飞行器大气再入过程中黑障缓解方法综述

喻明浩，邱泽洋

西安理工大学 机械与精密仪器工程学院，西安 710048

1 引言

当再入飞行器以Ma>10的速度重返地球大气层时，因飞行器与大气层发生粘性摩擦和强烈挤压，会在其头部周围短时间内形成数千摄氏度的弓形激波。激波层内部，高温气体分子和飞行器烧蚀材料在热化学非平衡条件下会发生不同程度的离解和电离，在飞行器周围形成一层相对介电常数为负、非均匀分布，且具有一定厚度的高密度等离子体鞘层。该鞘层会反射、散射和吸收进入鞘层的电磁波，造成其相位畸变、幅值衰减，甚至导致地-空信号中断，即产生黑障现象[1-8]。

由于飞行器必须随时与轨道卫星和地面基站之间保持联络，例如使用GPS系统或北斗系统进行实时全球定位、数据传输、音频通信等。黑障一旦发生，将导致飞行器的通信信号剧烈衰减甚至完全中断，直接影响地面基站对目标飞行器的跟踪定位，甚至可能危及航天员人身安全。同时，由于黑障现象发生在环境最为恶劣的再入过程中，此时飞行器会受到明显的振动、过载、热流等的影响，这些影响因素对地面基站分析再入飞行器环境弥足珍贵，所以通过研究黑障现象来获取相关参数十分重要。

自1960年以来，随着航空航天领域不断发展，黑障现象逐渐成为继热障和声障之后，人们必须重视的问题之一。美国针对此问题进行了包括水星项目、双子座项目等的一系列研究工作，其中最为突出且被各国研究人员广泛参考的是无线电衰减测量项目(RAM)[9]。20世纪90年代，欧洲进行了一项名为大气层再入验证器(ARD)的飞行试验[10]，目的是研究天线布局、工作频段对电磁波损耗的影响。而中国从20世纪80年代开始着手研究黑障问题，从理论方面分析等离子体的电磁特性及其对电磁波传输的影响，并采用激波管进行了试验验证[11]。

黑障现象的研究是一项涉及通信、电磁学、流体力学等多学科交叉的课题，该现象所带来的一系列问题属于极端条件下多个影响因素同时存在的世界性基础难题，所以想采用一种通用办法来解决黑障问题是非常困难的[12-15]。本文从电磁波在等离子体中的传播特性着手，对多种黑障缓解方法的基本原理及其优缺点进行阐述和分析，然后对所列举的方法从安全性、应用前景、实用性等方面进行评估和分类，最终给出结论和建议，为后续黑障问题的研究提供参考。

2 电磁波在等离子体中的传播机理

黑障问题，实质就是电磁波能否穿透等离子体鞘层的问题。一方面，由于鞘层内等离子体密度的不连续性以及鞘层界面上波阻抗的不连续性，部分电磁波被鞘层反射；另一方面，电磁波的电场分量引起鞘层粒子振荡，使得电磁波部分能量被吸收，导致电磁波振幅减小，再加上反射、散射和吸收作用的叠加，从而造成电磁波穿透等离子体鞘层的能力大大减弱，最终出现黑障现象[19]。

假定电磁波垂直入射到各向同性、无限大均匀的等离子体中，利用麦克斯韦方程组求得均匀平面波沿+z方向传播时的波动方程，其对应的衰减常数和相位常数[20]如下所示：

(1)

(2)

式中：α为衰减常数，表征电磁波传播单位距离所消耗能量大小的程度；β为相位常数，表征电磁波传播单位距离内落后的相位；ω为电磁波角频率；c为光速；ν为碰撞频率；ωp为等离子体角频率；K的具体表达式为：

(3)

由式(1)～(3)可知，衰减常数α与等离子体角频率ωp、碰撞频率v有关。

结合文献[21]可知：当ω>ωp时，电磁波可在等离子体鞘层中无衰减传播；当ω<ωp时，电磁波迅速衰减，无法在等离子体鞘层中传播；当ω=ωp时，电磁波会在空气-等离子体鞘层的界面发生全反射，无法进入等离子体。

3 缓解黑障的技术方法

各国通过长期对黑障问题的研究，从不同角度提出了多种黑障缓解方法，如改变飞行器气动结构、高频法、亲电子物质注入法和引入交叉电磁场等。本文主要介绍常用缓解方法的基本原理及其发展现状。

3.1 改变飞行器空气动力学外形的方法

由于空气动力学外形是引起黑障现象的主要影响因素之一，所以可通过改变飞行器的空气动力学外形，实现缓解黑障的目的。飞行器头部结构有多种类型，如尖头型、钝头型和膜面型等。

1)尖头型飞行器在再入过程中，虽然可以减少等离子体厚度，降低电子密度，在一定程度上缓解黑障现象。但实际中，由于此构型会减少飞行器的有效载荷，增加其气动加热和烧蚀现象，所以并未被广泛应用。

2)钝头型克服了尖头型的固有缺点，是绝大多数再入航天器首选类型，其流场和等离子体鞘层的特性与尖锥结构不同，例如美国阿波罗飞船[22]。该类飞行器在深空探测中也有良好的应用前景。文献[23]给出了黑障最严重时阿波罗号钝头体飞行器迎风面与背风面的电子数密度，分别为4×1010m-3和3.357×108m-3。由迎风面与背风面的电子数密度ne和高度h的关系可知[24]，对于钝头型飞行器而言，迎风面的电子数密度比背风面的电子数密度大两个数量级左右。

3)膜面型再入飞行器是下一代空间运输系统的候选方案[25]。由美国国家航空航天局(NASA)、欧洲航天局(ESA)和日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)进行研究和演示飞行，图1为飞行试验前，该膜面型飞行器的照片[25]。

图1 膜面飞行器照片[25]Fig.1 Photos of membrane aircraft

根据文献[26]，与传统再入飞行器相比，该类飞行器亚轨道再入时，拥有更突出的减速性能，即从70 km开始减速，并在32 km完成减速，其间最大速度为1 320 m/s。在气动加热过程中，考虑到薄膜变形的影响，整个流场存在从太空舱附近的层流向薄膜附近的湍流过渡的现象。由于该类飞行器质量小、阻力面积大及低弹道系数飞行等特点，一定程度上可降低气动加热，缓解黑障问题。

3.2 亲电子物质注入的方法

由文献[27]可知，电子密度是影响电磁波衰减的主要原因。因此采用降低电子密度的方法减少电磁波在等离子体中的衰减是可行的。如图2所示，向等离子体流场注入亲电子物质，促进鞘层中电子与离子重组，从而降低鞘层内电子数密度，达到减少电磁波衰减的目的。

常用的亲电子物质包括H2O、CCl4及SF6等。其中H2O具有较高的热容量，除了能减少等离子体密度外，还可以降低流场温度，所以是被研究最多的材料；CCl4在高温环境下具有较强的电子亲和力，可有效降低鞘层内电子数密度；SF6本身具有较强的极化性，可显著增加对电子的吸附能力。由此可见，不同亲电子物质对等离子体内电子数密度的减少具有不同的效应。

文献[28]提出一种将固体亲电子物质注入等离子体鞘层的方法，即在等离子体活性成分的作用下，含有固体亲电子物质的诱导电极会产生负电位，电极表面微小突起处会形成局部电弧(阴极斑点)，这将导致电极材料急速汽化，从而使亲电子物质以气态形式进入等离子体鞘层。进入鞘层的物质颗粒会同时吸附离子和电子，但由于离子运动到颗粒表面的初始通量大于电子运动到颗粒表面的初始通量，为保证通量相等，颗粒会吸收更多的电子，从而导致鞘层内自由电子数密度减小，进而达到缓解黑障现象的目的。试验研究表明，此方式可使等离子体鞘层内电子数密度减少2/3。

3.3 烧蚀材料法

此方法属于无源方式，含有金属氧化物的烧蚀材料层一般覆盖在飞行器表面。在材料层烧蚀过程中，主动向等离子体鞘层释放氧化物微粒，达到降低电子密度的目的。

1964年，美国通过MK-12弹头试验研究了泰氟隆材料对飞行器流场中电子数密度的影响[29]。结果表明，该类烧蚀材料虽然对降低高空流场电子数密度的效果不明显，但可有效降低中低空流场电子数密度。

由于烧蚀材料含有碱金属，碱金属电离会导致激波层靠近壁面的区域电子数密度增加，最高可增加2～3个数量级，所以降低烧蚀材料的碱金属含量也是有效缓解通信黑障的方法之一。

3.4 引入外加场的方法

(1)引入外加电场

由于等离子体中电子、正离子对电场的作用十分敏感，所以引入外加电场控制电子和正离子定向运动就成了一种理所应当的方法。

在飞行器天线处布置强阴极，而在天线左侧，即等离子体流的上游处布置阳极，由此产生一个与等离子体流动同向的局部强电场[15]。此时正离子会逐渐聚集到负电极，电子沿电场强度的反向运动，而阴极周围的电子又会被排斥开。最终导致阴极周围正离子密度很大而电子密度很小，此时在阴极附近会形成一个用于飞行器-地面基站通信的天线窗口，从而实现降低电磁波在等离子体中的衰减、缓解黑障现象的目标。

(2)引入外加磁场

由于电子除了受电场力作用，还受洛伦兹力的作用。所以在飞行器天线附近引入外加磁场也是一种可行的方法。

作用机理：在飞行器天线附近外加磁场，保证磁力线方向与电磁波传播方向平行。等离子体鞘层中的电子在外加磁场的作用下做切割磁力线运动，由于洛伦兹力的存在，电子以越来越小的回旋半径运动，从而改变电磁波的传播模式，降低电磁波在等离子体中的衰减，形成“磁窗效应”[30]。

其中，等离子体在外加磁场作用下可被视作一个各向异性介质，仅圆极化波在其中传播。圆极化波沿电磁波传播方向可分为左旋和右旋，它们在磁化等离子体中的传播特性不同。相较于右旋圆极化波，左旋波在衰减幅度上至少低1个数量级，而当入射的左旋电磁波低于等离子体角频率时，将显著改善其穿透等离子体的能力。

文献[31]提出了一种将强永磁体与天线一体化的新思路—磁窗天线。结果表明，外加强磁场时，该方法不仅提高了等离子体鞘层的透波特性，而且实现了磁窗天线小型化。

(3)引入外加正交电磁场

如图3所示，在飞行器天线附近引入外加正交电磁场，等离子体鞘层将受电场以及磁场的双重影响。

图3 引入正交电磁场Fig.3 Addition of the orthogonal electromagnetic field

一种是附加磁场导致等离子体鞘层中流经磁场区域的离子和自由电子发生偏转，减小电磁波传播路径上的电子密度，达到降低电磁波衰减的目的。另一种是由于附加电场，流经电场的电子和正离子产生相反的作用力。当电场的方向与带电粒子的方向一致时，将导致正离子加速而电子减速，从而增加正离子与自由电子的复合概率，进一步减少了电子密度。

根据文献[32]的试验结果，在放置电磁窗装置时，应尽可能远离飞行器头部；其次从减缓效果看，方案3引入外加正交电磁场比方案1引入外加电场更有效。文献[33]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。

3.5 高频法

根据第3.2小节衰减系数与入射电磁波的频率关系，临界电子密度ne随入射波工作频率f的提高而增加。因此，对于一定ne的等离子体，提高入射电磁波频率可有效降低其信号衰减[34]。

由1967年10月19日针对S、C和X波段天线进行的RAM C-I飞行试验[35]可知：采用S波段通信时，黑障现象出现在距地80 km处；采用C波段通信时，黑障现象出现在距地50 km处；采用X波段通信时，黑障现象出现在40 km处。该结果表明，适当提高通信频率，可有效缓解黑障问题。

3.6 低频法

依据衰减常数与归一化频率变化曲线[36]，在理论层面上提出低频法。当电磁波工作频率远低于等离子体频率时，衰减常数也明显降低，这似乎成为一种与高频法正好相反的方法。

从实际层面看，除了降低电磁波的工作频率，导致相应带宽变窄，传输速率减慢之外，在空间和载荷要求严格的飞行器上安装耐烧蚀、定向性强的低频天线是不切实际的。

所以该方法仅在理论方面可以实现，而无法真正应用于现实。

3.7 高功率法

通过提高飞行器天线发射功率，能够在一定程度上增加穿透信号的强度。但倘若发射功率过高，会导致诸如天线等器件被击穿，加剧通信中断，所以发射功率必须限定在一定范围内。实际中常用的隙缝腔体天线，对于VHF波段的击穿功率为20 W，而S波段为100 W[37]。同时，高功率带来的功耗和质量问题都是飞行器无法承担的，所以这些问题在一定程度上限制了该方法的实际应用。

3.8 拉曼散射通信法

该类方法是基于Raman散射原理而提出的通信方法[38]，是指将作为泵浦源的高频强电磁波和信号电磁波同时通过不均匀非线性等离子体鞘层，3种波会因相互作用而产生一种新频率、能穿过等离子体的后向散射Stokes波，以此来实现通信的一种技术手段。

3.9 中继法

中继法实则是基于中继卫星系统[39]，利用等离子体鞘层的不均匀性，从等离子体角频率较弱的背风面着手，采用S、Ka频段信号[40]，建立目标飞行器与中继卫星通信链路，将黑障问题转化为通信距离问题的一种“迂回”方法[44]。

传统的中继法是“一次中继法”，如图4所示。相较于信噪比过低的S频段而言，频率更高的Ka频段从飞行器背风面穿透等离子体鞘层造成的衰减可忽略不计，故“一次中继法”采用Ka频段信号。

图4 一次中继法Fig. 4 Once relay method

但是Ka频段除了在传输过程中受降雨影响较大外[46]，还需在返回舱上新增整套通信设备，导致该方法在应用上存在局限性。针对上述问题，提出一种改进方法——“二次中继法”，如图5所示。

图5 二次中继法Fig.5 Twice relay method

“二次中继法”是在返回舱与中继卫星之间增加1个中继站。返回舱与中继站之间采用S频段信号；中继站与中继卫星、中继卫星与地面基站均采用传输特性更好的Ka频段信号。该方法虽然不能减少信号在等离子体鞘层中的衰减，但可以节约设备成本，缩短空间传输距离，减少信号传输损失，达到要求的信噪比。

3.10 激光通信

近年来，人类对地外星球例如月球、火星等的深空探索日益频繁。但随着探索目标数量增多，探索距离不断增大，传统无线电通信的损耗急剧增加。同时又因为火星等星球存在着大气层，飞行器进入同样会产生黑障现象。所以迫切需要一种崭新的方法解决通信瓶颈问题。

激光通信是利用激光在等离子体鞘层中低损耗传播的特性，结合无线电通信与光纤通信的优点发展起来的新型技术。该技术具有抗干扰能力强、通信速度快、信号光束散角窄[47]以及通信距离远等显著特点。同时，发射激光的终端凭借着体积小、质量小等优势，更适合安装在载荷、功耗严格限制的深空探测器上[49]。

激光通信具体做法是将激光作为载波，把信息加载到激光上发射出去。携带信息的光信号在自由空间传输，接收端将发生畸变的光信号收集到光电探测器上，进行光电转换，根据信息的加载方式还原信息，实现双方通信。

3.11 X射线通信

X射线(又名伦琴射线)由德国物理学家伦琴于1895年发现。它是由物质受到高能量粒子轰击或电磁辐射产生的电磁波，波长为纳米级，最高频率可达1018Hz[51]。

2007年，NASA提出了将X射线应用于空间通信的概念，并通过试验证明了该想法的可行性[53]。文献[54]采用WKB分层法研究X射线在非均匀等离子体中的传输特性，通过理论与试验对比表明，X射线在等离子体中整体衰减较小，其能谱轮廓在穿透等离子体前后不变。同时，可以通过增加入射光子能量和流量来增加穿透率。

考虑到X射线无法在地面环境有效传输，而在等离子体和临近空间环境时衰减较小的特性[55]，整个通信系统如图6所示。再入飞行器与中继卫星之间采用X射线通信，而中继卫星与地面基站之间可采用激光或微波通信。

图6 黑障区X射线通信原理Fig.6 Principle of X-ray communication in the blackout area

3.12 太赫兹波通信

太赫兹波是介于毫米波与红外线之间的电磁波，频率范围为0.1～10 THz。太赫兹通信具有天线尺寸小、抗干扰性强、方向性好及容量大等优势，可穿透等离子体和浓烟沙尘，易于被大气中的水分吸收，适合临近空间或恶劣环境的短距离保密通信[57]。文献[20]在中继法的基础上提出了一种太赫兹通信系统，并详细设计了系统总体、频率以及通视距离。

对于太赫兹波在实际非均匀等离子体中的传输特性，文献[58]采用2种非均匀等离子体模型，对太赫兹波在非均匀非磁化等离子体中的传播特性进行研究，发现无论等离子体密度遵循中低空的Epstein分布还是高空的高斯分布，太赫兹波在其中的最大衰减均小于30 dB，证实了太赫兹波应用于通信黑障的可行性；文献[59]以RAMC为基础，研究太赫兹波在非均匀磁化等离子体中的传播特性，发现引入外加磁场会降低左旋太赫兹波的传输损耗，增大右旋太赫兹波的损耗；文献[60]比较了太赫兹波在3种分布情况下的非均匀等离子体中的传输特性，发现对太赫兹波吸收最大的影响因素是等离子体的变化率和分层。

3.13 利用驻波检测和自适应码率的方法

与传统的黑障消除思路不同，该方法的主要思想是将黑障理解成等离子体鞘层的信道容量小于通信系统信息量而造成的结果。那么让再入飞行器通信系统自动适应信道的变化就成为一种全新的思路[61]。

主要方法是将驻波检测和自适应码率相结合。当电压驻波比(VSWR)大于阈值时，发射端自动调整数据传输速率以适应信道变化，引入数据优先级和暂存机制，并通过编码增益补偿等离子体衰减，最终使自适应通信机制得以实现。

与传统遥测系统相比，该方法采用的系统[62]依次增加了具有缓存功能的数据优先级分类器、自适应码率调制器和在线VSWR监控，几个部分作用如下：

1)具有缓存功能的数据优先级分类器——对输入的遥测数据进行分类。最重要的数据如坐标、姿态等，以高优先级被过滤并立即传输。而其余大部分数据则以较低的优先级标记，然后缓存在缓冲区中，等待黑障过后，重新传输。

2)自适应码率调制器——自适应数据码率控制采用直接序列扩频方法。当在线VSWR监控检测到VSWR超过阈值，为了保证恒定传输带宽，数据传输速率要降到1/2N。理想情况下，可通过下式实现额外的编码增益，补偿等离子体衰减：

Gs=20lg (2N)

3)在线VSWR监控——天线的反射功率Pr由循环耦合器分离，然后用功率计测量，VSWR计算如下：

式中：Pr为天线反射功率；Po为天线输出功率。

值得注意的是VSWR阈值选择问题。为了与传统的遥测系统相兼容，该系统采用频移键控，即2-FSK。但是随着等离子体中电子密度不断增加，2-FSK的幅值误差也会不断增大。当电子密度大于某一值时，2-FSK误差大于50%，通信将无法准确解调。为了解决这一问题，同时考虑到等离子体中电磁波的衰减，通常会将VSWR的阈值设置为在当前数据传输速率下2-FSK的50%误差对应的VSWR值，即当电子密度达到某一值时，使2-FSK的误差达到50%，此时的VSWR值设为阈值；当电子密度大于该值时，对应VSWR值大于阈值，此时自适应码率调制器会将数据传输速率降至原来的1/2N，产生更多的额外编码增益。

3.14 基于天线窗口结构的夹层方法

由于电磁波垂直入射至负相对介电常数-正相对介电常数-负相对介电常数交替的介质中时，会在某个窗口频率处出现一个可供电磁波透过的窗口，这一理论为缓解通信中断提供了一种新方法[63]。

因为等离子体是一种负介电常数介质，文献[65]由此提出了一种等离子体-介质-等离子体的夹层结构。此结构主要是利用天线位于有防隔热层的天线窗内，而非均匀的等离子体鞘层位于天线窗口外侧。当天线窗内部产生可人工控制相关参数的等离子体薄层时，便与防隔热层和外部等离子体鞘层形成等离子体-介质-等离子体的夹层结构。

对比电磁波在普通结构与夹层结构发现，电磁波频率达到某一区域时，电磁波的反射特性会突然降低，而传输特性会突然增高。用窗口频率、带宽和传输系数增加值作为参数衡量这一变化时发现，窗口频率受介质厚度的影响最大，内外等离子体频率影响次之；内部等离子体参数对传输系数增加值影响较大；而带宽主要受内部等离子体薄层的厚度、频率以及中间介质厚度影响。

由于介质厚度影响较大且一旦确定就无法改变，所以可先通过介质厚度确定3个参数，然后通过对内部等离子体薄层参数进行人工调控，来获取相应窗口频率，缓解通信中断。

4 各种方法的评估比较

4.1 评估指标

针对以上介绍的黑障缓解方法，考虑实际的工程情况、经济情况等，参考前人的评估方法[24]，给出以下几种评估指标。

1)再入飞行器的尺寸与质量：很大程度上决定了再入飞行器的成本与再入性能，绝对不能为了采用某种方案而大程度提高成本。

2)功耗：功耗大小对于再入飞行器成本、有效载荷等有很大影响。

3)地面-飞行器通信的基础设施：现有的地面-飞行器通信基础设施均已规模建设，如果为了改善通信中断问题，采用的方法需要重新大规模建设设施，这将付出极大的财力、物力及人力。

4)通信效果：采用缓解的方法所能实现的效果也是考虑是否执行该方案的首要因素之一。

5)安全性：必须考虑所采用的缓解方案对再入飞行器安全性的影响，杜绝发生类似于美国阿波罗飞行器的事故。

6)实用性：有的方法仅在理论上可行，但无法应用于实际或者实际效果很差。

4.2 评价结果

(1)实用性较低的工程方法

1)Raman散射通信法：虽有理论支撑，但是高激励源输出导致的高复杂度、高功耗和质量问题不容忽视，工程实现难度过大，目前阶段不予考虑。

2)高功率法：除了需要防止过高功率击穿设备外，还需考虑功耗等问题，一定程度上限制了该方法的实际应用。

3)低频法：在理论层面提出的方法，无法应用于实际。

(2)辅助性质的工程方法

1)改变飞行器空气动力学外形属于无源技术，已有试验及仿真证明该方案可显著影响等离子体鞘层的形成，具备从更高高度减速、减少气动加热、减小质量、增加有效载荷等优势，安全性也有一定程度的保障。但值得注意的是考虑到实际情况以及所消耗的财力、物力和人力等，可能无法对再入飞行器外形按照仿真计算结果进行大范围的优化设计、改动，所以该方案只能作为辅助手段结合其他技术方法使用。

2)亲电子注入法属于无源技术，通过向等离子体鞘层内部注入亲电子液体，达到降低电子密度、缓解黑障的目的。该方法有多年的理论工作支撑，进行了多次地空试验，大部分取得了理想结果，实用性较高。但实际应用中，必须考虑试验方法、环境污染以及注入混合的效果等问题。同时，配套设备以及注入液体的质量问题给总体设计带来了极大难度。

3)烧蚀材料法，将金属氧化物加入飞行器防热材料，在气动加热期间，金属氧化物进入并中和等离子体鞘层的部分电子，达到降低电子密度的目的。但在实际应用中发现，由于精确控制材料烧蚀速度的方法尚未成熟以及天线附近烧蚀层设计较为困难，工程实现难度较大，通常作为辅助手段应用。

(3)目前正在使用的工程方法

1)高频法不仅有理论方面的支撑，而且早已通过试验证实了该方法可有效改善黑障现象，是目前广泛应用的工程方法之一。然而，值得注意的是，随着频率的升高，大气和降雨造成的衰减问题将会加重，通常工作频率最高为10 GHz。

2)利用驻波检测和自适应码率的方法与现有遥测系统兼容；通过主动感知电磁波传播特性来控制传输速率，确保地面基站对飞行器跟踪过程不中断；在黑障期间由于数据传输速率降低，故在此期间仅传输关键数据，适合单向再入遥测系统，在工程上拥有良好的应用前景。

3)中继法理论清晰，技术成熟，可实时对再入飞行器进行测控和数据传输；同时可减少地面基站、测量船的数量，有很好的其经济性；目前中继法主要是与高频法结合使用，减少高频电磁波大气衰减，保证黑障期间实时通信。

(4)未来有待实现的工程方法

1)“磁窗法”是在飞行器天线附近施加外磁场，人为控制等离子体鞘层中电子分布，从而改变电磁波在等离子体中的传输特性。该方法早在20世纪60年代的RAM飞行试验中验证。虽然“磁窗法”较早投入实际应用且对缓解黑障现象有一定作用，但是该方法对永磁体形成的磁场强度要求较高，而高磁场强度又会影响飞行器内部其他器件的正常工作，所以此方法在克服磁场强度和设备质量问题之前，只能作为有一定应用前景的方法考虑。

2)引入正交电磁场，近些年来已进行了若干地面试验和相关数值模拟，有着大量的理论成果。从发展角度来看，是一种非常有应用前景的方法。

3)激光通信存在中继法的影子，所以其具有广泛的应用前景。但是这种方法除了中继卫星法的限制因素外，还需掌握调制编码技术、大气信道自适应光学技术等激光通信的关键技术，并解决烧蚀对激光镜头影响的问题。

4)X射线通信与激光通信、中继法类似，不同之处在于其本身具有载波频率越高，容纳信号带宽越大，单位时间传输数据越多的特点。但正是由于特点过于突出，导致X射线通信配套技术(如发射源技术、准直技术及ATP技术等)难度较大。

5)太赫兹通信目前所提出的通信方法仍是建立在中继法的基础上，未来有着良好的应用前景。但由于大气中水分子会导致太赫兹波衰减，所以太赫兹波不能应用于中继站和地面基站通信。同时，由于缺少室温连续工作的高功率太赫兹源以及高灵敏度接收系统，所以该方法仍有很多关键技术需突破。

6)夹层结构是在传统结构上的大胆创新，利用喇叭天线，与传统结构相比夹层结构在通信中断期间对天线的增益约为10 dB。尽管该方法仍处于理论阶段，但有着良好的应用前景。

4.3 评估建议

基于以上评估结果和分析，为了今后能够更好、更深入地研究黑障现象，提出如下建议：

1)针对黑障缓解技术，应尽早建立一套集设计、仿真、试验于一体的规范化流程，杜绝盲从理论、不尊重客观事实以及反复试验却无法形成系统理论的情形。所建立的规范化流程需为后续临近空间高超声速飞行器执行不同空间任务提供保障。

2)加强热化学非平衡条件下临近空间超高速飞行器周围流场特性及电磁波传播特性的研究。通过不断优化热力学非平衡、化学反应动力学、电磁学和磁流体力学模型，进一步研究稀薄气体耦合效应对电子密度的影响。使用多物理场耦合模型预测流场特性，减小数值结果与真实值的差值，提高仿真结果的可靠性。深入研究电磁波衰减建模，建立可靠的等离子体鞘层信道模型。

3)建立完善的卫星网络系统；研发低污染热防护烧蚀材料；设计可控性好、小型化、能够产生持续时间长和面积大的等离子体新型试验设备；提高等离子体鞘层诊断技术，加强对机载测量设备在高温环境下的适应性分析。

5 结论

随着航空航天技术不断发展，研究人员经过数十年对再入黑障问题的研究，已经取得了显著的成果。例如：已揭示了黑障产生机理，完善了黑障数值模拟方法，优化了电磁波传输的仿真理论，提高了试验验证能力，并提出了多种有效的黑障缓解方法。但由于黑障是一个复杂的综合性问题，它受很多因素影响，任何一个举措都可能牵一发而动全身，所以现有的黑障缓解方法并非一劳永逸，只有多种缓解方法相互配合，才能最大程度地缓解黑障问题，提高地空通信质量。本文在介绍和分析多种黑障缓解方法原理及其优缺点的基础上，综合考虑包括技术背景、现有基础设施和工程实际需求在内的诸多现实因素，给出了目前工程上实用的黑障缓解方法以及相应辅助措施。对于诸如太赫兹通信、激光通信等未来具有应用潜力的黑障缓解技术，从仿真模型、试验流程等不同方面提出发展建议。本文分析所得结果对深入了解黑障研究现状及其后续研究趋势具有参考价值。