黑障抑制技术的发展现状与研究难点

任 宁，奚 斌，李晓斐

黑障抑制技术的发展现状与研究难点

任 宁1，奚 斌2，李晓斐1

（1. 北京宇航系统工程研究所，北京，100076；2. 中国航天系统科学与工程研究院，北京，100048）

黑障现象是目前国内外航天测控领域迫切需要解决的难点问题之一。高超声速飞行器、空间飞行器发射入轨飞行、卫星、宇宙飞船与航天飞机以及其他空间再入体返回地面，都需要解决黑障现象造成的通信中断问题。本文主要介绍了黑障现象产生的原因，对目前国内外抑制及减弱黑障效应方法的研究难点及研究现状进行了分析。

黑障；等离子体；等离子鞘

0 引 言

高速飞行器以马赫数为10～25的速度在大气层内飞行时与空气相互作用，使飞行器周围的空气被高速飞行的飞行器头部产生的超声速激波加热。当速度接近或超过马赫数为10时，由于粘性流和激波的作用，强烈的气体加热将导致飞行器表面附近的空气分子和原子被电离。激发含有等离子体的高温激波层，即所谓的包裹飞行器的“等离子鞘套”。等离子鞘套的密度为109～1014个/cm3，如此高密度的等离子体在频率远大于常规的L、S、X和C波段通信信号的频率范围（1～10 GHz），产生类似金属罩的屏蔽效果，造成导航、数传、遥测、遥控、安控等信息传输的中断，这一现象称为黑障。

黑障时间对于无动力弹道再入飞行器而言可持续4～10 min，而在需要变轨或低攻角飞行状态下，其持续时间更长，甚至可达数十分钟。现有的很多飞行器都存在黑障问题，而且会一直困扰未来高超声速飞行器、空间飞行器和再入飞行器等。

黑障的出现给高超声速飞行器和空间飞行器的测控导航、制导带来极大的困难。如果不能有效地解决通信中断问题，高超声速再入飞行器在黑障区将丧失机动性，导致突防能力严重下降。此外，飞行器周围的大量自由电子进入尾流区，又引起尾流雷达反射截面的增加，因而大大降低了飞行器的反识别能力。

1 国内外研究现状和发展趋势

空间飞行器再入通信问题与空间科学、航空与航天等均有直接关系。卫星返回地面、宇宙飞船与航天飞机以及其它空间再入体返回地面，都需要解决通信中断问题。

空间飞行器高速再入飞行过程中黑障效应的产生及程度与飞行器的外形、表面材料、飞行速度、飞行高度、收发信号的频率与功率、收发天线的位置与结构等因素有关。

抑制及减弱等离子体黑障效应的方法可分为2类：一类是通过减弱天线上方等离子体电子密度分布实现抑制，包括：加磁场及电场窗、气动外形设计、表面喷涂亲电物质、喷洒冷却水及亲电液体或固体等；另一类方法是设法提高电磁波在等离子鞘中的穿透能力，包括：提高通信频率（如采用Ku及Ka频段、太赫兹通信等）、提高发射功率、提高接收和发射天线增益、利用等离子体与电磁波之间的各种非线性作用（如非线性调制、三波相互作用、哨声波）实现通信等[1]。

1.1 国外研究现状和发展趋势

国外在空间高超声速及空间飞行器高温气体非平衡效应、等离子体分布预测研究方面已取得重大进展，配合各时期飞行器发展要求，进行了大量飞行和地面试验，研究空间飞行器等离子流场和电磁波传输效应，相应预测软件不断发展和完善，并得到广泛应用。

从20世纪50年代到80年代，国外宇航为解决高超声速再入飞行器通信中断问题进行了多种技术途径的研究，在理论研究和实际应用方面取得了显著成效。美国采用飞行试验和地面试验相结合的方法分析了无动力升力体滑翔飞行器、航天飞机、带动力的吸气式高超声速巡航飞行器等不同类型飞行器等离子体鞘套的电子密度、碰撞频率对电磁波传输衰减特性的影响，建立了等离子体条件下的高超声速飞行器通信评估软件，用于分析和预测无线电波在通过等离子体层时的衰减、飞行器进出黑障的高度、时间等情况，开展了改善气动外形、激光通信系统、高频无线电通信系统、喷射液体亲电子材料、减少防热材料的杂质含量、在天线窗口附近施加强磁场等减缓通信中断措施的技术研究[2,3]。

20世纪60、70年代，美国宇航局（NASA）与美国空军和空间合同商协作进行了一系列高超速飞行器等离子鞘的研究计划。

a）Fire计划（“火”计划）：该飞行计划由NASA发起，主要目的是确定钝头体以 11 km/s的速度再入大气层时的辐射和气动加热，同时获得了通信中断数据。通过比较分析对飞行和理论预测结果，完善了预测空气等离子体鞘的化学反应模型[4]（重点是电子-离子复合过程）。

b）Asset计划：该飞行计划由空军与俄亥俄州立大学、麦克唐纳飞机公司合作实施，主要目的是为了研究高超声速再入飞行器等离子体鞘套对通信系统的影响。在多次飞行试验中，测量了U形狭缝甚高频天线和X波段开口波导天线的阻抗，成功获取了甚高频、C波段与X波段通信讯号的衰减测量结果[5]。

c）无线电衰减测量（Radio Attenuation Measurement，RAM）计划：该计划是NASA在兰利中心开展的一个广泛的再入研究计划，其目的是通过理论预测和飞行试验研究再入等离子鞘对通信中断的影响和减缓方法。在多次飞行试验中，研究了气动外形与磁场窗口对减轻通信中断的有效性，验证了从天线阻抗计算等离子体特性的可靠性[6]。

d）MA-6与GT-3计划（水星计划与双子星计划）：在该项载人空间计划中，跟踪和记录了载人飞船的大量通信数据，分析了引起通信信号衰减的机制。研究表明：由于防热罩含有易电离物质，在低空严酷的气动热环境下，大量烧蚀产物将造成极为复杂的流体动力学与化学动力学耦合问题。因此，对再入讯号衰减的正确预测，不仅要考虑纯空气等离子体的影响，还必须考虑防热罩烧蚀产物的影响[7]。

e）TrailblazerⅡ计划（开路先锋Ⅱ计划）：该飞行计划由美国空军与俄亥俄州立大学协作开展。测量了各种雷达工作频率下（C波段与S波段）各种波导式天线的阻抗，探索了喷射液体对减轻再入通信中断问题的有效性。分析了等离子鞘对S波段狭缝天线的方向图、讯号衰减与阻抗失配的影响。通过上述各项研究，到70年代中期，美国再入通信中断问题的研究得到了长足的进展，基本明确了再入等离子鞘的形成机理，掌握了多种可能的缓和减轻措施，并发展了相应的等离子鞘诊断技术。

从20世纪80年代初开始，世界航天大国竞相开展了各类概念的超高速飞行器研究计划，如美国的NASP、AOTV，日本的HOPE以及欧洲的SANGER、HERMS和HOTOL等飞行器发展计划。这些航天飞行器的研制极大地推动了高超声速飞行器高温气体效应、非平衡效应和等离子体鞘套预测研究[8]。世界各国特别是美国、俄罗斯和欧洲相继建造和发展了许多高超声速实验设备。结合大量地面试验、飞行试验和理论分析，建立了完整的描述高温气体效应和非平衡的物理化学模型，测定了大量化学反应速率系数，建立了相关数据库，深入开展了辐射和气体动力学干扰效应研究。

20世纪90年代中期，美国以航天飞机和无线电衰减测量C（Radio Attenuation Measurement C，RAMC）飞行试验测试结果为依据，采用数值模拟的研究手段对非轴对称吸气式高超声速飞行器等离子体流场周围等离子体鞘套对电磁波传输影响进行了研究。

美国的一项计划目的是为安装在再入体上的GPS接收器建造一个半实物仿真试验平台。这个试验平台的核心之一是模拟再入等离子体对GPS接收器信号的衰减和延时效应系统。

欧洲制定的2008年至2010年基础技术研究计划中，列出了开展再入飞行器通信技术，目的是为了巩固和扩展电磁波与等离子体相互作用的机理模型，为再入飞行器通信系统的发展和天线辐射模式的预测提供依据。

1.2 中国研究现状和发展趋势

在中国，20世纪60年代开始遇到通信中断问题。由于这个问题十分复杂，涉及多个学科，未能开展深入的研究工作。20世纪70年代开始，中国把再入通信中断问题作为一个重要的技术难题，从地面模拟试验、理论计算方法研究和飞行试验测量等方面开展了大量的研究工作，进行了单项预研和技术途径的探索与研究，确定了以合理选择弹头外形和天线窗位置，在弹头防热材料中减少碱金属杂质含量并适当添加亲电子物质为主，结合采用高性能记忆重发遥测装置来解决再入通信中断问题。为了对高超声速再入精确打击飞行器进行全程控制和机动飞行，需要实时测控通信，记忆重发方式已不满足解决高超声速飞行器测控导航的需要。

中国第8个五年计划开始，“气动物理特性研究”列入国防空气动力预研重点项目，先后针对钝锥和钝锥/翼组合体的再入目标特性，开展计算和实验研究。

中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所数值算法，建立了适用于复杂外形的高温气体/非平衡流场计算软件。中国空气动力研究与发展中心第五研究所完成气动物理靶配套改造，利用气动物理靶、高频等离子体风洞、高超声速推进风洞等设备，开展了钝锥模型再入光电特性和尾流场特性实验研究。

中国科学院力学研究所采用工程和数值算法，建立了钝锥再入体目标特性计算分析软件。利用爆轰驱动激波风洞开展了钝锥体模型流场光电特性测量研究。

中国在等离子体中电磁波传输特性研究方面做过相关的理论分析和实验研究工作，定性地得出了一些结论。20世纪80年代，中国科学技术大学和中国科学院力学研究所分别开展了再入等离子体对天线阻抗特性影响、再入等离子体鞘套中电磁波的传播特性研究与分析。20世纪80年代，中国科学院力学研究所利用800 mm高温激波管进行了等离子体电磁波传输特性的实验研究。20世纪90年代，电子科技大学分别开展了再入等离子体对天线阻抗特性影响、再入等离子体鞘套中电磁波的传播特性研究与分析。近年来电子科技大学与中国空气动力研究与发展中心、中国运载火箭技术研究院、超高速空气动力研究所等单位合作开展了微波在等离子体中传输效应初步研究以及太赫兹波在等离子体中传播特性初步研究，具有较强研究基础。目前，中国对电磁波在薄层等离子体中的传输机理认识不清楚，缺乏一个能够准确地描述电磁波在薄层等离子体中传输效应的理论模型，不能满足实际工程中定量研究的需要。

2 研究难点

黑障问题危害后果严重，是发展空间飞行器、再入飞行器以及未来高超声速飞行器的共性瓶颈问题。

随着空间飞行器的发展，黑障效应备受关注。黑障的存在给空间飞行器飞行试验造成极大的技术风险，可能造成飞行试验数据无法获取，飞行试验无效，无线电导航无法实现严重影响飞行器命中精度，无线电外弹道测量困难无法对飞行器进行实时跟踪、测量，飞行弹道偏差后无法实施遥控炸毁引起重大经济、人员损失等重大风险，严重影响了空间飞行器的研制和试验。

同时飞行器再入过程也会出现通信中断的问题。NASA早在20世纪50年代就注意到飞行器以超高速再入地球大气层时存在着通信中断问题。如：1965年3月宇宙飞船双子星座3号以马赫数为21.5返回时，通信中断180～240 s；1969年7月20日阿波罗11号飞船返回时，通信中断120 s；1969年11月24日阿波罗12号飞船返回时，通信中断189 s；1981年4月14日，哥伦比亚号航天飞机，首次试飞按预定计划返回地面，大约在80 km高空进入大气层后，航天飞机与地面之间的通信中断900 s，直到55 km高空时，速度从约26 875 km/h减慢到13 357 km/h以后，才恢复与地面通信联系。

因黑障问题导致的通信中断也是中国自行研制的神舟系列飞船一直面临的难题，通信中断十余秒，严重影响了对飞船的跟踪和出现异常情况下的搜救。

由于等离子鞘套下信息传输问题的解决涉及空气动力学、材料学、热学、等离子体物理学与通信理论等多个学科，其理论难度大、危害后果严重、解决周期长，是世界性难题。目前还没有成体系地开展理论和应用基础研究，严重制约了空间飞行器的发展。

根据目前国内外研究，实现空间飞行器等离子体鞘套下的信息传输存在挑战性的难点问题，主要表现在如下方面：

a）等离子体内电磁传播相位和调制特性。

高超声速飞行器常采用电磁探测系统，用于导航、末制导、遥测或通信。飞行器周围等离子体的介电特性不同于普通材料，是一种色散电介质，它的介电常数是个复数，实部和虚部的数值是等离子体的电子密度、电子与其他粒子的碰撞频率以及电磁波频率的函数。与电磁波在普通电离气体，例如大气电离层中的传输情况相比，高超声速飞行器周围等离子鞘中的电磁波传输有其明显特点：相对于飞行器上接收或发射天线，等离子鞘是高超声速流动着的；与电磁波波长相比，飞行器头身部等离子鞘的厚度很簿；在等离子鞘内电子密度分布的变化十分剧烈；飞行器底部区由于流动复杂、尾迹很长，等离子体较厚、电子密度的变化很大；等离子鞘位于弹载发射或接收天线附近的区域。当飞行器周围气流变成湍流流态时，等离子鞘的状态更为复杂。因此，飞行器上的电磁波类探测器，如GPS导航和制导、雷达末制导等，电磁波通过等离子鞘传播过程中，都会被等离子鞘反射、吸收，波束强度衰减，并出现偏折、延时、相移等效应，导致探测器出现瞄视误差、定位误差、作用距离缩短、信噪比下降。高超声速飞行器上传输数据除电离层修正外，还要进行等离子鞘传输效应修正。情况严重时电磁波传输完全中断，出现返回式航天器和洲际弹道导弹再入时遇到的“再入通信中断”（又称黑障）问题。针对这一问题，在工程中可以更改飞行器的结构外形来实现空气动力学性能的改变，使之有利于再入通信，但对于总体设计人员，则要考虑随之而来的载荷容量、飞行弹道及飞行器与火箭的匹配性问题。另外，还可以通过改变飞行程序和倾角，从而改变再入时的能量转换过程及自由电子空间分布情况。上述两种方法在工程中可以结合使用以达到更好的效果。

b）影响流场参数解算的各种因素。

随着空间高超声速飞行器的不断发展，其外形结构往往十分复杂，不仅可能包括提供升力的飞行翼面、改变飞行姿态的控制舵面，而且还可能加载如飞行支架、信号接收发射器、光学窗口/头罩等附属装置。这种复杂的外形结构给空间飞行器等离子体鞘套的预测带来很大困难：一方面各种部件之间相互耦合干扰使流动变得更加复杂；另一方面影响等离子体分布的因素也会进一步增加。因此对于复杂外形飞行器，不能依据简单外形飞行器的飞行数据直接外推，而应该作单独研究。在飞行器表面附近，高温气体组分与物面碰撞，会发生催化复合反应，这就是表面催化效应。催化效应放出大量的结合能，显著改变流场的气动特性，进而影响流场等离子分布。催化效应的强弱与很多因素相关，如复合反应类型、环境温度、表面材料催化能力、表面粗糙度等，因而很难表征，常做简化处理，只研究2种极限情况——完全催化和完全非催化，还缺乏细致研究[9,10]。此外，由于空间高超声速飞行过程中强烈气动加热，飞行器表面往往需要进行防热设计，表面防热材料在高温下会发生烧蚀反应，烧蚀产物进入等离子体流场，影响和改变流场中的等离子体参数的分布特性。目前，在工程中通过在飞行器表面的防烧蚀材料中加入一些亲电子的物质，如氧化铝等，当再入时该混合物质自动释放到等离子体中，使周围环境中的自由电子降低，可以解决这个问题，但所带来的代价是飞行器通信天线飞行过程中因涂敷该混合材料带来的通信增益降低。

c）等离子鞘套下的频段选择问题。

频率介于0.1～l0 THz（波长30 μm～3 mm）的电磁辐射称为太赫兹（Terahertz，THz）辐射。因此， 0.2 THz以上的无线通信技术又称为太赫兹通信。太赫兹波因为频率高，具有穿透等离子体的能力，因而这一频段有可能与空间飞行器进行通信和遥测。此外，基于太赫兹波的无线通信技术还具有宽带、高速以及高保密性等特性。相对于现有的微波无线宽带通信技术，THz 波的带宽和讯道数更多，特别适合作卫星间、星地间及局域网的宽带移动通讯。在外层空间，太赫兹波可以无损耗传输，用很小的功率就可以实现远距离通信。而相对于现有光通信而言，其波束较宽，容易对准，量子噪声较低，天线系统可以实现小型化、平面化。因此，进行等离子鞘套下的太赫兹无线通信技术研究，不但对于突破空间超声速飞行器的通信技术障碍具有重要价值，而且也有利于掌握未来宽带通信核心技术，力争在未来高速宽带通信技术中拥有一席之地也具有重要战略意义。目前，在实际工程应用中，采用Ku频段、Ka频段进行传输的同时，考虑雨和大气等环境造成的衰减，通过增大发射功率或发射天线增益（高EIRP）以增加透射信号强度、减少接收信号门限值，即可解决此问题，但同时带来的是质量和功耗的增加。

d）再入段的等离子鞘抑制技术。

传统再入飞行器飞行过程中，依靠存储技术延后获取飞行状态，仅仅解决了“事后”获取黑障区中飞行器的飞行状态问题。在高速飞行器再入精确打击以及全程安控等需求的前提下，要求对执行精确打击的再入飞行器进行不间断测控导航和安全控制，实现对目标的精确打击。不可能利用存储技术实现不间断测控，即使黑障区依赖惯性导航，其累计误差在黑障数分钟内足以造成较大偏差，待脱离黑障区时高度仅有20～30 km左右，再进行变轨调姿的范围十分有限。因此需要研究再入段的等离子鞘抑制技术，以支撑高速飞行器再入精确打击下的不间断测控导航以及安控需要。

e）等离子通信地面的实验验证环境。

由于再入搭载实验代价高、风险大、数据难以取回，研究等离子鞘套电磁传播、研究鞘套抑制技术、开展验证性实验都需要地面的等离子鞘套模拟环境。目前，在地面产生含等离子高速流场的方法主要有激波管、电弧风洞等手段，但这些手段设计之初衷是模拟高速流场，不是为通信实验设计的。由于激波管内等离子持续时间短（<1 ms），远不足进行一次有效的测控/导航通信帧传输，且电子密度不可连续调节[11]；电弧风洞高温具有高温破坏性，被试天线和馈线必须覆盖防热层，空间防绕射难以实现，喷流内混有大量金属离子且实验耗电代价高昂。因此为了在实验室环境下进行通信/导航实验，需要有长时间持续、密度连续可控、无破坏性、可模拟鞘套变化、实验代价低的新实验手段。

3 结束语

近年来，各航天大国都在积极拓展和抢占空间领域，通过对黑障抑制技术的研究，提高飞行器在等离子体鞘套下的通信保障能力，解决空间飞行器导航、数据遥测、通信和电子对抗的难题，对于中国发展空间飞行器具有重要的战略意义。

[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] 郑灵, 赵青, 罗先刚, 等. 等离子体中电磁波传输特性理论与实验研究[J]. 物理学报, 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, 李桦. 高精度高分辨率WENO格式分析与改进[J]. 国防科技大学学报, 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] 汤炜. ADI-FDTD及其混合算法在电磁散射中的应用[D]. 西安: 西安电子科技大学, 2005．

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

[10] 张玉. FDTD与矩量法的关键技术及并行电磁计算应用研究[D]. 西安:西安电子科技大学, 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 宁（1984-），女，工程师，主要研究方向为电磁场与微波技术、微波通信、无线测控与通信等