临近空间高超声速飞行器黑障问题研究综述

龚 旻，谭 杰，李大伟，马 召，田冠锁，王暕来，孟令涛

(中国运载火箭技术研究院，北京 100076)

0 引 言

当飞行器以马赫数10以上的速度在大气层内飞行时，由于强激波压缩和高速摩擦作用使空气中的氧分子和氮分子存在不同程度的离解和电离等化学反应，在飞行器周围形成一层一定厚度的等离子体，称为等离子体鞘套。电磁波穿过等离子体鞘套时能量会被吸收、散射和反射，造成信号幅值衰减、相位畸变，严重时导致信号传输中断，即产生黑障现象。黑障现象将导致飞行器卫星定位中断、通信数据链失锁、测控信号丢失、人在回路的任务规划以及控制指令传输中断等严重问题，因此解决黑障问题显得极为迫切。黑障问题的发现源于20世纪60年代美国的阿波罗太空计划[1]。半个多世纪来，国内外研究者针对黑障问题开展了大量研究工作，取得了一些可喜成果，但离彻底解决该问题仍有较大差距。从整体上看，黑障问题研究大致可划分为三个阶段：1)第一阶段，主要通过飞行实验来研究等离子体鞘套对通信中断的影响以及相关的消除方法。20世纪60至70年代，美国空军和航空航天局通过烈火项目[2]、无线电衰减测量(Radio attenuation measurement, RAM)项目[3]、水星项目[4]、双子座项目[5]和开拓者项目[6]等探索和验证了消除黑障问题的手段和方法。2)第二阶段，黑障问题研究主要集中在数值仿真和地面实验研究等方面。20世纪80至90年代，由于测量手段的局限性以及飞行实验的高成本，且测量获取的实验数据仍遭受质疑，美国没有对通信中断进行专门的飞行实验。针对洲际弹道导弹通信需求，美国开发了等离子体流场模拟以及电波传输效应计算程序[7]。在实验方面，Chadwick等[8]在激波风洞中开展了L频段电磁波传输特性影响的实验研究，获得了电磁波在等离子体作用下的相位移动和衰减数据。(3)第三阶段研究工作主要集中在电磁波与等离子体相互作用的机理模型以及更为优化的黑障消除技术。1998年，欧洲航天局(European space agency, ESA)进行了大气层再入验证器(Atmospheric reentry demonstrator, ARD)飞行实验[9]，验证了不同工作频段、天线布局以及中继措施条件下黑障引起的电波损耗，为研究电磁波与等离子体作用机理积累了可靠数据。近年来，随着美国常规快速全球打击计划的提出以及以HTV-2和AHW为代表的临近空间高超声速飞行器的深入研究[10]，国内外对黑障问题的关注度持续上升，一大批新的理念、技术和材料等被广泛探索。

临近空间高超声速飞行器全程在大气层内滑翔或跳跃飞行，具备很强的突防能力，是目前高超声速领域的研究热点。与传统轴对称飞行器相比，其面临更加严苛的装填空间和重量限制以及防隔热方面的约束；另外，由于等离子体流场分布特性复杂、动态变化范围大、等离子体鞘套产生的时间长，使得等离子体鞘套对信息传输的影响愈发严重[11]。20世纪70年代形成的黑障消除技术，如磁窗法和亲电子物质注入等方式需要附加的设备过重、体积庞大，给飞行器设计带来极大复杂度。因此，亟需开展更加工程实用化的黑障消除技术研究。

黑障问题涉及等离子体物理学、高超声速空气动力学、电磁学和通信等多个学科内容，国内外有关黑障问题的研究内容甚为宽广。本文主要从等离子体与电磁波相互作用机理、等离子体流场和电磁波传播数值模拟、黑障地面实验以及黑障消除技术等方面总结相关学者的研究成果。

1 黑障现象产生机理

1.1 等离子体鞘套形成机理和基本特征

飞行器在高超声速飞行过程中，由于激波强烈的压缩作用和黏性滞止效应，使飞行器周围特别是激波层内的空气温度明显升高，气体之间产生离解、复合、置换和电离等复杂化学反应，形成等离子体鞘套。图1描述了典型航天飞行器在不同高度和速度区间下的空气热力学特性[12]。可以看出，在高空高马赫数条件下，等离子体流场为典型热化学非平衡流动，此时分子和原子的能量模式不能采用单一温度来描述，气体内能模式由平动温度、转动温度、双原子组分的振动温度和电子温度这四种不同的温度来描述，不同模式的能量之间还将产生能量交换过程，即能量松弛过程。另外，气体组分模型需要选用7组分或11组分模型，若考虑防热材料烧蚀，需要采用更多的组分模型。

图1 不同飞行高度和速度条件下空气热力学特性[12]Fig.1 Air thermodynamic properties of different flight height and velocity[12]

等离子体鞘套分布特征与气动外形和飞行工况密切相关，它呈现不均匀的空间分布。图2给出了欧洲过渡实验飞行器(Intermediate experimental vehicle, IXV)和平面型高超声速轨道再入巴士(Plane-shaped hypersonic orbital entry bus, PHOEBUS)等离子体频率分布[13]。可以看出，由于采用正攻角飞行，背风面等离子体频率比迎风面低一个数量级以上，这表明从背风面方向通信要比迎风面方向容易得多。另外，与IXV飞行器相比，细长体PHOEBUS飞行器等离子体频率较低，具有更好的通信能力。临近空间高超声速飞行器气动外形与PHOEBUS类似，其端头半径较小，以中等攻角飞行，60 km以上电子数密度较低，产生黑障效应的可能性不大。但另一方面，由于其采用滑翔弹道，因此黑障现象有可能持续更长的时间。

图2 等离子体频率云图(80 km, Ma 25; 单位GHz)[13]Fig.2 Plasma frequency contours (80 km, Ma 25; Unit GHz)[13]

1.2 等离子体中电磁波传播机理

等离子体由自由电子、离子等带电粒子以及中性粒子(原子、分子等)组成，宏观上呈现准中性。电磁波在等离子体中传播宏观上表现为电磁波的吸收、散射、反射等现象，传播特性与等离子体的电子密度、特征频率和碰撞频率相关。主要表现为：1)电磁波衰减与等离子体电子密度成正相关；2)当电磁波频率低于等离子体频率时，电磁波会迅速衰减或产生全反射，引发黑障现象。当电磁波频率高于等离子体频率时，电磁波可低损耗地在等离子体中传播；3)电磁波频率、等离子体频率和碰撞频率接近时，电子振荡共振和碰撞共振共同作用，等离子体对电磁波表现为吸收特性；4)当等离子体层厚度与电磁波波长可比拟时，电波衰减符合薄层修正模型，但目前对薄层现象的机理说法不一[14]。

电磁波传播特性与等离子体鞘套参数及分布特性紧密相关。Mather等[7]研究了飞行工况对等离子体鞘套空间分布及电波传播特性的影响，印证了优化天线布局缓解黑障问题的可行性。赵汉章等[15]研究了电磁波在电子密度呈正态分布的等离子体鞘套中的传播，推导出了反射系数、透射系数表达式。近年来，诸多学者开始关注等离子体鞘套动态特性对电波传播的影响。文献[16-18]针对等离子体鞘套黑障效应进行了系统深入研究，利用理论方法和实验方法分析了电子密度变化、压力波动等时变特性对等离子体鞘套衰减特性的影响，并对任意入射的不同极化波传输特性进行了讨论，研究表明等离子体动态特性不仅会使信号衰减产生波动，同时伴随调制效应。另外，等离子体衰减不仅包括频率变化而引起的变化，还包括极化电流、等离子体湍流导致的非线性效应。

1.3 等离子体鞘套信道特征

等离子体鞘套信道特征包含幅度衰减造成的大尺度衰落和由于动态特性引起的小尺度衰落，其中动态特性是研究等离子体鞘套信道特征的关键。

早在20世纪70年代，国外在RAM-C遥测数据中就已经发现了幅度和相位的抖动变化，幅度抖动可达25 dB，相位抖动偏移严重时可达200°[3]。1999年，Ohler等[19]研究了动态等离子体引起信号幅度和相位调制的物理机理[19]，通过等离子体尾焰的通信实验发现，等离子体动态特性会引起通信信号频谱弥散，并在载波功率谱上产生寄生频率分量。此后，Yao等[20]又对等离子体鞘套电子密度的动态多尺度特征进行了深入研究，得到了动态环境下电磁波幅度和相位的统计模型。石磊等[21]提出了一种考虑动态等离子体鞘套的高超声速飞行器信道建模方法，将等离子体鞘套引起的相位偏移定义为信道小尺度衰落特征。贺国龙等[22]通过仿真研究后指出，电磁波在等离子体鞘套中传播时，幅度服从对数正态分布，相位服从瑞利分布。

不同的调制信号在等离子体鞘套中传播时，表现出不同的信道特征。杨敏等[17]采用大面积辉光放电等离子体发生装置研究了动态等离子体鞘套对调频信号的影响机理。研究表明，虽然在载波频率大于等离子体截止频率的情况下，电磁波衰减会显著降低，但等离子体鞘套的动态特性会导致寄生调制效应，使星座图产生旋转，从而导致信号检测判决裕度降低。Lv等[23]采用激波管实验装置构建了时变等离子体测试环境，同样发现了星座图旋转的现象，而相比相位调制信号，脉冲调制和频率调制信号具有更高的信息可达率。严匡武等[24]针对存在多径衰落的脉冲编码调制/调频的再入遥测系统，分析了双径模型的幅度失真、延迟失真、信道衰减因子、码速率等对接收机带来的影响，认为延迟失真与信道衰减因子的共同作用将改变接收机性能边界，该文为工程中合理设计再入遥测系统提供了参考。

研究等离子体鞘套信道特征的难度主要在于动态特性影响下的小尺度衰落建模，而小尺度衰落建模的关键在于等离子体鞘套真实的功率延迟谱和多普勒功率谱的获取。目前，等离子体鞘套信道模型的研究并不完善，仍需要进一步深入研究。

2 黑障现象仿真研究

鉴于利用飞行实验获取等离子体鞘套参数的代价过于高昂。近年来，随着CFD、CEM以及计算机技术的发展，数值模拟逐渐成为研究等离子体鞘套特征参数和电磁特性的主要手段。本节从等离子体流场和电磁波传播特性数值模拟两个方面，对相关研究进展进行综述及分析。

2.1 等离子体流场数值模拟

高超声速飞行器周围的等离子体流场分布特性，决定了等离子体鞘套的等效电磁参数，是相关研究的前提和基础。20世纪80年代末，Candler等[25]采用7组分模型首次实现了RAM-C Ⅱ飞行实验等离子体流场数值模拟，结果表明7组分模型与飞行实验结果吻合较好；另外，单个统一的振动温度可以近似描述振动能非平衡效应，但文中提到振动-电子能交换模型有待进一步完善。Scalabrin等[26]采用7组分双温度模型对RAM-C Ⅱ飞行器流场进行了数值模拟，认为温度模型和扩散系数是造成计算结果差异的主要原因之一。高铁锁等[27]比较分析了两种典型化学模型对电子数密度的影响，相对于Dunn-Kang模型，总体上Park模型与飞行测量数据较为一致。另外，Andrienko等[28]的研究结果表明，对于高空强热化学非平衡流动，采用Park模型和Treanor-Marrone离解优先模型得到的电子数密度分布与飞行测量结果吻合较好。

近年来，Kim等[29]考虑了电子能非平衡效应(Te≠Tv)，认为在高超声速强非平衡条件下，电子温度对通信黑障预测起重要作用。Farbar等[30]在Kim等工作基础上，对RAM-C和Stardust飞行器流场进行了数值模拟，认为电子能非平衡效应将显著改变电子数空间分布与量级。郝佳傲[31]采用描述电子能非平衡的三温度模型，结合11组分化学反应模型，对多种高温热化学非平衡流场开展了数值模拟，结果表明三温度模型的预测效果更好。

对于临近空间高超声速飞行器，其飞行剖面包含了整个滑移流区及部分过渡流区域，存在显著的稀薄气体效应。邵纯[32]采用包含高阶本构关系的简化常规Burnett(Simplified conventional burnett, SCB)方程和N-S方程，开展了跨流域环境下的等离子体鞘套数值模拟分析研究。结果表明，进入滑移过渡流域后，稀薄效应对等离子体流场的作用显著增强，SCB方程得到的头部等离子体鞘套更厚，自由电子浓度更高。

通过上述分析，可以看出：对于高空强热化学非平衡流动，振动离解模型和电子能非平衡效应对电子数密度影响较大，采用三温度模型和Treanor-Marrone离解优先模型可以获得更准确的电子密度空间分布；另外，为了真实全面获得高超声速飞行器等离子体分布特性及特征参数，热化学非平衡与稀薄气体耦合效应对电子密度的影响需要进一步深入研究。

2.2 电磁波传播数值模拟

从20世纪60年代开始，国外研究者就对等离子体中电波传播特性开展了大量数值模拟研究，根据方法原理可以分为两大类：一类是理论方法，主要有解析法、分层方法、传输线方法、WKB(Wentzel-Kramer-Brillouin)方法[33]，另一类是全波方法，主要以时域有限差分(Finite difference time domain, FDTD)方法[34]为代表。

解析法求解等离子体中的波动方程，得到波的反射系数、透射系数等参数，是求解等离子体中电波传播特性最精确、最具有明确物理意义的理论方法[35]。分层方法是在解析方法的基础上，将等离子体层的法向空间分布用离散的等离子层来近似，通过求解各层分界面处的反射场和透射场，叠加得到法向非均匀分布的等离子层反射和透射特性。传输线方法则是采用二端口网络串联的形式等效分层等离子体介质，只需求解二端口网络的传输系数，通过将压力等参数与传输线方程耦合，可以得到不同参数变化对电波传播特性的影响[16,36]。WKB方法适用于介质缓变的非均匀介质，即可以将此介质看作细小的多段均匀介质来处理，适合分析等离子体鞘套对电磁波的作用特征和规律[37-38]。综合来看，这类方法主要用于研究一维等离子体反射、透射机理，不适用于复杂气动外形。

全波方法在解决复杂等离子体分布中具有优势，目前FDTD方法是求解色散介质中电磁场问题的重要方法。等离子体特性可用一个与频率相关的介电常数来描述，将介质本构关系通过FDTD方法离散，与麦克斯韦方程组耦合求解。为提升计算效率、降低计算资源需求，无条件稳定的FDTD方法被引入到色散媒质的求解中[34]，但数值色散误差有所增加。随着计算机技术的不断提升，工程实践中采用CFD与CEM相结合求解多学科耦合复杂问题已成为研究热点[39]，其中CFD-FD2TD混合方法仿真结果与飞行实验数据具有良好的一致性。

通过对以上仿真方法优缺点的对比分析，可以看出：在飞行器方案论证初期可采用WBK等理论方法进行电波传播特性的快速预测；在工程研制阶段，可采用FDTD方法对实际工程外形等离子体鞘套中的电波传播特性进行精细模拟。

3 黑障现象地面实验研究

实验方法是研究黑障现象最为直接准确的途径。在研究初期，美国、俄罗斯等国相继组织了大量飞行实验来研究黑障效应产生机理及消除技术。然而飞行实验因其成本高、数据获取量低，逐渐被地面实验所取代。

3.1 等离子体地面模拟方法

根据产生等离子体的工作原理可以将等离子制备和研究设备分为热等离子体实验设备和冷等离子体实验设备。

3.1.1热等离子体实验设备

激波风洞/激波管、电弧风洞和感应耦合等离子体风洞通过产生比较接近真实飞行状态的流场或温度来激发等离子体，是开展黑障研究常用的实验手段。下面对其工作原理进行简要介绍。

激波风洞/激波管采用高压气体破膜的方式产生超高声速激波，压缩实验段内的气体从而产生高温等离子体，其电子密度可以达到1013/cm3[40]。但激波风洞稳定持续时间很短，一般为几毫秒至百毫秒，难以进行天线特性测量、通信系统验证等需要长时间持续的实验。另外，其实验重复性较差。

电弧风洞利用正负电极放电产生的大功率电弧将空气加热至高温高压状态，能够提供长时间稳定运行的高焓等离子体射流。但由于流场存在金属铜离子以及其它电极粉末污染，在一定程度上改变了等离子体的电波传播特性。

感应耦合等离子体风洞采用感应加热的方式产生纯净的、长时间稳定运行的高焓等离子体射流。常规条件下，电子数密度范围为1010/cm3～1013/cm3，碰撞频率范围为109Hz～1010Hz，是开展等离子体对电磁波传输特性影响研究的理想设备[41]，其主要的不足是难以产生大面积等离子体。

3.1.2冷等离子体实验设备

近年来，冷等离子体源模拟设备因其小型化、可控性、成本相对较低等优点，在电波传播特性研究中被大量采用。谢楷等[42]利用低气压辉光放电原理在地面产生了大面积、长时间稳定持续、密度可控的等离子体。但受放电机理的制约，其电子密度上限为2.5×1011/cm3左右，碰撞频率小于108Hz，难以模拟中低空条件等离子鞘套。

螺旋波等离子体源是近年来发展起来的一种新型射频放电等离子体源[43]，其利用一种特定的环绕于玻璃或石英管外壁的天线激发起磁化等离子体中的一种右旋极化波共振，可以非常有效地通过朗道吸收加热电子，产生高密度等离子体(可达1014/cm3)，其主要缺点是存在静磁场问题。

3.2 等离子体诊断技术

等离子体诊断技术主要包含侵入式和非浸入式两种方式。浸入式诊断技术最典型的应用是静电探针，该技术利用导电针尖测量等离子体的伏-安特性曲线，进而推算出电子温度、密度、能量分布、空间电位等参数，因其具有结构简单、测量范围宽、空间分辨率高等优点，其测量结果长期扮演标准值的角色，在飞行和地面实验中广泛应用[44-45]。然而这类方法需浸入等离子体内部，对探针的防热和强度要求较高，不适合在长时间气动加热环境下应用。非浸入式诊断技术主要有微波诊断和光谱诊断。微波诊断法利用电磁波与等离子体相互作用时的幅度和相位变化来诊断近似均匀等离子体电子密度等参数，广泛应用于实验室理论研究中。但受发射天线波束宽度限制，该方法的空间分辨率不高。光学诊断法利用光的折射特性、辐射特性对等离子体参数进行测量，典型应用有激光干涉诊断、光谱诊断等。这类诊断方法仪器设备复杂，目前只在地面实验中被采用，飞行实验中鲜有应用[14]。

3.3 地面实验结果分析

从20世纪90年代开始，国内外研究人员借助各类等离子体产生装置，针对通讯中断问题开展了大量实验研究。马平等[40]在粉末激波管中开展了X波段和Ka波段电磁波传输特性实验研究。实验中，通过控制起始压力和气体配分比，产生了电子数密度范围为7.0×1010/cm3～9.8×1014/cm3等离子体。实验得到的电磁波透射率随电子密度和碰撞频率的变换规律与FDTD计算结果基本一致。谢楷等[46]利用辉光放电装置研究了L频段和S频段电磁波在等离子体中的衰减特性。其中，等离子体厚度为18 cm，直径30 cm，电子数密度最大达到2×1011/cm3。实验结果表明：L,S频段电波持续产生了黑障现象(30 dB以上的衰减)。另外，等离子体薄层条件下的电波传播特性与经典理论基本相符，未观测到明显的薄层效应。马昊军等[41]在感应耦合等离子体风洞上研究了电子数密度范围为7.0×1010/cm3～1.0×1013/cm3、等离子体碰撞频率在10 GHz量级的等离子体对2.6 GHz～40 GHz不同频率电磁波传输特性的影响。实验结果表明，随着等离子体射流电子数密度的升高，发生明显衰减现象的频段增宽；另外，研究发现当电子数密度大于1×1012/cm3时，薄层理论相比经典理论与实测结果更加吻合。

需要指出的是，从临近空间高超声速飞行器黑障问题研究的需求来看，现有实验手段产生等离子体的空间和时间尺度不足，需要进一步发展地面设备以产生长时间、体积足够大(包覆飞行器表面)以及电子数密度足够高的等离子体鞘套环境。另外，有必要发展能够复现H=40 km～90 km,Ma=10～25飞行环境的超高速大型激波风洞，以全面准确地获得飞行器等离子体流场分布特性，为建立准确的等离子体鞘套信道模型提供支撑。

4 临近空间高超声速飞行器黑障消除技术

从20世纪60年代开始，人们就开始研究并提出了数十种黑障消除技术，从机理上可将其划分为以下四类：一是改进飞行器自身设计以降低流场中的电子密度，如气动成形法和弹道优化等；二是通过外加设备减小天线附近的电子密度，如亲电子物质注入、磁窗法等；三是补偿或抵消等离子体鞘套对通信链路的衰耗，如高功率法、高频法、激光法等；四是采用“迂回战术”绕过黑障问题，如中继法、存储法等。但由于黑障问题的复杂性，但目前为止还未获得普适意义上的工程实用解。

4.1 评估标准

与传统钝头型航天器相比，临近空间高超声速飞行器在气动布局、弹道特征和防隔热系统等方面存在较大差异，因此有必要对已有黑障消除技术进行深入评估分析，为后续工程设计提供技术支撑。本文从工程实用性角度，参考前人的评估方式[47]，结合临近空间高超声速飞行器的特点，根据以下十项标准对目前已有的黑障消除技术进行评估。

1)所需空间和重量：容积率对飞行器有效载荷装填空间和升阻比影响较大；飞行器重量增加则影响分离点速度，造成射程能力损失。

2)热环境适应性：临近空间高超声速飞行器面临严重的气动加热问题，黑障消除装置能否正常工作是需要重点考虑的因素。

3)功率需求：发射功率的增大会带来重量、空间和成本的问题。

4)通信质量：是否满足测控区间数据捕获以及传输速率的要求。

5)对现有通信基础设施的改变：如果要求新建专用基础设施，代价将巨大。

6)实验充分性：理论模型是否经过地面和飞行实验验证。

7)是否解决GPS问题：能否确保GPS信号正常接收。

8)能否单独解决问题：有的方法只能起到辅助作用，不能单独解决问题。

9)近期工程可实现性：是否有近期可能实现的工程解。

10)远期前景：某些关键技术突破后，工程应用前景较好。

4.2 评估结果和分析

本文采用层次分析法，综合考虑飞行器设计、空气动力学、防热材料、电磁场、通信、导航制导等专业的需求，对现有主要的黑障消除技术进行了定性评估，结果如表1所示。从表1可以看出，烧蚀材料法、气动成形法、高功率法、低频法、亲电子液体注入和三波作用法由于重量、空间、防热和功率等方面的原因，工程实现性较低；高频法、中继法和驻波检测技术成熟，可满足临近空间高超声速飞行器不同通信需求；磁窗法和激光法具有近期工程可实现性，而固体物质喷射技术、天线匹配技术和太赫兹技术在将来具有较强的应用潜力。下面对表1的结果进行说明和讨论。

4.2.1工程实现性较低的方法

在工程设计过程中，黑障消除技术受到诸多限制，如载荷重量、升阻比和防隔热约束等，不能为了解决通信问题而影响主要任务的完成。

1)烧蚀材料法：在飞行器防热材料中增加一定的金属氧化物，当防热材料烧蚀时，金属氧化物进入等离子体中与部分电子进行中和从而达到降低电子密度的效果[48]。该技术的主要缺点是难以对防热材料烧蚀速率进行精确控制，工程实现难度很大。

2)气动成形法：采用尖锐的气动外形或逆向喷流技术可以有效降低激波强度，减小等离子体鞘套厚度[49]。但尖锐的头部使飞行器容积率降低，影响有效载荷装填空间，并带来严重的气动加热效应，防热设计难度极大；另外，喷流技术只在高空低动压条件下具有较好效果，所以气动成形法只能作为一种辅助手段与其它技术配合使用。

表1 黑障消除方法定性比较Table 1 Qualitative comparison of approaches for mitigating communications blackout

注：表中“1”为较差，“2”为中等，“3”为较好。

3)高功率法：增大发射功率可增加发射信号的强度。但考虑器件的击穿电压，发射功率不能无限制增大；另外，在目前的通信频段，功率提高无法弥补等离子体鞘套带来的衰减，同时功耗和重量的增加均是总体设计不能承受的负担[47,50]。

4)低频法：当电磁波频率远低于等离子体频率时，等离子体衰减系数明显降低，因此采用低频率进行无线信号传输理论上是可行的[51]。但该方法无法得到较高的码速率，而且天线口径较大，无法适应临近空间高超声速飞行器有限空间约束。

5)亲电子液体注入：在等离子体鞘套中注入亲电子液体，促进电子与离子重新组合，降低电子密度，将有效改善黑障问题[5]。但临近空间高超声速飞行器黑障持续时间可能达数十分钟。液体注入带来大量的设备和液体重量，并增加系统复杂度，给总体设计带来极大的难度。

6)三波作用法：理论研究表明，基于等离子体的固有特性，在热等离子体条件下，利用作为激励源的强电磁波、通信电磁波信号和等离子体振荡波三种波之间的相互作用，可产生另一频率的斯托克斯波穿过等离子体[52]。该方法的优点是能有效解决卫星导航问题，但存在高功耗和高复杂度问题，同时大幅增加设备重量。

4.2.2目前工程实用方法

工程实用的黑障消除方法是指经过飞行实验验证，或成熟度较高可以推广到工程应用的方法，本小节介绍高频法、中继法和驻波检测技术。

1)高频法

等离子体鞘套中的电波传播特性表现出高通特性，采用高于等离子体频率的波段通信是克服黑障效应的有效措施[53]。目前Ku，Ka波段无线通信系统已经在型号研制中得到应用。2005年ESA充气再入和降落技术验证器使用了Ka频段，整个返回过程无线电信号只中断了几秒钟[54]。对于细长体气动外形，其等离子体频率低于钝头型航天器，因此，采用高频法更容易消除临近空间高超声速飞行器黑障现象。此外，采用相控阵体制提高天线增益，并选择低损耗频率窗口，可以有效减轻大气及云雨对电磁波的损耗。

2)中继法

中继法不试图直接减弱或消除等离子体鞘套的难题，而是利用等离子体鞘套空间分布不均匀的特点，将电磁波从鞘套较弱的方向传递至中继站或中继卫星，再传输至地面，避开直接对地面传输带来的巨大衰减。美国航天飞机重返大气层时，使用中继卫星通信系统，有效克服了黑障问题。此外，ESA飞行实验测量结果表明，受等离子体鞘套影响，GPS和遥测链路出现了不同程度的通信中断现象，而S频段中继链路没有产生通信中断[9]。

临近空间高超声速飞行器一般以10°左右攻角飞行，其背风面电子密度较低，如果在飞行器背风面安装S频段天线，在我国中继卫星系统的配合下，可以在一定程度上解决通信中断问题，但是链路损耗较大。目前有效的方式是结合高频法(Ka波段)和中继法的优势，保障全程高速数据通信。需指出的是，临近空间高超声速飞行器可能存在大范围的横向机动，采用Ka频段中继时，需采用相控阵体制，保证波束锁定中继卫星。

3)驻波检测技术

近年来，谢楷等[55]提出了驻波检测技术，该技术通过检测天线驻波比的变化，感知等离子体鞘套产生并反演电子密度，遥测系统利用检测信号可在黑障区自适应调整传输速率，达到确保关键遥测数据得以顺利传输的目的。该技术虽然牺牲了通信速率，但给出了一种主动感知电波传播特性，控制数据传输速率的黑障规避措施，且可以与现有遥测系统兼容。更重要的是以天线作为等离子体诊断设备解决了静电探针这类浸入式诊断方法在飞行器上应用时的热环境适应性问题，为飞行器等离子体鞘套特性感知提供了新手段，在工程上具有良好的应用前景。

4.2.3近期可能实现的工程实用方法

磁窗法和激光通信技术虽然目前在工程应用上存在一定难度，但其关键技术有望在5～10年取得突破，具有较好的近期工程应用前景。

1)磁窗法

通过外加磁场人为的调整飞行器表面电子分布，使自由电子在洛伦兹力的作用下作螺旋运动，改变电磁波在等离子体鞘套内的传播特性，使低于等离子体频率的右旋电磁波穿过等离子体鞘套，这种方法已在RAM飞行实验中得到验证。采用永磁体形成磁窗，可以简单易行地构建一个被动黑障消除装置，有研究者将永磁体与天线进行一体化设计[56-58]，在解决防热问题的同时实现GPS频段电波损耗降低。该方法的主要问题是需要产生较大的磁场强度(约1 T上下)，重量开销较大，但未来可通过磁介质材料减重进一步增强磁窗法的工程实用性。

近年来，利用磁窗和静电收集的消除系统(正交磁场法)在地面实验和数值模拟中得到了广泛验证[59-60]。该方法通过外加正交电场和磁场，使电子和离子发生霍尔漂移效应，同时利用外加电场的充电效应加速电子和离子复合，使阴极区域电子密度降低，以达到在较低磁场强度条件下降低传播损耗的目的。2013年，Stenzel等[61]提出了利用脉冲电流产生时变磁场的正交磁场法，进一步降低了对磁场强度的需求。相比传统的磁窗法，这类方法对磁场强度的需求较小(几千高斯量级)，具有较好的工程实用前景。

2)激光通信技术

激光在等离子体鞘套中可以低损耗的传播，被认为是解决黑障问题的有效手段[57,62]。但未来须在以下几方面进行技术攻关：(1)高动态环境下的对准技术尚需解决；(2)高超声速飞行条件下的气动光学效应对收发性能的影响尚需解决；(3)受大气湍流等大气效应的影响，激光链路的建立和通信仍存在困难。虽然飞行器激光通信技术应用还面临诸多困难，但依旧是未来解决黑障问题的重要手段。

4.2.4未来具有工程应用潜力的方法

近年来，随着美国登陆火星计划的提出以及临近空间高超声速飞行器的深入研究，诸多学者进行了黑障消除新技术的探索和实验，为未来工程上解决黑障现象提供了新的途径和方法。其中固体物质喷射技术、天线匹配技术和太赫兹技术具有较好的远期工程应用前景。

1)固体物质喷射技术

近年来，Gillman等[63]研究了采用固体亲电物质消除黑障效应的方法，通过阴极斑点弧喷射金属氧化物来吸附电子，降低电子密度从而缓解黑障效应。采用固体物质喷射技术相比传统的亲电液体注入方式有效降低了附加设备重量，同时，这种方式可以利用外加磁场对固体粉末抛撒进行有效控制，在未来具有较好的应用前景。目前这种消除技术还处在实验室阶段，需要在飞行器上开展应用研究。

2)天线匹配技术

相关研究表明，在天线与等离子体层之间增加一层特殊材料可以实现天线与等离子体鞘套的阻抗匹配，可在特定频点产生传输增益，从而实现黑障现象的消除[64]。该类方法为无源技术，不增加飞行器重量和空间负担、无额外功耗。但现阶段该方法的发展受限于材料本身的特性、介电常数调控技术以及匹配层会引入相位误差的补偿技术。

3)太赫兹技术

太赫兹频段介于毫米波与光频之间，具有强穿透性、高带宽、高速率等优势，是近年来通信领域的研究热点[65-66]，也是未来解决黑障问题的可能手段。然而目前太赫兹技术的实用还需要解决器件发射功率的瓶颈，并建立太赫兹在等离子体鞘套中的信道模型。

5 结 论

黑障问题经过50余年的研究，已经形成大量研究成果。目前，黑障现象产生机理逐渐被揭示，相关数值模拟方法趋于成熟并得到广泛应用，等离子体实验覆盖能力逐渐提升，黑障消除技术逐步走向工程实用。但目前对于临近空间环境下等离子体鞘套特性和电波传播规律的认知仍存在明显不足。临近空间高超声速飞行器黑障问题机理复杂且涉及多学科耦合优化，加之飞行实验数据匮乏，使得彻底解决该问题任重而道远。在后续黑障问题研究中，有如下几点建议：

1)进一步发展考虑热化学非平衡流动、防热材料烧蚀和跨流域的多物理场耦合数值模拟方法和相应的软件工具，以全面准确地获得真实飞行环境下的等离子体流场分布特性和特征参数。

2)加强临近空间高超声速飞行器机动飞行过程中等离子体鞘套参数动态特性及其电波传播特性的研究。发展高精度非定常等离子体流场数值模拟方法，创新相关实验方法和测试手段，建立有效的动态等离子体信道模型。

3)关注等离子体鞘套相关参数诊断技术，加强测量装置在飞行条件下的力/热环境适应性分析研究。充分利用各种飞行实验的机会，搭载直接测量或非浸入式测量设备，不断积累飞行实验数据，验证各种计算模型、仿真代码及实验室场景。

4)黑障消除技术应朝着更加工程化和实用化的方向发展，并形成一套行之有效的设计规范和实现流程，为高超声速飞行器不同使用模式下的导航、通信、测控、探测等无线系统方案设计提供多种实现手段和方法。