鈍頭型航天器再入通信黑障及對策研究

（中國空間技術研究院，北京 100094）

1 引言

再入航天器在返回地球表面的過程中會使其前部的大氣產生強烈的弓形沖激波和黏性摩擦，繼而出現很高的溫度。這將使得周圍的氣體和被燒蝕的防熱材料的分子分解和電離，形成一個像刀鞘一樣覆蓋在航天器表面的非均勻分布電離氣體層，即所謂等離子鞘套（Plasma Sheath）。這一電離氣體層將對電磁波產生吸收、反射和折射等影響，可能造成再入航天器與地面的測控和通信信號的中斷，形成所謂再入通信黑障（Blackout）。

再入段是環境最惡劣、航天器本身最為脆弱的階段。相對說來，這一時段出現問題的概率高（美國哥倫比亞號航天飛機災難性事故是一典型的例子），出現問題后要求盡快處理，以避免出現災難性后果。尤其對于載人航天，由于“人命關天”，這點顯得尤為重要；而通信黑障對這類航天任務的可靠完成帶來大的障礙。

早在20世紀60年代載人航天初期，人們就開始認識到再入通信黑障問題并給予了高度的重視，經過多年的努力，獲得了一些可喜的成果。但是，由于這一課題的理論模型驗證和進行可信的地面試驗等方面工作的難度很大，到目前為止還未獲得具有較普遍意義的工程實用解。

從技術上講，這是一個交叉領域的課題，涉及電磁場、通信、等離子體物理、空間環境、材料和熱力學等方面的內容，想要找到解決這一難題的通解難度極大。本文針對我國航天器（均為鈍頭型再入航天器）再入，特別是載人航天的實際情況，以現有技術能力、空間基礎設施作為邊界條件，對通信黑障及其相關解決問題的方法和設想進行仔細的分析和評述，提出近期（設為3～4年，下同）工程實現可能的發展方向和遠期前景。本文的結果對我國今后的載人和非載人的再入航天器工程頂層構想具有重要參考意義。

2 再入通信黑障的產生及其影響

2.1 電磁波在等離子體中的傳播

再入通信黑障的問題，實質上是電磁波穿透等離子鞘套傳播的問題。要想獲得它的精確表達式十分困難，但針對一些較符合實際的簡化情況，可獲得一些有明確物理意義的結果。

求解平面電磁波在等離子體中傳播時的波動方程［1］，可得到與等離子體表面垂直的電磁波的傳播常數的實部（衰減常數）αp和虛部（相位常數）βp：

式中：k0＝ω／c，k0為傳播常數，ω為工作角頻率，c為光速；εr′＝，εr′和εr″分別為等離子體介電常數的實部和虛部，ν為等離子體中的自由電子與離子及中性粒子碰撞的頻率，稱為電子碰撞角頻率。ωp為等離子體角頻率，可表達為

式中：fp為等離子體頻率；ne是等離子體電子密度，e為電子的電荷，me為電子的質量，ε0為真空中的介電常數。

對于無碰撞等離子體的情況，ν＝0，代入式（1）和（2）可得

因此，對于ω＞ωp，電磁波可無衰減地在等離子體中傳播；ω＜ωp，電磁波指數函數迅速衰減，不能穿透等離子體；ω＝ωp，這時βp＝0，電磁波在界面全反射，不能進入等離子體。

對于有衰耗等離子體的情況，ν≠0，從理論上講，這時電磁波傳播過程中都會有衰減，圖1給出了αp隨歸一化角頻率ν／ωp變化的計算曲線［1］。可看出，當ω＞ωp時，隨著頻率的增加，衰減迅速減少，這表明，使用更高的頻率將有利于電磁波穿透等離子體。

圖1 等離子體衰減常數隨歸一化頻率（ω／ωp）的變化Fig.1 Plasma attenuation constant versus normalized frequencyω／ωp

對于電磁波穿過等離子鞘套的總衰減可表示為

式（6）中，定積分的上下限a，b為在電磁波傳播方向等離子體的起、止點。此公式看似簡單，但由于αp這一空間函數關系很難獲得，此外它隨時間的變化更難預測，應用起來十分困難。

2010年的研究指出［2］：對于當前所有實際應用的情況，再入航天器無外加磁場的等離子鞘套近似滿足無碰撞條件。定性地講，這可能是在再入航天器出現通信黑障的高度（一般為40km～100km），空氣相當稀薄，ν／ωp很低的緣故。

2.2 鈍頭型再入航天器及其再入時電子密度分布

2.2.1 鈍頭型再入航天器

再入艙可以有多種類型，如尖頭型、無動力升力滑行型和鈍頭型等。尖頭型的構型在再入時等離子體電子密度較低，厚度也較薄，較易解決再入通信黑障問題。但它的構型導致有效載荷容量很小，且氣動加熱和燒蝕現象十分嚴重，并未在再入航天器中采用；美國的航天飛機采用無動力升力滑行型。由于它類似飛機的特殊外形和再入過程，使得它在再入時的等離子鞘套具有獨特的分布特性。這種構型較為特殊，一般再入航天任務不會采用。

鈍頭型克服了尖頭型的固有缺點，是多年來絕大多數再入航天器選用的類型，在深空探測中也有廣泛的應用前景。它的再入流場和等離子體鞘套特性與前兩種不同，本文將只考慮鈍頭型再入航天器的情況。圖2為典型鈍頭型再入航天器（阿波羅飛船）再入艙在40km 高度的流場分區示意圖［3］，圖中α0為再入攻角。

圖2 典型鈍頭型再入航天器的流場分區Fig.2 Flow regions for typical blunt-nosed reentry spacecraft

2.2.2 航天器再入時的ne分布

從2.1節可知，ne和ωp（或fp）等效，是描述等離子鞘套特性最重要的參數。已有一些理論結果，或利用飛行試驗數據結合理論模型推算出的ne分布。它們可以作為研究再入通信黑障問題的重要輸入條件。

圖3給出了某鈍頭型洲際導彈再入大氣層，對27km 高度，在天線安裝位置附近的計算結果［3］，包括溫度、相對空氣密度、電子密度和碰撞頻率等。

圖3 某鈍頭型洲際導彈再入時特征參數計算曲線Fig.3 Calculated curves of some characteristic parameters during reentry of a blunt-nosed ballistic missile

歐洲航天局在1998年10月進行了一次大氣層再入演示器（Atmospheric Reentry Demonstrator，ARD）的飛行試驗［4］。利用阿里安-5火箭發射一個質量為2.8t、縮比尺寸為70%的阿波羅（Apollo）再入艙，經過約101min的亞軌道飛行后成功再入（最高高度達830km，最高速度為7.6km／s）。它的再入過程和參數（如彈道和攻角等）與阿波羅飛船類似。利用所裝載的專用設備（如反射儀等）在再入過程中獲得的測試結果，計算出不同高度下的fp分布。如圖4所示為61.5km 高度（再入等離子鞘套最嚴重時）的情況。由于利用了一些再入飛行試驗數據，模型和數據較新，可信度相對較高。

美國的“火星探路者”（Mars Pathfinder）探測器是鈍頭型的又一例子。圖5為該探測器進入火星大氣層時周圍ne（頭部和背面）隨高度變化的計算曲線［5］。

圖4 ARD 在61.5km 高度時的等離子體頻率分布圖Fig.4 Plasma frequency distribution at 61.5km altitude for ARD

圖5 “火星探路者”再入時其周圍ne 和高度的關系Fig.5 Relation of ambient electron density and altitude during reentry of Mars Pathfinder

航天器再入時的ne（或fp）空間分布與航天器外形、高度、再入速度、攻角和彈道有關。鈍頭型再入航天器在再入時，迎風面方向的ne要比背風面方向的ne高得多，對圖5的情況，其差值約為兩個數量級，即fp相差約一個數量級；對圖4的情況（ARD再入等離子鞘套最嚴重時），迎風面駐點附近的fp最高可達約40GHz，而背風面方向附近最高值只有4.4GHz左右，結果和圖5類似。這表明：此類航天器在再入時，從背風面方向附近維持無線電通信要比迎風面方向容易得多。

2.3 再入航天器經歷再入通信黑障的例子

據報道［6］，美國的“水星”和“雙子座”飛船通信（S頻段）黑障一般都持續幾分鐘，例如水星-2飛船是從再入后9min 5s開始，持續約4min。阿波羅飛船（也為S頻段）這一時間約為3～5min，例如阿波羅16號飛船為3min 17s。蘇聯的聯盟號飛船再入時也經歷了約10min的通信中斷。

在探測有大氣層的其他行星或衛星時，也遇到了同樣的問題，例如1997年7月美國“火星探路者”在火星著陸前，經歷了約30s的通信（X 頻段）中斷；2005年1月歐洲航天局的惠更斯探測器在土衛六（Titan）表面著陸過程中，也存在通信黑障現象。

1998年10月歐洲航天局的ARD 飛行試驗為鈍頭型航天器再入時的無線通信積累了較為可靠的數據［4］。該演示器配備有6副天線，3種無線信道：其一是工作在1.575GHz的GPS 接收信道；其二是工作在2.203GHz和2.218GHz的遙測信道（利用布置在預定落點附近空域的兩架飛機接收，速率為250kbit／s）；其三是工作在2.267GHz的數據中繼信道（和定點在171°W 的數據中繼衛星通信）。試驗結果表明：

（1）第一和第二信道在再入過程中都出現了不同時段的通信黑障；

（2）工作頻率低的信道（即GPS）通信中斷現象更嚴重，這和理論的預估一致；

（3）在ARD 再入運動前方的信道鏈路（如與前方的GPS衛星或前方的遙測接收飛機通信）比運動后方的信道鏈路的通信黑障時間更長，這和圖4的fp空間分布示出的結果一致；

（4）通過數據中繼衛星的信道未出現中斷現象，但在86km 至43km 高度有信號衰減，最大約25dB。以上結果再次表明：對于鈍頭型航天器在再入時，從背風面方向（或近似背風面方向）維持無線電通信要比迎風面方向容易得多。這一點對尋找克服此類航天器再入通信黑障的途徑具有重要意義。

3 減輕或消除等離子鞘套影響的方法及其優缺點分析

自從發現航天器再入通信黑障，并認識到這是危及載人航天安全的重要因素以來，國內外進行了大量研究和嘗試，提出了不少減輕或消除這一影響的方法。由于在近年來對高超音速航空器或武器（以在較稠密大氣層中高速飛行為特點）的開發中也遇到了類似的問題，對它的關注度在持續上升。

以下介紹一些主要的方法，并對其優缺點分別進行分析。

3.1 低頻法

從圖1可知，當工作頻率明顯低于fp時，等離子體的衰減也明顯減少。用低的頻率（例如短波頻率）進行再入通信似乎是一種可能的途徑。但在尺寸非常有限的再入航天器上安裝能有效輻射且耐燒蝕的低頻天線根本不現實；另外工作頻率低，可用帶寬窄，數據傳輸速率也低。因此，這一建議雖然很早就有人提出［3］，但沒有進一步發展和試驗的報道。

3.2 高頻法

當工作頻率增加，對應傳播截止的臨界ne也增加。因此，對于一定ne的等離子體，提高入射波的頻率可有效降低其信號衰減。

這一方法已為地面和飛行試驗證實原理上可行。由于頻率高，它能傳輸高的數據速率，通信容量不成問題。在使用的頻譜資源方面，對再入航天器看來不成問題，已有Ku頻段、Ka頻段甚至更高的頻段可供選擇。但如果是直接向地球站傳播，還必須考慮雨和大氣造成的衰減問題（隨著頻率的增加，這一問題越嚴重）；它的另一缺點是和目前多數航天器再入艙采用的通信頻段（例如S頻段）不兼容，實施上會帶來一些困難。

3.3 激光法

從物理上講光波是頻率更短的電磁波，此法是3.2節所述方法的自然延伸，它從理論上可行。它可具有更高的數據傳輸速率、高增益和頻譜至今沒有限制的優點。但缺點是：①它對重量和功耗的要求很高（目前的激光產生的效率小于1%），再入艙不可能滿足；②還沒有相應的地面基礎設施；③表面材料的燒蝕可能對激光鏡頭造成明顯的污染；④激光穿透再入燒蝕煙霧、大氣層中的云、霧、雨、塵和對流層湍流將對激光傳輸產生嚴重影響；⑤由于激光波束極窄并須完成高精度捕獲跟蹤，返回時再入艙的惡劣環境（振動、高溫、較大的姿態變化率及燒蝕造成的雜光背景噪聲等）將對此造成極大的困難。在眾多關鍵技術取得突破前，應用的可能性很小。

3.4 高EIRP和G／T 值法

增大發射功率或發射天線增益，可相應增加透射信號強度；增大接收天線增益或減少接收噪聲，也可降低再入艙接收通信信號的門限值。它可從再入艙和地面通信站兩個方面著手，并可不改變頻率配置，但代價極大。考慮到在目前的通信頻段，再入段的對地方向的等離子體衰減可達幾十分貝，相應的質量和功耗的增加對再入艙均是個不能承受的負擔；此外，再入艙天線的功率容量也是一個大的制約條件，計算表明，對于較易為再入艙采用的隙縫腔體天線，它在S頻段（2.39GHz）的擊穿功率約100 W，遠遠達不到要求；發射功率和接收靈敏度的明顯提高也給電磁兼容帶來大的困難。以上各點都明顯限制了它的使用前景。

3.5 選擇合適的再入艙空氣動力外形

再入艙空氣動力外形對ne（或fp）的空間分布有明顯影響，可以通過變化再入艙的結構外形來實現空氣動力特性的改變，使之有利于再入通信。但對總體設計人員，要考慮的因素很多（如載荷容量、彈道及與發射火箭的匹配性等），不大可能為了解決再入通信問題而損害整個任務的功效，這也是到目前為止絕大多數航天再入艙都選用鈍頭型的原因。采用無動力升力滑行型的航天飛機雖然在這方面有好的特性，但一般再入航天任務很難選擇這樣的空氣動力外形。

在總體設計時，應提倡在不損害主要任務完成的前提下，盡可能加入對空氣動力外形因素的考慮。它雖不能單獨解決再入通信問題，但能夠起到增強其他方法的作用。

3.6 選擇合適的再入彈道參數

它包括再入程序和攻角等方面的選擇。由于它能影響到再入時能量轉換的過程，原則上也能影響到ne（或fp）的空間分布，起到和3.5節類似的效果，可配合其他方法一起使用，起到輔助的作用。

3.7 通信天線位置的選擇

將通信天線設置在ne相對較稀薄的再入艙表面，將有利于克服再入通信黑障，例如盡量遠離再入艙再入時的駐點區等。當然這必須和應通信的地球站的布局統籌考慮。它的局限性也較大，不能單獨解決問題。

蘇聯在20世紀70年代在設計其暴風雪號（Buran）航天飛機時，曾有過一種獨特的再入通信天線位置的選擇思路：在其頭部前端伸出兩個如同昆蟲觸角的天線，如圖6所示。在再入大氣層過程中，該天線位于航天器頭部厚的沖擊層（Shock Layer）之外。分析表明：由于天線是尖錐形構型，再入攻角又很小，和航天飛機頭部附近相比，它附近的氣體電離相對較低，有可能形成和地球站的再入通信窗口。蘇聯在高度保密情況下進行了大量的分析計算（包括天線附近的ne分布、對航天飛機空氣動力特性的影響、加熱效應和熱防護措施等）和一些相關的風洞試驗，并認為有可能在S或C 頻段克服再入通信黑障。這一研究由于暴風雪號航天飛機計劃的中止而未繼續進行。過了近30年，俄羅斯人解密了這一工作，并在國際會議上作了介紹［7］。這是一個十分大膽和“另類”的選擇天線位置和類型以克服再入通信黑障的設想，仔細分析不難看出其工程可實現性存在大的問題：為了使天線在再入通信任務完成前不被燒掉，必須要有復雜的有源冷卻系統，這一難題即使是在現在也不易解決。

圖6 暴風雪號航天器模型及其再入通信天線組件照片Fig.6 Photograph of a Buran spacecraft model with a reentry communication antenna assembly

3.8 注入親電子物質法

由2.1節可知，通過降低ne（即降低ωp或fp）就可使較低頻率的電磁波穿過等離子鞘套，消除再入通信黑障。這可通過注入親電子物質來實現［2，8］。已發現一些可用于這一目的的親電子液體，如水、六氟化硫、三氯乙烯、各種類型的氟氯烷和碳氟化合物等。其中水是研究較多的材料，它的熱容量高，注入后可有效降低等離子體的溫度，使離子和自由電子加速復合，從而減少電子密度。其它親電子液體起到吸附或束縛電子，降低ne的作用。

這一方法在原理上沒有問題，也進行了多次地面試驗和飛行試驗，但結果散布較大（從差不多完全消除黑障到幾乎無效），這可能與試驗方法和注入混合的效果有關。在1965年3月，美國在雙子座3號載人飛船上進行了注水試驗并取得了部分成功（在部分彈道時段超高頻（VHF）頻段和C 頻段的信號突破了通信黑障），這是迄今為止人類進行的唯一的一次用這種方法減輕再入通信黑障現象的載人飛行。有關這一方法的研究工作仍在不斷推進，不過，大多數親電子液體有產生環境污染（例如對臭氧層的破壞等）的缺點。

近年來也有人提出注入固體親電子物質的設想［2］：可選用金屬氧化物（例如氧化鋁或氧化鎢等）粉末和相應的注入方式。地面試驗結果表明，這種方法可使等離子體電子密度減少到原來的三分之一（相當于fp減少到原來的58%左右），它也存在污染環境的缺點。

3.9 親電子物質燒蝕材料法

再入航天器表面一般都覆蓋有燒蝕材料層，它在再入遭遇高溫時緩慢燒蝕，保護了航天器安全經歷再入時的超高溫度環境。如果在燒蝕材料中有意加入氧化鋁等親電子物質微粒，在再入燒蝕過程中，它可自動釋放氧化鋁微粒到再入等離子體中，使ne降低［2］。它也可看成是3.8節方法的延伸，其優點是可用無源的方式實現，對其他方面的影響較小。其缺點是通信天線附近的燒蝕層很難設計：它必須確保在再入等離子體流場（它是時變函數，同樣很難預知）中的燒蝕速度（太慢則起不到作用，太快又有可能危及天線甚至航天器的安全），近期工程實現還有較大困難。

3.10 磁窗口法

如果在再入通信天線附近外加靜態磁場，并使其磁力線方向和電磁波傳播方向一致，這時等離子體中的自由電子受到限制，在洛倫茲力的作用下作螺旋運動。這將改變電磁波的傳播模式，使頻率低于fp的電磁波穿透等離子體的衰減降低，有利于解決黑障問題［9］。可以證明，在這種情況下只有圓極化波才能成為波動方程的解，并且不同旋向的圓極化波對應的εr′和εr″不同，選用右旋圓極化波通信可獲得在等離子體中較好的透波特性。人們建立了不同的數學模型進行分析和計算，結果表明需要很強的磁場。例如：為了使S頻段的電磁波穿透fp接近X 頻段（電子密度約為1012個／cm3）的等離子體，需要高達1.3T 的磁場。美國曾針對這一思路進行過飛行試驗（如在RAM A-2導彈上），但沒有報道其試驗結果。

這一方法的優點是：如果采用永磁鐵即可以實現無源系統。但由于質量和體積條件的限制，現有的技術水平（2009年）的再入航天器僅能配備約0.15T強度的永磁鐵，遠遠達不到上述要求；更大的障礙是磁性材料本身，它的居里溫度明顯低于航天器再入時的表面溫度，以上各點都大大限制了它的工程實用價值。

如果采用通電線圈來產生磁場，這樣不僅失去了無源系統的優點，并且產生如此強大的磁場所需的線圈和配套電源也會對航天器造成大的負擔（目前在地面環境產生1T 的磁場約需數千磅的質量）；如果采用超導磁場的思路，又需要制冷系統，技術復雜且質量上的收益并不明顯。

當然，技術在不斷向前發展，將來可能有突破。已有報道：采用碳納米管（Carbon Nanotubes）復合材料技術開發新一代輕質量飛行用的超導電磁鐵［10］，產生1T 的磁場大約需要250kg質量（不含制冷系統），作為航天應用還相差較遠。

3.11 正交電磁場法

采用正交電磁場的方法可減輕對強磁場的要求。它是在天線口面處分別引入電場和磁場。磁場方向和電磁波傳播方向一致；電場方向垂直于磁場方向，且和等離子體流場方向平行，如圖7和圖8所示［11-12］。

圖7 正交電磁場法中的天線、磁鐵和電極示意圖Fig.7 Schematic of the antenna，magnet and electrodes for ExB electromagnetic field method

圖8 正交電磁場法的場線示意圖Fig.8 Schematic of the field lines for ExB electromagnetic field method

正交電磁場一方面導致流經該區域的離子和自由電子發生霍爾漂移，減少了天線附近的ne，從而減少了電磁波的衰減；另一方面，由于電場方向和流場方向相同，離子被加速，自由電子被減速，且電子減速效果更加明顯，這使得它們的復合概率加大，進一步減小了ne。同時，與3.10節的情況相似，電磁波在磁化等離子體中有了新的傳播模式。以上因素都有利于克服通信黑障。

分析表明：這種方法比磁窗口法需要的磁場要小，例如配置0.2T 的磁場和150V 電位差的電極，在天線口面處形成正交電磁場，ne減少約一個數量級（fp減少到原來的31.6%左右），但要付出引入附加電場的代價。這種方法需要的資源較少，具有發展前景。在這方面的工作基本上還停留在理論研究階段，數學模型較為簡單且缺少有效的試驗驗證，離航天器再入的工程實用還有較大的距離。

3.12 哨聲波（Whistler Mode Wave）法

此設想可以看成是前兩種思路的延伸。人們從自然界閃電產生的電磁波能穿透電離層（它也是一種等離子體）沿著地球磁力線方向傳播到地球的另一面（以一種頻率隨時間具有下降特性的“哨聲”被探知，故它被稱為哨聲波），并可來回反射的現象得到啟示，提出了應用哨聲波的設想［13］。哨聲波是一種特殊模式的右旋圓極化波，其在等離子體中的傳播方向平行于外加磁場，振動方向在垂直于磁場的方向。

近年來，人們針對等離子鞘套的情況，在一些簡化假設的條件下（主要有：一維等離子體、通信天線附近的等離子體滿足高斯分布、碰撞頻率為零和薄等離子體等），求解麥克斯韋方程和微粒運動方程。結果表明［1］：在有外加磁場的條件下，除了正規的左旋和右旋波模式外，還可存在一種特有的右旋波傳播模式，即哨聲波模式，當其諧振頻率等于電子回旋頻率fg（fg＝ωg／2π＝eB／2πme，ωg為電子回旋角頻率，B為磁感應強度）時，通信用的電磁波可在一個較寬松的條件范圍內，以哨聲波的模式穿過等離子體，越過邊界后又能自動轉換為常規右旋圓極化波繼續傳播。

這一新的設想吸引人之處在于它需要的磁場相對較弱，有利于工程實施。有計算表明：如果通信頻率為2.3GHz，ωg／ωp＝1.8，需要強度約為0.15T的磁場。

如果能建立更接近實際的模型進行仔細的分析并進行模擬試驗工作，將有效評估此設想的價值。此外，如何高效地激勵出哨聲波（即設計出可供工程應用的哨聲波天線）也是必須解決的難題。如果在這兩方面有明顯突破，此設想將可能有好的應用前景。

3.13 拉曼（Raman）散射法

它是1994年基于拉曼散射的原理提出的新設想［14］，又被稱為三波互作用（Three Waves Interaction）法。理論研究表明：基于等離子體的固有特性，在熱等離子體的條件下，利用作為激勵（Stimulus）源的強電磁波、通信信號電磁波和等離子體振蕩波3種波之間的相互作用，可產生另一頻率的后向散射的斯托克斯（Stokes）波穿過等離子體。

但這一設想的工程實現難度極大。首先，航天器再入過程可能不滿足上述效應的熱等離子體（Warm Plasma）條件（在迄今為止的飛行試驗中還未觀察到此熱等離子體效應）；其次，它需要一個頻率高于信號頻率的激勵源，由于拉曼散射的幅度很低，這要求激勵源輸出很高：對于工作在S頻段的波導隙縫天線，對應的功率高達80kW，這遠遠超出天線的功率容量（見3.4節），也帶來極其困難的質量和功耗問題；最后，由于從地面站發射激勵源信號要求功率太大（距等離子體太遠），這一設想即使克服了前面的缺陷也只能解決單向傳輸的問題。綜上所述，如果沒有原理上的新突破，基于這一設想解決再入通信黑障的可能性極小。

3.14 中繼法

由于工程技術水平和航天基礎設施等方面的原因，過去在文獻中很少提到用中繼法解決鈍頭型再入航天器的通信黑障問題。只有歐洲航天局在1998年利用美國數據中繼衛星進行了一次S頻段的飛行試驗（見2.3節）。

中繼法是一種“迂回戰術”，它并不試圖直接解決消除或減弱等離子鞘套的難題，而是利用其明顯不均勻分布的特點（如2.3節所述：鈍頭型再入航天器在再入時，通信用電磁波向上方向透過等離子鞘套的衰減要比向下方向小得多），將電磁波從鞘套較弱的方向傳出，通過某個適當的中繼站轉發，繞道到達地球站。這樣就避開了直接對地傳輸方向的巨大信號衰減，可減輕或解決再入通信黑障問題。近年來我國航天技術的發展，使得它可能在近期針對載人航天活動實現工程應用，主要理由如下：

（1）有現成的航天基礎設施可供利用：神舟飛船的再入著陸場為內蒙古四子王旗，而中繼站可選用我國已建成的天鏈一號數據中繼衛星系統。分析和計算（考慮再入攻角、軌道、天線方向圖和通信黑障可能出現的高度范圍等邊界條件）表明：現有系統中就有對再入通信處于較好軌位的中繼衛星（其通信方向基本上在再入艙的背風面），這將明顯降低工程實施所需的時間和成本。

（2）在再入航天器和中繼星之間的星間鏈路上有Ka頻段（23GHz～26GHz）和S 頻段（2.1GHz～2.3GHz）可供選用，符合國際頻譜規范規定。其中Ka頻段明顯高于中繼傳播方向的等離子體頻率fp（見2.2節），可穿透鞘套傳播，最具有工程可實現性，為此作者曾提出了利用我國的中繼衛星在Ka頻段進行突破黑障試驗的建議［15］。S頻段（這是多數航天器再入艙在軌時使用的頻段，如在再入段能使用它將明顯節約空間資源）的中繼傳輸存在明顯衰減（ARD的試驗結果最大約25dB，見2.3節），如要想應用此鏈路設計應考慮這一影響。

（3）Ka頻段星間中繼技術已成功在軌應用近6年，可直接供工程選用。

（4）此方法的代價是通信電磁波上下折返到達地球站加長了鏈路的距離，并需要一定的質量和功耗資源在再入艙上配置相應頻段的設備。但與避開直接對地傳輸方向巨大信號衰減的優點相比，這些代價還是十分值得的。

綜合考慮：中繼法物理概念清晰，沒有要攻關的關鍵技術，需要資源較少，如果決策迅速，能在3～4年內得到工程實現（特別是選用Ka頻段），并具有很好的開發和應用前景。考慮到盡量減少對再入艙資源（質量和功耗等）的需求，以滿足再入段最低限度通信要求（只考慮質量一般的雙向通話和較少數量的重要遙測參數，例如前向、返向信息速率均為8kbit／s）為前提，配合應用一些無源技術（如再入程序優化、天線電設計及位置選擇等），分別對Ka頻段和S頻段信號（S頻段信號的鏈路設計更加困難，需通過特殊方式解決）完成了對相關工程實現方案的初步論證，其詳細結果將另文發表。

4 各種方法的比較和評估結果

4.1 比較和評估項目

本文針對廣泛應用的鈍頭型再入航天器，對前述14種方法的優劣進行評估，為此給出了與工程實現及效能密切相關的13個評估項目。

（1）是否為無源技術：如能采用無源技術解決問題將有極大的優點。

（2）要求的航天器尺寸和質量：它們是航天器的重要資源，和解決問題的成本直接相關（國際上，1kg質量的發射成本就達10 000美元左右）。

（3）要求的功耗：也是航天器的重要資源，和解決問題的成本直接相關。

（4）對航天器的改動：可能影響到航天器的總體設計和成本，限制因素較多。

（5）是否符合規定的頻譜使用規范：這是在管理方面的一個重要限制條件。

（6）利用現有的航天通信基礎設施的程度：如果要求新建專用基礎設施，代價將巨大。

（7）理論模型的正確性：一些較新穎的設想往往立足于簡化條件較多的數學模型，此模型的正確性將直接影響其應用價值。

（8）是否有飛行或地面的試驗驗證：已有試驗結果的方法可信度較高，飛行試驗的價值優于地面試驗；

（9）通信容量：必須滿足任務要求。

（10）安全性：對航天員和環境是否可能有安全性方面的隱患。

（11）能否單獨解決問題：有的方法只能起到輔助的作用，不能單獨解決問題。

（12）近期可否工程實現：尤其針對我國載人航天活動，是否有近期可能實現的工程解。

（13）遠期前景：從發展的角度（針對各種通信黑障問題）看應用前景。

4.2 評估結果和討論

表1給出了對第3節中描述的所有方法的定性評估結果。

表1 不同減輕或消除再入通信黑障方法的定性比較Table 1 Qualitative comparison of various methods for mitigating or eliminating reentry communication blackout

下面對表1的結果進行說明和討論。

（1）顯而易見，無源技術最受人們青睞。再入艙空氣動力外形、再入彈道參數、通信天線位置（選在再入艙表面）和親電子物質燒蝕材料等4種方法屬于這一范疇。對于鈍頭型再入航天器，前3種還不能單獨解決問題，但可以作為輔助手段使難度降低。因此，在總體設計中應綜合考慮這些因素。采用親電子物質燒蝕材料可能實現單獨解決黑障問題，近期還存在工程實現上的障礙，但遠期前景較好。磁窗口法中使用永磁鐵的思路本也屬于無源技術，但在可見的將來并無可行性，故不在考慮之列。

（2）質量、尺寸和功耗是航天器的十分有限的資源。在現有工程技術條件下，選用低通信頻率、激光、高EIRP 和G／T、通信天線位置（選在鞘套沖擊層外）、磁窗口和拉曼散射的要求太高，直接影響了在評估中的得分；中繼、高通信頻率、注入親電子物質、哨聲波和正交電磁場等方法的要求相對低些；而無源技術方法的要求更低。

（3）對航天器的改動要求較多的有低通信頻率、激光、通信天線位置（選在鞘套沖擊層外）、磁窗口和拉曼散射等。此外，由于考慮的是鈍頭型再入航天器，選擇再入艙空氣動力外形的方法在改動航天器方面的自由度較小，得分不高。中繼法在這方面卻有優勢。

（4）在符合規定的頻譜使用規范方面多數方法沒有問題。低通信頻率法和拉曼散射（它需要一個頻率高于航天通信頻率的激勵信號）可能違反這一規范。另外，高通信頻率法也可能受到限制。

（5）低通信頻率和激光法要求建立全新的航天通信基礎設施，至少目前存在明顯的弱點；選擇再入彈道參數法有可能要求改變再入通信地球站的布局。中繼法要求有已投入運營的中繼衛星系統，并且中繼衛星的軌位和再入軌道的相對位置較好（其通信方向基本上在航天器再入時的背風面方向）。對我國載人航天來說是完全能滿足上述條件。

（6）在理論模型的正確性方面，注入親電子物質、磁窗口法、親電子物質燒蝕材料和正交電磁場法都有多年的理論工作支撐。較差的是哨聲波和拉曼散射法，由于建模上的困難，其數學模型簡化較多，較難估計它們和實際情況的符合性。

（7）試驗驗證對方法或設想的可行性十分重要，在這方面較好的有：高通信頻率、高EIRP 和G／T、再入艙空氣動力外形、再入彈道參數、通信天線位置（選在再入艙表面）和中繼法等。對利用注入親電子物質法曾有過不少正面飛行試驗結果的報道（包括一次載人飛行）；磁窗口法也進行過飛行試驗，但未公布結果。蘇聯將通信天線置于鞘套沖擊層外雖有一些專門的地面試驗，但出現了天線完全燒掉的情況，必須要有復雜的有源冷卻系統的支持。剩下幾個設想還都處在理論研究階段。

（8）大多數方法在通信容量和質量方面的評估結果較好。低通信頻率法明顯不能支撐較高的數據傳輸速率，高通信頻率和激光在對地傳輸時的氣象條件對通信質量的影響還須仔細評估。

（9）安全性方面的考慮，如果在實施某方法時出現差錯或故障，不應對航天任務（特別是對航天員）的安全產生影響。燒蝕過程、化學污染和高微波功率是可能的負面因素。

（10）除去再入艙空氣動力外形、再入彈道參數、通信天線位置（選在再入艙表面）等3種方法外，其他方法從原理上都有可能單獨解決問題。但多數在工程上需要付出的代價都不小，有的在近期看來甚至不現實。為了減少這方面的壓力，兩種或兩種以上方法同時采用（例如一種無源技術和一種有源技術等）將具有優點。

（11）對于選擇通信天線位置的方法，由于存在兩種完全不同的思路，一些欄目的評估出現用“或”字連接的兩個結果，前面的數字表示蘇聯專家提出的天線選在鞘套沖擊層外的情況，后面的數字表示天線位置局限于再入艙表面的情況。

（12）針對我國載人航天活動，中繼法物理概念清晰、技術已趨成熟、航天基礎設施現成、需要資源較少，是近期可能工程實現的最現實途徑。一些無源技術雖不能單獨解決問題，但技術相對成熟，可作為輔助手段選用。其他的方法都還存在不同程度的實際問題。

（13）從發展的角度看：中繼法對我國載人航天活動優點突出；對于國外的情況以及其它再入任務，需要對中繼衛星網絡配置和再入軌道等方面做具體分析后才能評估使用中繼法的效果；而注入親電子物質、親電子物質燒蝕材料、正交電磁場和哨聲波法致力于減少或消除等離子體本身，一旦突破，其應用范圍較廣（例如高超音速飛機通信、低空高速武器的突入等），有較好的遠期前景。此外，這是一個交叉學科領域，很有可能在今后出現原理性突破，給某些方法在遠期帶來新的發展。

5 結束語

由于解決再入通信黑障的問題難度極大，雖然經過多年的不懈努力，到目前為止也還未找到具有較普遍意義的工程實用解。本文在分析和評述多種相關設想和方法的基礎上，考慮我國現有航天基礎設施和技術的背景，針對鈍頭型再入航天器的具體情況，提出利用我國數據中繼衛星系統（配合應用一些無源技術），滿足載人航天再入段最低限度通信要求的方法。它物理概念清晰，技術已趨成熟，需要資源較少，能在近期工程實現，具有明顯的優點。對于遠期前景，親電子物質和磁場或電磁場控制法（包括正交電磁場、哨聲波和磁窗口等）有可能成為解決各類航天器、高超音速飛行器和低空高速武器等離子鞘套問題的工程實用解。本文的結果對我國今后的載人和非載人再入航天器工程頂層構想具有重要參考意義。

（References）

［1］Starkey R P.Non-equilibrium plasma effects on telemetry considerations for air-breathing hypersonic vehicle design，AIAA 2004-333［R］.Washington D.C.：AIAA，2004

［2］Gillman E D，Foster J E，Blankson I M.Review of leading approaches for mitigating hypersonic vehicle communications blackout and a method of ceramic particulate injection via cathode spot arcs for blackout mitigation，NASA／TM 2010-216220［R］.Washington D.C.：NASA，2010

［3］Rybak J P，Churchill R J.Progress in reentry communications［J］.IEEE Trans.on Aerospace and Electronic Systems，1971，7（5）：879-894

［4］Tran P，Paulat J，Boukhobza P.Re-entry flight experiments lesson learned–the atmospheric reentry demonstrator ARD［R／OL］.［2013-09-23］.http：／／ftp.rta.nato.int／public／PubFullText／RTO／EN／RTO-ENAVT-130／EN-AVT-130-10.pdf

［5］Marabito D.The spacecraft communications blackout problem encountered during passage or entry of planetary atmosphere，IPN progress report 42-150［R／OL］.［2013-05-06］.http：／／ipnpr.jpl.nasa.gov／progress＿report／42-150／150C.pdf

［6］Wikipedia.Communications blackout［EB／OL］.［2013-11-09］.http：／／www.en.wikipedia.org／wiki／communications＿blackout.

［7］Belov I F.Investigation of remote antenna assembly for radio communication with reentry vehicle［J］.Journal of Spacecraft and Rockets，2001，38（2）：249-256

［8］Hartunian R A，et al.Cause and mitigation of radio frequency（RF）blackout during reentry of reusable launch vehicles.ATR 2007（5309）-1［R］.El Segundo，CA：The Aerospace Corporation，2007

［9］Hodara H.The use of magnetic field in the elimination of the reentry radio blackout［J］.Proc.of IRE，1961，49（12）：1825-1830

［10］Garg P，Dodiyal A K.Reducing RF blackout during reentry of reusable launch vehicle，AEL 4839379［C］.Aerospace Conference.New York：IEEE，2009

［11］Kim M，Keidar M，Boyd I，Electrostatic manipulation of hypersonic plasma layer：images of two-dimensional sheath［J］.IEEE Trans.on Plasma Science，2008，36（4）：1198-1199

［12］Kim M，Keidar M，Boyd I，Two-dimensional model of an electromagnetic layer for the mitigation of communications blackout［C］.47thAIAA Aerospace Sciences Meeting.Washington D.C.：AIAA，2009

［13］Charles H.Recommendations from the workshop on communications through plasma during hypersonic flight，AIAA 2009-1718［R］.Washington D.C.：AIAA，2009

［14］Nazarenko S V.Communication through plasma sheath via Raman（three-wave）scattering process［J］.Physics of Plasmas，1994，1（9）：827-2834

［15］王家勝.中國數據中繼衛星系統及其應用拓展［J］.航天器工程，2013，22（1）：1-7 Wang Jiasheng.China’s data relay satellite system and its application prospect［J］.Spacecraft Engineering，2013，22（1）：1-7（in Chinese）