(zhì)量物體影響的算法，校正了引力聚焦模型的同時(shí)還保留了速度和方向性之間的所有相關(guān)性，提供了更準(zhǔn)確的行星星歷。近日點(diǎn)距離：0.2-2AU質(zhì)量：10-6g-10g8不同通量模型關(guān)于碰撞通量的計(jì)算對比圖圖F.1流星體模型碰撞通量對比征型否圍型是是是是是否是是是是度期Cour-Palais模型將流星體流的通量-質(zhì)量模型按公式（G.1）logFst=-14.41-logm-4log(vst/20)+logF（G.1）m——粒子質(zhì)量；F——積分累計(jì)通量與平均零星通量和之比。（2）持續(xù)時(shí)間δt；▲▲FFtabt+δ22379544G.1.2Jenniskens模型（1）太陽經(jīng)度λmax；（2）天頂每小時(shí)可見最大流星體數(shù)ZHRmax；（4）地心流星體速度，定義為流星體到達(dá)大氣層頂部時(shí)的最終地心速度v對于太陽經(jīng)度的瞬時(shí)值，輻射點(diǎn)的赤經(jīng)(RA)和赤緯(DEC)按公式（G.2）計(jì)算RA(λ)=RA(λ0)+DRA(λ-λ0)DEC(λ)=DEC(λ0)+DDEC(λ-λ0)流星體數(shù)按公式（G.3）計(jì)算ZHR=ZHRmax×10-Bλ-λB——活動曲線的斜率。太陽經(jīng)度λ處的累計(jì)通量按公式（G.4）計(jì)算F(m,λ)=F(m)maxZHR(λ)/ZHRmax=km-αF(m)max——質(zhì)量大于m的累計(jì)通量；α——累計(jì)質(zhì)量分布指數(shù)；k——質(zhì)量分布常數(shù)。下表列出了49個(gè)Jenniskens流的參數(shù)。λRADECZHRBαkv8.4×10-175.8×10-191.9×10-193.4×10-1901.3×10-173.1×10-193.7×10-181.9×10-194.4×10-191.9×10-181.5×10-181.9×10-185.1×10-192.0×10-181.1×10-181.5×10-18betaCorona1.5×10-194.7×10-172.6×10-171.9×10-183.7×10-