黑障抑制技術的發展現狀與研究難點

任 寧，奚 斌，李曉斐

黑障抑制技術的發展現狀與研究難點

任 寧1，奚 斌2，李曉斐1

（1. 北京宇航系統工程研究所，北京，100076；2. 中國航天系統科學與工程研究院，北京，100048）

黑障現象是目前國內外航天測控領域迫切需要解決的難點問題之一。高超聲速飛行器、空間飛行器發射入軌飛行、衛星、宇宙飛船與航天飛機以及其他空間再入體返回地面，都需要解決黑障現象造成的通信中斷問題。本文主要介紹了黑障現象產生的原因，對目前國內外抑制及減弱黑障效應方法的研究難點及研究現狀進行了分析。

黑障；等離子體；等離子鞘

0 引 言

高速飛行器以馬赫數為10～25的速度在大氣層內飛行時與空氣相互作用，使飛行器周圍的空氣被高速飛行的飛行器頭部產生的超聲速激波加熱。當速度接近或超過馬赫數為10時，由于粘性流和激波的作用，強烈的氣體加熱將導致飛行器表面附近的空氣分子和原子被電離。激發含有等離子體的高溫激波層，即所謂的包裹飛行器的“等離子鞘套”。等離子鞘套的密度為109～1014個/cm3，如此高密度的等離子體在頻率遠大于常規的L、S、X和C波段通信信號的頻率范圍（1～10 GHz），產生類似金屬罩的屏蔽效果，造成導航、數傳、遙測、遙控、安控等信息傳輸的中斷，這一現象稱為黑障。

黑障時間對于無動力彈道再入飛行器而言可持續4～10 min，而在需要變軌或低攻角飛行狀態下，其持續時間更長，甚至可達數十分鐘。現有的很多飛行器都存在黑障問題，而且會一直困擾未來高超聲速飛行器、空間飛行器和再入飛行器等。

黑障的出現給高超聲速飛行器和空間飛行器的測控導航、制導帶來極大的困難。如果不能有效地解決通信中斷問題，高超聲速再入飛行器在黑障區將喪失機動性，導致突防能力嚴重下降。此外，飛行器周圍的大量自由電子進入尾流區，又引起尾流雷達反射截面的增加，因而大大降低了飛行器的反識別能力。

1 國內外研究現狀和發展趨勢

空間飛行器再入通信問題與空間科學、航空與航天等均有直接關系。衛星返回地面、宇宙飛船與航天飛機以及其它空間再入體返回地面，都需要解決通信中斷問題。

空間飛行器高速再入飛行過程中黑障效應的產生及程度與飛行器的外形、表面材料、飛行速度、飛行高度、收發信號的頻率與功率、收發天線的位置與結構等因素有關。

抑制及減弱等離子體黑障效應的方法可分為2類：一類是通過減弱天線上方等離子體電子密度分布實現抑制，包括：加磁場及電場窗、氣動外形設計、表面噴涂親電物質、噴灑冷卻水及親電液體或固體等；另一類方法是設法提高電磁波在等離子鞘中的穿透能力，包括：提高通信頻率（如采用Ku及Ka頻段、太赫茲通信等）、提高發射功率、提高接收和發射天線增益、利用等離子體與電磁波之間的各種非線性作用（如非線性調制、三波相互作用、哨聲波）實現通信等[1]。

1.1 國外研究現狀和發展趨勢

國外在空間高超聲速及空間飛行器高溫氣體非平衡效應、等離子體分布預測研究方面已取得重大進展，配合各時期飛行器發展要求，進行了大量飛行和地面試驗，研究空間飛行器等離子流場和電磁波傳輸效應，相應預測軟件不斷發展和完善，并得到廣泛應用。

從20世紀50年代到80年代，國外宇航為解決高超聲速再入飛行器通信中斷問題進行了多種技術途徑的研究，在理論研究和實際應用方面取得了顯著成效。美國采用飛行試驗和地面試驗相結合的方法分析了無動力升力體滑翔飛行器、航天飛機、帶動力的吸氣式高超聲速巡航飛行器等不同類型飛行器等離子體鞘套的電子密度、碰撞頻率對電磁波傳輸衰減特性的影響，建立了等離子體條件下的高超聲速飛行器通信評估軟件，用于分析和預測無線電波在通過等離子體層時的衰減、飛行器進出黑障的高度、時間等情況，開展了改善氣動外形、激光通信系統、高頻無線電通信系統、噴射液體親電子材料、減少防熱材料的雜質含量、在天線窗口附近施加強磁場等減緩通信中斷措施的技術研究[2,3]。

20世紀60、70年代，美國宇航局（NASA）與美國空軍和空間合同商協作進行了一系列高超速飛行器等離子鞘的研究計劃。

a）Fire計劃（“火”計劃）：該飛行計劃由NASA發起，主要目的是確定鈍頭體以 11 km/s的速度再入大氣層時的輻射和氣動加熱，同時獲得了通信中斷數據。通過比較分析對飛行和理論預測結果，完善了預測空氣等離子體鞘的化學反應模型[4]（重點是電子-離子復合過程）。

b）Asset計劃：該飛行計劃由空軍與俄亥俄州立大學、麥克唐納飛機公司合作實施，主要目的是為了研究高超聲速再入飛行器等離子體鞘套對通信系統的影響。在多次飛行試驗中，測量了U形狹縫甚高頻天線和X波段開口波導天線的阻抗，成功獲取了甚高頻、C波段與X波段通信訊號的衰減測量結果[5]。

c）無線電衰減測量（Radio Attenuation Measurement，RAM）計劃：該計劃是NASA在蘭利中心開展的一個廣泛的再入研究計劃，其目的是通過理論預測和飛行試驗研究再入等離子鞘對通信中斷的影響和減緩方法。在多次飛行試驗中，研究了氣動外形與磁場窗口對減輕通信中斷的有效性，驗證了從天線阻抗計算等離子體特性的可靠性[6]。

d）MA-6與GT-3計劃（水星計劃與雙子星計劃）：在該項載人空間計劃中，跟蹤和記錄了載人飛船的大量通信數據，分析了引起通信信號衰減的機制。研究表明：由于防熱罩含有易電離物質，在低空嚴酷的氣動熱環境下，大量燒蝕產物將造成極為復雜的流體動力學與化學動力學耦合問題。因此，對再入訊號衰減的正確預測，不僅要考慮純空氣等離子體的影響，還必須考慮防熱罩燒蝕產物的影響[7]。

e）TrailblazerⅡ計劃（開路先鋒Ⅱ計劃）：該飛行計劃由美國空軍與俄亥俄州立大學協作開展。測量了各種雷達工作頻率下（C波段與S波段）各種波導式天線的阻抗，探索了噴射液體對減輕再入通信中斷問題的有效性。分析了等離子鞘對S波段狹縫天線的方向圖、訊號衰減與阻抗失配的影響。通過上述各項研究，到70年代中期，美國再入通信中斷問題的研究得到了長足的進展，基本明確了再入等離子鞘的形成機理，掌握了多種可能的緩和減輕措施，并發展了相應的等離子鞘診斷技術。

從20世紀80年代初開始，世界航天大國競相開展了各類概念的超高速飛行器研究計劃，如美國的NASP、AOTV，日本的HOPE以及歐洲的SANGER、HERMS和HOTOL等飛行器發展計劃。這些航天飛行器的研制極大地推動了高超聲速飛行器高溫氣體效應、非平衡效應和等離子體鞘套預測研究[8]。世界各國特別是美國、俄羅斯和歐洲相繼建造和發展了許多高超聲速實驗設備。結合大量地面試驗、飛行試驗和理論分析，建立了完整的描述高溫氣體效應和非平衡的物理化學模型，測定了大量化學反應速率系數，建立了相關數據庫，深入開展了輻射和氣體動力學干擾效應研究。

20世紀90年代中期，美國以航天飛機和無線電衰減測量C（Radio Attenuation Measurement C，RAMC）飛行試驗測試結果為依據，采用數值模擬的研究手段對非軸對稱吸氣式高超聲速飛行器等離子體流場周圍等離子體鞘套對電磁波傳輸影響進行了研究。

美國的一項計劃目的是為安裝在再入體上的GPS接收器建造一個半實物仿真試驗平臺。這個試驗平臺的核心之一是模擬再入等離子體對GPS接收器信號的衰減和延時效應系統。

歐洲制定的2008年至2010年基礎技術研究計劃中，列出了開展再入飛行器通信技術，目的是為了鞏固和擴展電磁波與等離子體相互作用的機理模型，為再入飛行器通信系統的發展和天線輻射模式的預測提供依據。

1.2 中國研究現狀和發展趨勢

在中國，20世紀60年代開始遇到通信中斷問題。由于這個問題十分復雜，涉及多個學科，未能開展深入的研究工作。20世紀70年代開始，中國把再入通信中斷問題作為一個重要的技術難題，從地面模擬試驗、理論計算方法研究和飛行試驗測量等方面開展了大量的研究工作，進行了單項預研和技術途徑的探索與研究，確定了以合理選擇彈頭外形和天線窗位置，在彈頭防熱材料中減少堿金屬雜質含量并適當添加親電子物質為主，結合采用高性能記憶重發遙測裝置來解決再入通信中斷問題。為了對高超聲速再入精確打擊飛行器進行全程控制和機動飛行，需要實時測控通信，記憶重發方式已不滿足解決高超聲速飛行器測控導航的需要。

中國第8個五年計劃開始，“氣動物理特性研究”列入國防空氣動力預研重點項目，先后針對鈍錐和鈍錐/翼組合體的再入目標特性，開展計算和實驗研究。

中國空氣動力研究與發展中心計算空氣動力研究所數值算法，建立了適用于復雜外形的高溫氣體/非平衡流場計算軟件。中國空氣動力研究與發展中心第五研究所完成氣動物理靶配套改造，利用氣動物理靶、高頻等離子體風洞、高超聲速推進風洞等設備，開展了鈍錐模型再入光電特性和尾流場特性實驗研究。

中國科學院力學研究所采用工程和數值算法，建立了鈍錐再入體目標特性計算分析軟件。利用爆轟驅動激波風洞開展了鈍錐體模型流場光電特性測量研究。

中國在等離子體中電磁波傳輸特性研究方面做過相關的理論分析和實驗研究工作，定性地得出了一些結論。20世紀80年代，中國科學技術大學和中國科學院力學研究所分別開展了再入等離子體對天線阻抗特性影響、再入等離子體鞘套中電磁波的傳播特性研究與分析。20世紀80年代，中國科學院力學研究所利用800 mm高溫激波管進行了等離子體電磁波傳輸特性的實驗研究。20世紀90年代，電子科技大學分別開展了再入等離子體對天線阻抗特性影響、再入等離子體鞘套中電磁波的傳播特性研究與分析。近年來電子科技大學與中國空氣動力研究與發展中心、中國運載火箭技術研究院、超高速空氣動力研究所等單位合作開展了微波在等離子體中傳輸效應初步研究以及太赫茲波在等離子體中傳播特性初步研究，具有較強研究基礎。目前，中國對電磁波在薄層等離子體中的傳輸機理認識不清楚，缺乏一個能夠準確地描述電磁波在薄層等離子體中傳輸效應的理論模型，不能滿足實際工程中定量研究的需要。

2 研究難點

黑障問題危害后果嚴重，是發展空間飛行器、再入飛行器以及未來高超聲速飛行器的共性瓶頸問題。

隨著空間飛行器的發展，黑障效應備受關注。黑障的存在給空間飛行器飛行試驗造成極大的技術風險，可能造成飛行試驗數據無法獲取，飛行試驗無效，無線電導航無法實現嚴重影響飛行器命中精度，無線電外彈道測量困難無法對飛行器進行實時跟蹤、測量，飛行彈道偏差后無法實施遙控炸毀引起重大經濟、人員損失等重大風險，嚴重影響了空間飛行器的研制和試驗。

同時飛行器再入過程也會出現通信中斷的問題。NASA早在20世紀50年代就注意到飛行器以超高速再入地球大氣層時存在著通信中斷問題。如：1965年3月宇宙飛船雙子星座3號以馬赫數為21.5返回時，通信中斷180～240 s；1969年7月20日阿波羅11號飛船返回時，通信中斷120 s；1969年11月24日阿波羅12號飛船返回時，通信中斷189 s；1981年4月14日，哥倫比亞號航天飛機，首次試飛按預定計劃返回地面，大約在80 km高空進入大氣層后，航天飛機與地面之間的通信中斷900 s，直到55 km高空時，速度從約26 875 km/h減慢到13 357 km/h以后，才恢復與地面通信聯系。

因黑障問題導致的通信中斷也是中國自行研制的神舟系列飛船一直面臨的難題，通信中斷十余秒，嚴重影響了對飛船的跟蹤和出現異常情況下的搜救。

由于等離子鞘套下信息傳輸問題的解決涉及空氣動力學、材料學、熱學、等離子體物理學與通信理論等多個學科，其理論難度大、危害后果嚴重、解決周期長，是世界性難題。目前還沒有成體系地開展理論和應用基礎研究，嚴重制約了空間飛行器的發展。

根據目前國內外研究，實現空間飛行器等離子體鞘套下的信息傳輸存在挑戰性的難點問題，主要表現在如下方面：

a）等離子體內電磁傳播相位和調制特性。

高超聲速飛行器常采用電磁探測系統，用于導航、末制導、遙測或通信。飛行器周圍等離子體的介電特性不同于普通材料，是一種色散電介質，它的介電常數是個復數，實部和虛部的數值是等離子體的電子密度、電子與其他粒子的碰撞頻率以及電磁波頻率的函數。與電磁波在普通電離氣體，例如大氣電離層中的傳輸情況相比，高超聲速飛行器周圍等離子鞘中的電磁波傳輸有其明顯特點：相對于飛行器上接收或發射天線，等離子鞘是高超聲速流動著的；與電磁波波長相比，飛行器頭身部等離子鞘的厚度很簿；在等離子鞘內電子密度分布的變化十分劇烈；飛行器底部區由于流動復雜、尾跡很長，等離子體較厚、電子密度的變化很大；等離子鞘位于彈載發射或接收天線附近的區域。當飛行器周圍氣流變成湍流流態時，等離子鞘的狀態更為復雜。因此，飛行器上的電磁波類探測器，如GPS導航和制導、雷達末制導等，電磁波通過等離子鞘傳播過程中，都會被等離子鞘反射、吸收，波束強度衰減，并出現偏折、延時、相移等效應，導致探測器出現瞄視誤差、定位誤差、作用距離縮短、信噪比下降。高超聲速飛行器上傳輸數據除電離層修正外，還要進行等離子鞘傳輸效應修正。情況嚴重時電磁波傳輸完全中斷，出現返回式航天器和洲際彈道導彈再入時遇到的“再入通信中斷”（又稱黑障）問題。針對這一問題，在工程中可以更改飛行器的結構外形來實現空氣動力學性能的改變，使之有利于再入通信，但對于總體設計人員，則要考慮隨之而來的載荷容量、飛行彈道及飛行器與火箭的匹配性問題。另外，還可以通過改變飛行程序和傾角，從而改變再入時的能量轉換過程及自由電子空間分布情況。上述兩種方法在工程中可以結合使用以達到更好的效果。

b）影響流場參數解算的各種因素。

隨著空間高超聲速飛行器的不斷發展，其外形結構往往十分復雜，不僅可能包括提供升力的飛行翼面、改變飛行姿態的控制舵面，而且還可能加載如飛行支架、信號接收發射器、光學窗口/頭罩等附屬裝置。這種復雜的外形結構給空間飛行器等離子體鞘套的預測帶來很大困難：一方面各種部件之間相互耦合干擾使流動變得更加復雜；另一方面影響等離子體分布的因素也會進一步增加。因此對于復雜外形飛行器，不能依據簡單外形飛行器的飛行數據直接外推，而應該作單獨研究。在飛行器表面附近，高溫氣體組分與物面碰撞，會發生催化復合反應，這就是表面催化效應。催化效應放出大量的結合能，顯著改變流場的氣動特性，進而影響流場等離子分布。催化效應的強弱與很多因素相關，如復合反應類型、環境溫度、表面材料催化能力、表面粗糙度等，因而很難表征，常做簡化處理，只研究2種極限情況——完全催化和完全非催化，還缺乏細致研究[9,10]。此外，由于空間高超聲速飛行過程中強烈氣動加熱，飛行器表面往往需要進行防熱設計，表面防熱材料在高溫下會發生燒蝕反應，燒蝕產物進入等離子體流場，影響和改變流場中的等離子體參數的分布特性。目前，在工程中通過在飛行器表面的防燒蝕材料中加入一些親電子的物質，如氧化鋁等，當再入時該混合物質自動釋放到等離子體中，使周圍環境中的自由電子降低，可以解決這個問題，但所帶來的代價是飛行器通信天線飛行過程中因涂敷該混合材料帶來的通信增益降低。

c）等離子鞘套下的頻段選擇問題。

頻率介于0.1～l0 THz（波長30 μm～3 mm）的電磁輻射稱為太赫茲（Terahertz，THz）輻射。因此， 0.2 THz以上的無線通信技術又稱為太赫茲通信。太赫茲波因為頻率高，具有穿透等離子體的能力，因而這一頻段有可能與空間飛行器進行通信和遙測。此外，基于太赫茲波的無線通信技術還具有寬帶、高速以及高保密性等特性。相對于現有的微波無線寬帶通信技術，THz 波的帶寬和訊道數更多，特別適合作衛星間、星地間及局域網的寬帶移動通訊。在外層空間，太赫茲波可以無損耗傳輸，用很小的功率就可以實現遠距離通信。而相對于現有光通信而言，其波束較寬，容易對準，量子噪聲較低，天線系統可以實現小型化、平面化。因此，進行等離子鞘套下的太赫茲無線通信技術研究，不但對于突破空間超聲速飛行器的通信技術障礙具有重要價值，而且也有利于掌握未來寬帶通信核心技術，力爭在未來高速寬帶通信技術中擁有一席之地也具有重要戰略意義。目前，在實際工程應用中，采用Ku頻段、Ka頻段進行傳輸的同時，考慮雨和大氣等環境造成的衰減，通過增大發射功率或發射天線增益（高EIRP）以增加透射信號強度、減少接收信號門限值，即可解決此問題，但同時帶來的是質量和功耗的增加。

d）再入段的等離子鞘抑制技術。

傳統再入飛行器飛行過程中，依靠存儲技術延后獲取飛行狀態，僅僅解決了“事后”獲取黑障區中飛行器的飛行狀態問題。在高速飛行器再入精確打擊以及全程安控等需求的前提下，要求對執行精確打擊的再入飛行器進行不間斷測控導航和安全控制，實現對目標的精確打擊。不可能利用存儲技術實現不間斷測控，即使黑障區依賴慣性導航，其累計誤差在黑障數分鐘內足以造成較大偏差，待脫離黑障區時高度僅有20～30 km左右，再進行變軌調姿的范圍十分有限。因此需要研究再入段的等離子鞘抑制技術，以支撐高速飛行器再入精確打擊下的不間斷測控導航以及安控需要。

e）等離子通信地面的實驗驗證環境。

由于再入搭載實驗代價高、風險大、數據難以取回，研究等離子鞘套電磁傳播、研究鞘套抑制技術、開展驗證性實驗都需要地面的等離子鞘套模擬環境。目前，在地面產生含等離子高速流場的方法主要有激波管、電弧風洞等手段，但這些手段設計之初衷是模擬高速流場，不是為通信實驗設計的。由于激波管內等離子持續時間短（<1 ms），遠不足進行一次有效的測控/導航通信幀傳輸，且電子密度不可連續調節[11]；電弧風洞高溫具有高溫破壞性，被試天線和饋線必須覆蓋防熱層，空間防繞射難以實現，噴流內混有大量金屬離子且實驗耗電代價高昂。因此為了在實驗室環境下進行通信/導航實驗，需要有長時間持續、密度連續可控、無破壞性、可模擬鞘套變化、實驗代價低的新實驗手段。

3 結束語

近年來，各航天大國都在積極拓展和搶占空間領域，通過對黑障抑制技術的研究，提高飛行器在等離子體鞘套下的通信保障能力，解決空間飛行器導航、數據遙測、通信和電子對抗的難題，對于中國發展空間飛行器具有重要的戰略意義。

[1] Akey N D. Overview of RAM reentry measurements program, in proceedings, the entry plasma sheath and its effects on space vehicle electromagnetic systems[M]. Hampton: NASA Langley Research Center, 1970.

[2] Zheng L, Zhao Q, Liu S Z, et al.Theoretical and experimental of 35GHz and 96GHz electromagnetic wave propagation in plasma[M]. Cambridge: Progress In Electromagnetics Research, 2012.

[3] Zheng L, Zhao Q. Simulation of the electromagnetic waves transmission in plasma[C]. Harbin: 2011 International Conference on Electronic & Mechanical Engineering and Information Technology, 2011.

[4] 鄭靈, 趙青, 羅先剛, 等. 等離子體中電磁波傳輸特性理論與實驗研究[J]. 物理學報, 2012, 61(15): 155203.

Zheng Ling, Zhao Qing, Luo Xiangang, et al. Theoretical and experimental studies of electromagnetic wave transmission in plasma[J]. Acta Physica Sinica, 2012, 61 (15): 155203.

[5] Park C. Problems of rate chemistry in the flight regimes of aeroassisted orbital transfer vehicles[J]. Progress in astronautics and aeronautics, 1985, 96(9): 511-537.

[6] Miner E W, Lewis C H. Hypersonic ionizing air viscous shock—Layer flows over nonanalytic blunt bodies[R]. NASA CR-2550, 1975.

[7] 侯中喜, 易仕和, 李樺. 高精度高分辨率WENO格式分析與改進[J]. 國防科技大學學報, 2003, 25(1): 12-15.

Hou Zhongxi, Yi Shihe, Li Hua. Analysis and improvement of high precision, High resolution WENO schemes[J]. Journal of national university of defense technology, 2003, 25(1): 12-15.

[8] Hartunian R A, Stewart G E, Fergason S D, Curtiss T T, Seibold R W. Causes and mitigation of RF blackout during reentry of reusable launch vehicles[R]. ATR-2007(5309)-1, 2007.

[9] 湯煒. ADI-FDTD及其混合算法在電磁散射中的應用[D]. 西安: 西安電子科技大學, 2005．

Tang Wei. Application of alternative direction implicit FDTD method and its hybrid algorithms in electromagnetic scattering[D]. Xi’an: Xidian University, 2005.

[10] 張玉. FDTD與矩量法的關鍵技術及并行電磁計算應用研究[D]. 西安:西安電子科技大學, 2004．

Zhang Yu. The key techniques of FDTD method and moment method, and their applications in parallel electromagnetic computation[D]. Xi’an: Xidian University, 2004.

[11] Liu Jun. Experimental and numerical research on thermochemical nonequilibrium flow with radiation phenomenon[D]. Changsha: National University of Defense Technology, 2004.

Development Status and Difficulties of the Technology of Blackout Suppression

Ren Ning1，Xi Bin2，Li Xiao-fei1

(1. Beijing Institute of Astronautical System Engineering, Beijing, 100076; 2. China Aerospace Academy of Systems Science and Engineering, Beijing, 100048)

Blackout phenomenon is one of the difficult problems that need to be solved urgently in the field of astonautical TT&C at home and abroad. The communication interruption caused by the “Blackout” phenomenon needs to be solved in injection and returning of satellite and other spacecraft. This paper mainly solves the causes of the “blackout” phenomenon, as well as the current research difficulties and research status of the “blackout” effect method.

Blackout; Plasma; Plasma sheath

1004-7182(2018)01-0122-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20180124

V44

A

2016-03-10；

2017-12-19

任 寧（1984-），女，工程師，主要研究方向為電磁場與微波技術、微波通信、無線測控與通信等