基于地震数据反演的空间碎片再入解体动力学：神舟-15模块再入事件的近实时追踪与危害评估

《SCIENCE》：Reentry and disintegration dynamics of space debris tracked using seismic data

面对日益增多的失控航天器再入事件，传统雷达与光学追踪手段存在局限。Fernando与Charalambous利用开源地震数据，开发最小梯度拟合反演技术，成功解析2024年神舟-15模块在美国南加州上空再入解体产生的冲击波。该研究精准获取了碎片速度、轨迹、下降角及碎裂模式等关键参数，为近实时空间态势感知与碎片危害减缓提供了新范式。

　　

随着近地轨道日益拥挤，空间碎片重返大气层的风险持续攀升。每一次不受控制的再入事件，都对空中和地面的人员、基础设施乃至全球环境构成威胁。更棘手的是，当卫星轨道衰减至热层下部，其与大气相互作用变得极其复杂且难以预测，导致再入时间预报存在数小时误差，落区预测范围可能覆盖大片区域。现有地基态势感知主要依赖雷达和光学测量，但前者数据多属机密且易受再入等离子体干扰，后者受限于视线条件且无法追踪“黑暗飞行”阶段。这些短板使得碎片进入关键解体阶段后便难以可靠追踪，从1978年Kosmos-954在加拿大散落放射性碎片，到2025年多枚SpaceX星舰碎片坠入加勒比海，类似的追踪失灵屡次阻碍了应急响应。

为破解这一难题，研究人员将目光投向了分布广泛的地震传感器网络。在2024年4月2日，神舟-15轨道模块再入大气层，其以高超音速飞行产生的冲击波以声爆形式传播至地面，被南加州地震网络的124个台站和内华达地震网络的1个台站记录。研究团队利用这些开源地震数据，开发了一套最小梯度拟合地震反演方法。该方法通过寻找等时线图中的最小梯度线来确定物体运动方向，无需复杂的射线路径正向模拟，计算高效，适于近实时监测。分析显示，神舟-15的实际再入轨迹比预测偏南约28公里（在119度子午线处），速度约为Mach 25-30（7.8 km s^-1），下降角约1.2°，源高度估计在80-150公里之间。

关键实验技术方法

本研究核心技术包括：利用分布式地震台网记录声爆信号；采用最小梯度拟合反演法确定碎片轨迹、速度和下降角；通过分析N波持续时间估算碎片尺寸；应用相位加权叠加技术从噪声中提取与碎裂事件相关的相干信号，以分析碎裂级联过程。数据来源于南加州和内华达地震台网的开源观测数据。

Seismic data

研究表明，地震数据能有效记录再入碎片产生的声爆信号。位于轨迹线上游的台站（如圣米格尔岛SMI）记录到典型的N波（near-instantaneous downward compression）信号，其持续时间仅0.15秒，远小于完整模块预期值（0.40-0.50秒），表明模块在飞越SMI前已发生碎裂，最大碎片半径约0.42米。而下游台站（如西尔斯谷SEV）的信号则更为复杂，出现多个弱震相，反映了碎片在飞行过程中持续碎裂，产生多个声爆。

Trajectory

通过反演，研究人员精确确定了碎片的运动轨迹为64度方位角，速度Mach 25-30，下降角约1.2°。与实际观测相比，再入点比预测提前了25分钟，距离偏差达8600公里，凸显了再入预测的巨大不确定性及地基验证的重要性。

Fragmentation

Debris sizes

N波持续时间分析证实了模块在观测初期已碎裂。下游波形复杂性进一步表明碎裂是一个持续过程，较小的碎片因其较高的弹道系数会先于主体到达。

Hierarchical failure cascade

更重要的是，通过相位加权叠加技术，研究人员从地震信号中识别出8至11个相干脉冲信号，时间间隔约0.15-0.35秒，持续约2秒。这些脉冲的振幅（能量代理）随排名呈幂律分布（指数β ≈ -0.96）。这一发现表明神舟-15的失效并非单次爆炸或缓慢烧蚀，而是一个乘性碎裂级联过程，即母碎片依次破裂产生子碎片，能量递归分配。这种紧凑的碎裂区（约16公里长，海拔跨度<0.5公里）和幂律分布特征与脆性材料在实验室和自然流星体中观察到的线源碎裂模型一致，表明在约80公里高度、1-2 kPa的大气滞压足以引发结构连锁失效。

Implications for debris-fall analysis

该研究对碎片落区分析具有重要操作意义。地震观测表明，主动的声爆产生在轨迹线穿过117度子午线前停止，暗示碎片在此前已烧尽或撞击地面，且实际落区可能比预测偏南约30公里。这种基于地震声学的近实时追踪方法，对于需要快速定位碎片、回收污染物（如含有有毒燃料或放射性物质的碎片）的应急响应至关重要。此外，该方法提供的源位置和高度信息，可用于模拟再入产生的有害微粒和化学副产物在大气中的扩散，评估其环境影响。

综上所述，这项发表于《SCIENCE》的研究成功演示了利用开源地震数据近实时追踪再入空间碎片动力学过程的能力。其开发的最小梯度拟合反演与相位加权叠加技术，能够精确解析碎片轨迹、速度、尺寸及复杂的碎裂级联模式。该研究不仅揭示了神舟-15模块的乘性碎裂机制，更重要的是为未来应对日益频繁的空间碎片再入事件提供了一种可靠、高效的地基监测新手段，显著提升了空间态势感知与碎片危害减缓能力。