[发明专利]一种彗尾数值仿真方法

说明书

本发明提供一种彗尾数值仿真方法，它包括以下几个步骤：步骤一：建立彗星尘埃尺寸分布模型；步骤二：建立彗星尘埃动力学模型；步骤三：彗星尘埃动力学方程转化；步骤四：动力学方程求解；通过以上步骤，能对彗尾中尘埃粒子的动力学进行精确数值仿真，确定彗尾的时间和空间分布，为人类了解彗尾的演化机制和彗星的动力学过程提供帮助，同时为彗星探测轨道设计提供重要参考。

技术领域

本发明涉及一种彗尾数值仿真方法，可以对彗尾中尘埃粒子的动力学进行精确数值仿真，确定彗尾的时间和空间分布，属于航天技术领域。

背景技术

彗星回归时逐渐靠近太阳，在其处于太阳一定范围内时，受到太阳辐射加温的影响会在彗核周围因物质脱离而产生彗星尘埃，大量彗星尘埃逐步扩散到彗核附近区域时就形成了彗星独特的彗尾。由于每颗彗星的成分、轨道、彗星尘埃喷射速度都不同，因此彗星形成的彗尾也各不相同。目前对于彗尾的研究大都集中于观测数据分析，即通过地面或空间中的可见光、红外等设备对彗尾进行观测，然后对观测数据进行分析，确定彗尾的形状、成分等，目前还缺少对彗尾形状变化的预测模型的研究。因此，开展彗尾的数值仿真工作是十分迫切的，仿真结果不仅可以帮助解释彗尾的演化机制以及彗星的动力学过程，还可以对彗尾的分布范围进行精确预测，为彗星探测轨道设计提供重要参考。

发明内容

1、目的

本发明的目的是提供一种彗尾数值仿真方法，对彗尾中尘埃粒子的动力学进行精确数值仿真，确定彗尾的时间和空间分布，为人类了解彗尾的演化机制和彗星的动力学过程提供帮助，同时为彗星探测轨道设计提供重要参考。

2、技术方案

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案。

本发明一种彗尾数值仿真方法，它包括以下四个步骤：

步骤一：建立彗星尘埃尺寸分布模型

所述彗星尘埃尺寸分布模型用于确定彗星尘埃尺寸满足的分布类型，然后根据待仿真的彗星尘埃总数，确定不同尺寸的彗星尘埃的个数；其建立的过程如下：

首先假设彗星尘埃尺寸满足的分布类型，一般假设为指数分布，即直径为a彗星尘埃的数目正比于a^-p，其中p为常数，一般在3到4之间；然后根据计算机的计算性能以及数值仿真的精度，确定待仿真的彗星尘埃总数为N，利用前面假设的分布模型，即可求得各个区间范围内的彗星尘埃个数；

上述“建立彗星尘埃尺寸分布模型”，其建立过程的具体作法见“具体实施方式”内容；

步骤二：建立彗星尘埃动力学模型

所述建立彗星尘埃动力学模型是首先建立彗星尘埃逃离速度计算模型，该模型需通过地面观测数据进行参数拟合；然后建立彗星尘埃受力模型，分析彗星尘埃在空间中的受力状况；最后利用牛顿第二定律建立彗星尘埃动力学方程；

步骤三：彗星尘埃动力学方程转化

所述彗星尘埃动力学方程转化是指将步骤二中建立的二阶常微分动力学方程转化为一阶常微分方程组，为后续的数值求解奠定基础；其转化过程如下：

在步骤二中建立的动力学方程是关于彗星尘埃日心距D的二阶常微分方程，通过引入参数可将二阶常微分方程转化为一阶常微分方程组，其中，表示对彗星尘埃日心距D进行求导，v的物理含义是彗星尘埃在空间中的速度；

上述“彗星尘埃动力学方程转化”的具体作法见“具体实施方式”内容；

步骤四：动力学方程求解

所述动力学方程求解是指利用Runge-Kutta法对步骤三中建立的一阶常微分方程组进行数值求解，确定所有尘埃粒子在不同时刻的位置和速度；即首先利用Runge-Kutta法建立统一的迭代格式，然后利用计算机编程进行求解，确定所有尘埃粒子在不同时刻的位置和速度；