空间碎片环境是由大量在近地轨道上运行的废弃人造物体构成,是在航天发射活动、空间力学环境、目标相互碰撞解体等因素作用下形成的一类复杂空间环境。空间碎片环境的长期演化对航天器任务分析、航天器长期安全运行管理和空间资源的可持续开发利用都产生着重要的影响。本文从微观和宏观两个方面,分别构建了碎片环境的数值演化模型和整体演化模型,并在此基础上研究了不同条件下碎片环境的长期演化分布特点,分析了碎片环境的稳定性和主要影响因素,研究了空间碎片环境带来的安全问题。首先,通过跟踪单个碎片的运动状态,建立了碎片环境的长期演化计算模型。该模型能够在微观层次上逼近和模拟碎片环境的实际演化过程。在综合分析摄动力的作用量级、计算复杂度及其对碎片分布影响特点的条件下,确定了碎片环境演化的力学模型。针对演化过程中目标相互碰撞问题,建立了基于目标相对运动状态的碰撞概率计算模型,该模型适用于一般轨道构型上的近地目标,计算复杂度随碎片规模线性增加,有利于大规模碎片的碰撞判断。针对大规模碎片运动状态长期计算更新问题,提出了基于分点根数的碎片运动状态长期平均积分方法。通过分离碎片运动的短周期项,该积分方法在计算步长超过1天的条件下能够反映碎片的长期运动演化特点,极大提高了状态更新计算效率。设计了演化计算模型的并行计算框架,并实现调用“天河”等超级计算平台的大规模计算核心开展长期演化计算。其次,以空间密度作为描述碎片分布状态的宏观量,推导了碎片密度变化的约束控制方程,建立了碎片环境的分层离散化演化模型。模型考虑了大气阻力和目标之间相互碰撞等因素的平均等效作用。对模型进行求解,得到了大气阻力摄动作用下的解析演化模型。分层离散化模型具有计算资源消耗少、方便把握碎片整体演化趋势的特点,为碎片环境的稳定性分析和减缓策略的制定奠定了理论基础。随后,基于碎片环境演化模型,得到低地球轨道碎片环境未来200年内的演化结果,分析了碎片环境的长期演化分布趋势,研究了碎片环境演化的主要影响因素。结果表明,空间目标的相互碰撞解体,是空间碎片不断增加的主要因素;即使停止一切航天发射活动,空间碎片的数量仍在不断增加,表明低地球轨道空间碎片规模已经超越稳定临界点;进一步的发射活动会增强空间碎片环境演化的不稳定性,加剧“碰撞-目标解体-碰撞”反馈连锁碰撞效应;航天器在寿命末期进入25年寿命轨道,能够明显减缓碎片数量的增长趋势,但依然达不到维持碎片环境稳定的作用,需要采取更为严格的空间碎片调控手段。最后,研究了空间碎片环境带来的安全问题。针对空间目标解体产生的碎片云,分析了碎片云演化的分布特点,讨论了碎片云对卫星星座的碰撞风险。针对空间站等大型重要航天器的空间碎片碰撞风险问题,建立了基于边界穿越条件的碰撞概率计算方法。利用该方法可评估航天器在不同高度、赤经、赤纬等方位上受到的碎片碰撞风险,以及碰撞风险随时间的变化趋势。讨论了由大量小卫星构成的超级星座系统对碎片环境的长期影响,结果表明,如果对小卫星不采取离轨处置策略,超级小卫星星座会明显改变碎片环境的演化趋势。论文的研究为掌握碎片环境的长期演化机理奠定了理论基础,提供了有效的分析工具;为确保航天器的在轨安全运行和空间资源的可持续开发利用奠定了理论基础。