碎石堆小行星自旋演化过程的离散元数值模拟

论文题目

张宸玮，刘 春*，耿 焕，刘 辉

南京大学 地球科学与工程学院 南京 210023

摘 要：近年的探测研究表明，由引力和范德华粘附力聚合成碎石堆结构可能是小行星的一种重要形成方式。为探究这类小行星的演化机制，文章基于离散元软件MatDEM进行二次开发，实现了单元的万有引力计算。建立直径为1.2 km“碎石堆”小行星数值模型，通过数值模拟分析了不同粘附强度和体积密度下，球形聚集体的旋转重塑和破坏过程。结果表明：球形聚集体受到其角速度初始增量的影响，以启动聚集体的重塑过程，导致其发生变形或者破坏；粘附强度越小，模型越容易被破坏，破坏前小行星会通过向扁圆状椭球体变形来保持自身构型的稳定性；对于粘附强度一定的小行星模型，体积密度的增大会有效增加其结构的稳定性，可以延后小行星破坏行为发生的时间，且颗粒脱落的数量随着密度的增大而减少；采用离散元分析可以较好地模拟小行星自旋演化过程。进一步与真实小行星数据相结合，有利于深入、全面地探索小行星自旋演化破坏机理。

关键词：离散元方法；数值模拟；碎石堆；小行星；MatDEM

图3 初始几何模型

图4 卫星公转模型（a）圆形轨道；（b）椭圆轨道；（c）飞离轨道

图6 c=1自旋加速模拟下的演化形貌

图7 三轴长度随时间变化曲线

图17 ρ=3.0 g·cm^-3自旋加速模拟下的演化形貌

图18 平均自旋速率随时间变化曲线

张宸玮,刘春,耿焕,刘辉. 2023. 碎石堆小行星自旋演化过程的离散元数值模拟[J]. 高校地质学报,29(5):743-755

DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2022022