軌道上での破片化

最初の破片化から2025年末までに、661件の破片化イベントが確認されており、そのうち207件は過去20年間に記録されたものである。^{[ 1 ]}以下は、 ESAの破片化データベースによると、宇宙時代の始まり以来記録された軌道上での破片化の中で最大の10件である。^{[ 7 ]}

衝突は、2 つの軌道上の物体が偶発的または意図的に衝突したときに発生します。これには、運用中の宇宙船とデブリが関与する衝突と、対衛星（ASAT）テストなどの意図的な破壊イベントの両方が含まれます。高エネルギー衝突は通常、最大のデブリ生成と関連しており、1 つのイベントで追跡可能な破片を数千個生成する可能性があります。よく知られた例としては、2009 年のイリジウム 33 とコスモス 2251 の衝突があります。^{[ 9 ]}このようなイベントを防ぐために、衛星運用者は、宇宙監視ネットワークによって提供される接近評価と追跡データに基づいて、カタログ化された物体との衝突の可能性を低減する衝突回避マヌーバを使用します。^{[ 10 ]}

爆発は、宇宙船またはロケットの段内に蓄積されたエネルギーが突然放出されることで生じる破片化です。典型的な原因としては、残留推進剤、加圧タンク、バッテリー、推進システムなどがあります。後者に関しては、時間の経過とともに、加熱、材料の劣化、または内部圧力の上昇により、タンクの破裂や閉じ込められた推進剤の燃焼につながる可能性があります。歴史的に、爆発は破片化の最も一般的な原因の一つであり、ミッション終了時に蓄積されたエネルギー源を除去するためのパッシベーション対策の採用を促してきました。注目すべき例として、インテルサット33eの破片化があり、これは記録された中で最大の静止軌道破片化イベントの1つと考えられています。^{[ 11 ]}

その他の破片化の原因としては、機械的故障、材料の劣化、軌道減衰中の空力的破壊、または親天体がほぼ無傷のままで部品が予期せず脱落することなどが挙げられる。これらの事象は爆発や衝突よりもエネルギー規模は小さいことが多いが、それでもカタログ化された破片を生成する可能性がある。例としては、姿勢制御の重大な失敗により構造が破壊され、その後破片が生成されたひとみ（ASTRO-H）の破片化が挙げられる。 ^{[ 12 ]}

破片化現象の一部は、原因不明または未確認として分類されたままであり、これは根本的な原因を特定するのに十分な観測証拠がないことを反映している。これらのケースは、追加の追跡データや法医学的再構築が利用可能になると再分類される可能性がある。このようなケースは、直接テレメトリや確認された衝突痕跡がなく、限られた数の破片しか検出されない場合によく発生する。例としては、 1981年のコスモス1275の分裂があり、これはデブリカタログで原因不明の異常な破片化現象として分類されている。^{[ 13 ]}

破砕現象は、その深刻度によっても区別されるのが一般的です。例えば、NASA標準破砕モデルでは、壊滅的な破砕は親天体を完全に破壊するのに対し、非壊滅的な破砕は破片を放出しながらも本体はほぼ無傷のまま残ります。この区別は、破片環境モデリングやリスク評価で広く用いられています。^{[ 14 ]}

衝突の場合、壊滅的な破砕は特定の衝突エネルギーと関連付けられることが多い。${\displaystyle Q}$しきい値を超える:

${\displaystyle Q={\frac {1}{2}}{\frac {m_{p}m_{t}}{m_{p}+m_{t}}}v_{\text{rel}}^{2}}$

どこ${\displaystyle m_{p}}$そして${\displaystyle m_{t}}$は発射体と標的の質量であり、${\displaystyle v_{\text{rel}}}$は相対速度です。${\displaystyle Q}$臨界値を超える（${\displaystyle Q^{*}\approx 40\ \mathrm {J/kg} }$）、完全またはほぼ完全な破壊が発生する。非壊滅的な事象では、標的物体は大部分が無傷のままだが、測定可能な量の破片を放出する。^{[ 14 ]}

低地球軌道 (LEO)では、破片の長期的な進化は、大気抵抗、地球の扁平率( J2摂動)、および太陽活動によって支配されます。大気抵抗は漸進的な軌道減衰を引き起こし、減衰率は面積対質量比と高度に強く依存します。一方、J2 によって引き起こされる永年効果は、軌道面の差動歳差運動を誘発し、デブリ雲の縦方向の分散につながります。太陽活動の変動は、さらに大気密度を変化させ、軌道寿命に大きな変動をもたらします。^{[ 15 ]}

破砕後の初期段階のデブリは、破砕点を中心とした楕円体として近似されることが多い、コンパクトな三次元雲である。軌道エネルギーの異なる破片が異なる速度で公転を完了するにつれて、数日のうちに雲は親軌道に沿って徐々に引き伸ばされ、最終的に地球の周囲にトーラス状の構造を形成する。その後、主にJ2摂動によって引き起こされる差動歳差運動により、近点引数がランダム化される。${\displaystyle \omega }$昇交点の経度${\displaystyle \Omega }$これにより、トーラスは地球をほぼ連続したデブリの帯へと変化する。この軌道のランダム化は通常数ヶ月かけて起こり、その後、大気抵抗がデブリ雲の長期的な進化の主要な原動力となる。^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}

静止軌道（GEO）では、大気抵抗がないため、破片は非常に長い時間スケールで軌道上に留まることができます。その進化は、主に地球の非球形重力場、月と太陽の重力摂動、および太陽放射圧によって支配されます。^{[ 15 ]}

地球のジオポテンシャルは、東経75度と西経105度付近に位置する2つの安定した平衡領域、すなわちジオポテンシャル井戸を形成します。経度方向のドリフトが十分に小さい破片や非活動衛星は、これらの領域内に捕捉され、そこで数年にわたる長周期振動を起こします。月と太陽の摂動も軌道傾斜角の長期振動を引き起こし、デブリは赤道面に戻る前に約26年間で最大約15°の傾斜角増加を経験します。^{[ 19 ]}