飛行器大氣再入過程中黑障緩解方法綜述

喻明浩，邱澤洋

西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，西安 710048

1 引言

當(dāng)再入飛行器以Ma>10的速度重返地球大氣層時(shí)，因飛行器與大氣層發(fā)生粘性摩擦和強(qiáng)烈擠壓，會在其頭部周圍短時(shí)間內(nèi)形成數(shù)千攝氏度的弓形激波。激波層內(nèi)部，高溫氣體分子和飛行器燒蝕材料在熱化學(xué)非平衡條件下會發(fā)生不同程度的離解和電離，在飛行器周圍形成一層相對介電常數(shù)為負(fù)、非均勻分布，且具有一定厚度的高密度等離子體鞘層。該鞘層會反射、散射和吸收進(jìn)入鞘層的電磁波，造成其相位畸變、幅值衰減，甚至導(dǎo)致地-空信號中斷，即產(chǎn)生黑障現(xiàn)象[1-8]。

由于飛行器必須隨時(shí)與軌道衛(wèi)星和地面基站之間保持聯(lián)絡(luò)，例如使用GPS系統(tǒng)或北斗系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)全球定位、數(shù)據(jù)傳輸、音頻通信等。黑障一旦發(fā)生，將導(dǎo)致飛行器的通信信號劇烈衰減甚至完全中斷，直接影響地面基站對目標(biāo)飛行器的跟蹤定位，甚至可能危及航天員人身安全。同時(shí)，由于黑障現(xiàn)象發(fā)生在環(huán)境最為惡劣的再入過程中，此時(shí)飛行器會受到明顯的振動、過載、熱流等的影響，這些影響因素對地面基站分析再入飛行器環(huán)境彌足珍貴，所以通過研究黑障現(xiàn)象來獲取相關(guān)參數(shù)十分重要。

自1960年以來，隨著航空航天領(lǐng)域不斷發(fā)展，黑障現(xiàn)象逐漸成為繼熱障和聲障之后，人們必須重視的問題之一。美國針對此問題進(jìn)行了包括水星項(xiàng)目、雙子座項(xiàng)目等的一系列研究工作，其中最為突出且被各國研究人員廣泛參考的是無線電衰減測量項(xiàng)目(RAM)[9]。20世紀(jì)90年代，歐洲進(jìn)行了一項(xiàng)名為大氣層再入驗(yàn)證器(ARD)的飛行試驗(yàn)[10]，目的是研究天線布局、工作頻段對電磁波損耗的影響。而中國從20世紀(jì)80年代開始著手研究黑障問題，從理論方面分析等離子體的電磁特性及其對電磁波傳輸?shù)挠绊懀⒉捎眉げü苓M(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證[11]。

黑障現(xiàn)象的研究是一項(xiàng)涉及通信、電磁學(xué)、流體力學(xué)等多學(xué)科交叉的課題，該現(xiàn)象所帶來的一系列問題屬于極端條件下多個(gè)影響因素同時(shí)存在的世界性基礎(chǔ)難題，所以想采用一種通用辦法來解決黑障問題是非常困難的[12-15]。本文從電磁波在等離子體中的傳播特性著手，對多種黑障緩解方法的基本原理及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行闡述和分析，然后對所列舉的方法從安全性、應(yīng)用前景、實(shí)用性等方面進(jìn)行評估和分類，最終給出結(jié)論和建議，為后續(xù)黑障問題的研究提供參考。

2 電磁波在等離子體中的傳播機(jī)理

黑障問題，實(shí)質(zhì)就是電磁波能否穿透等離子體鞘層的問題。一方面，由于鞘層內(nèi)等離子體密度的不連續(xù)性以及鞘層界面上波阻抗的不連續(xù)性，部分電磁波被鞘層反射；另一方面，電磁波的電場分量引起鞘層粒子振蕩，使得電磁波部分能量被吸收，導(dǎo)致電磁波振幅減小，再加上反射、散射和吸收作用的疊加，從而造成電磁波穿透等離子體鞘層的能力大大減弱，最終出現(xiàn)黑障現(xiàn)象[19]。

假定電磁波垂直入射到各向同性、無限大均勻的等離子體中，利用麥克斯韋方程組求得均勻平面波沿+z方向傳播時(shí)的波動方程，其對應(yīng)的衰減常數(shù)和相位常數(shù)[20]如下所示：

(1)

(2)

式中：α為衰減常數(shù)，表征電磁波傳播單位距離所消耗能量大小的程度；β為相位常數(shù)，表征電磁波傳播單位距離內(nèi)落后的相位；ω為電磁波角頻率；c為光速；ν為碰撞頻率；ωp為等離子體角頻率；K的具體表達(dá)式為：

(3)

由式(1)～(3)可知，衰減常數(shù)α與等離子體角頻率ωp、碰撞頻率v有關(guān)。

結(jié)合文獻(xiàn)[21]可知：當(dāng)ω>ωp時(shí)，電磁波可在等離子體鞘層中無衰減傳播；當(dāng)ω<ωp時(shí)，電磁波迅速衰減，無法在等離子體鞘層中傳播；當(dāng)ω=ωp時(shí)，電磁波會在空氣-等離子體鞘層的界面發(fā)生全反射，無法進(jìn)入等離子體。

3 緩解黑障的技術(shù)方法

各國通過長期對黑障問題的研究，從不同角度提出了多種黑障緩解方法，如改變飛行器氣動結(jié)構(gòu)、高頻法、親電子物質(zhì)注入法和引入交叉電磁場等。本文主要介紹常用緩解方法的基本原理及其發(fā)展現(xiàn)狀。

3.1 改變飛行器空氣動力學(xué)外形的方法

由于空氣動力學(xué)外形是引起黑障現(xiàn)象的主要影響因素之一，所以可通過改變飛行器的空氣動力學(xué)外形，實(shí)現(xiàn)緩解黑障的目的。飛行器頭部結(jié)構(gòu)有多種類型，如尖頭型、鈍頭型和膜面型等。

1)尖頭型飛行器在再入過程中，雖然可以減少等離子體厚度，降低電子密度，在一定程度上緩解黑障現(xiàn)象。但實(shí)際中，由于此構(gòu)型會減少飛行器的有效載荷，增加其氣動加熱和燒蝕現(xiàn)象，所以并未被廣泛應(yīng)用。

2)鈍頭型克服了尖頭型的固有缺點(diǎn)，是絕大多數(shù)再入航天器首選類型，其流場和等離子體鞘層的特性與尖錐結(jié)構(gòu)不同，例如美國阿波羅飛船[22]。該類飛行器在深空探測中也有良好的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)[23]給出了黑障最嚴(yán)重時(shí)阿波羅號鈍頭體飛行器迎風(fēng)面與背風(fēng)面的電子數(shù)密度，分別為4×1010m-3和3.357×108m-3。由迎風(fēng)面與背風(fēng)面的電子數(shù)密度ne和高度h的關(guān)系可知[24]，對于鈍頭型飛行器而言，迎風(fēng)面的電子數(shù)密度比背風(fēng)面的電子數(shù)密度大兩個(gè)數(shù)量級左右。

3)膜面型再入飛行器是下一代空間運(yùn)輸系統(tǒng)的候選方案[25]。由美國國家航空航天局(NASA)、歐洲航天局(ESA)和日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)進(jìn)行研究和演示飛行，圖1為飛行試驗(yàn)前，該膜面型飛行器的照片[25]。

圖1 膜面飛行器照片[25]Fig.1 Photos of membrane aircraft

根據(jù)文獻(xiàn)[26]，與傳統(tǒng)再入飛行器相比，該類飛行器亞軌道再入時(shí)，擁有更突出的減速性能，即從70 km開始減速，并在32 km完成減速，其間最大速度為1 320 m/s。在氣動加熱過程中，考慮到薄膜變形的影響，整個(gè)流場存在從太空艙附近的層流向薄膜附近的湍流過渡的現(xiàn)象。由于該類飛行器質(zhì)量小、阻力面積大及低彈道系數(shù)飛行等特點(diǎn)，一定程度上可降低氣動加熱，緩解黑障問題。

3.2 親電子物質(zhì)注入的方法

由文獻(xiàn)[27]可知，電子密度是影響電磁波衰減的主要原因。因此采用降低電子密度的方法減少電磁波在等離子體中的衰減是可行的。如圖2所示，向等離子體流場注入親電子物質(zhì)，促進(jìn)鞘層中電子與離子重組，從而降低鞘層內(nèi)電子數(shù)密度，達(dá)到減少電磁波衰減的目的。

常用的親電子物質(zhì)包括H2O、CCl4及SF6等。其中H2O具有較高的熱容量，除了能減少等離子體密度外，還可以降低流場溫度，所以是被研究最多的材料；CCl4在高溫環(huán)境下具有較強(qiáng)的電子親和力，可有效降低鞘層內(nèi)電子數(shù)密度；SF6本身具有較強(qiáng)的極化性，可顯著增加對電子的吸附能力。由此可見，不同親電子物質(zhì)對等離子體內(nèi)電子數(shù)密度的減少具有不同的效應(yīng)。

文獻(xiàn)[28]提出一種將固體親電子物質(zhì)注入等離子體鞘層的方法，即在等離子體活性成分的作用下，含有固體親電子物質(zhì)的誘導(dǎo)電極會產(chǎn)生負(fù)電位，電極表面微小突起處會形成局部電弧(陰極斑點(diǎn))，這將導(dǎo)致電極材料急速汽化，從而使親電子物質(zhì)以氣態(tài)形式進(jìn)入等離子體鞘層。進(jìn)入鞘層的物質(zhì)顆粒會同時(shí)吸附離子和電子，但由于離子運(yùn)動到顆粒表面的初始通量大于電子運(yùn)動到顆粒表面的初始通量，為保證通量相等，顆粒會吸收更多的電子，從而導(dǎo)致鞘層內(nèi)自由電子數(shù)密度減小，進(jìn)而達(dá)到緩解黑障現(xiàn)象的目的。試驗(yàn)研究表明，此方式可使等離子體鞘層內(nèi)電子數(shù)密度減少2/3。

3.3 燒蝕材料法

此方法屬于無源方式，含有金屬氧化物的燒蝕材料層一般覆蓋在飛行器表面。在材料層燒蝕過程中，主動向等離子體鞘層釋放氧化物微粒，達(dá)到降低電子密度的目的。

1964年，美國通過MK-12彈頭試驗(yàn)研究了泰氟隆材料對飛行器流場中電子數(shù)密度的影響[29]。結(jié)果表明，該類燒蝕材料雖然對降低高空流場電子數(shù)密度的效果不明顯，但可有效降低中低空流場電子數(shù)密度。

由于燒蝕材料含有堿金屬，堿金屬電離會導(dǎo)致激波層靠近壁面的區(qū)域電子數(shù)密度增加，最高可增加2～3個(gè)數(shù)量級，所以降低燒蝕材料的堿金屬含量也是有效緩解通信黑障的方法之一。

3.4 引入外加場的方法

(1)引入外加電場

由于等離子體中電子、正離子對電場的作用十分敏感，所以引入外加電場控制電子和正離子定向運(yùn)動就成了一種理所應(yīng)當(dāng)?shù)姆椒ā?/p>

在飛行器天線處布置強(qiáng)陰極，而在天線左側(cè)，即等離子體流的上游處布置陽極，由此產(chǎn)生一個(gè)與等離子體流動同向的局部強(qiáng)電場[15]。此時(shí)正離子會逐漸聚集到負(fù)電極，電子沿電場強(qiáng)度的反向運(yùn)動，而陰極周圍的電子又會被排斥開。最終導(dǎo)致陰極周圍正離子密度很大而電子密度很小，此時(shí)在陰極附近會形成一個(gè)用于飛行器-地面基站通信的天線窗口，從而實(shí)現(xiàn)降低電磁波在等離子體中的衰減、緩解黑障現(xiàn)象的目標(biāo)。

(2)引入外加磁場

由于電子除了受電場力作用，還受洛倫茲力的作用。所以在飛行器天線附近引入外加磁場也是一種可行的方法。

作用機(jī)理：在飛行器天線附近外加磁場，保證磁力線方向與電磁波傳播方向平行。等離子體鞘層中的電子在外加磁場的作用下做切割磁力線運(yùn)動，由于洛倫茲力的存在，電子以越來越小的回旋半徑運(yùn)動，從而改變電磁波的傳播模式，降低電磁波在等離子體中的衰減，形成“磁窗效應(yīng)”[30]。

其中，等離子體在外加磁場作用下可被視作一個(gè)各向異性介質(zhì)，僅圓極化波在其中傳播。圓極化波沿電磁波傳播方向可分為左旋和右旋，它們在磁化等離子體中的傳播特性不同。相較于右旋圓極化波，左旋波在衰減幅度上至少低1個(gè)數(shù)量級，而當(dāng)入射的左旋電磁波低于等離子體角頻率時(shí)，將顯著改善其穿透等離子體的能力。

文獻(xiàn)[31]提出了一種將強(qiáng)永磁體與天線一體化的新思路—磁窗天線。結(jié)果表明，外加強(qiáng)磁場時(shí)，該方法不僅提高了等離子體鞘層的透波特性，而且實(shí)現(xiàn)了磁窗天線小型化。

(3)引入外加正交電磁場

如圖3所示，在飛行器天線附近引入外加正交電磁場，等離子體鞘層將受電場以及磁場的雙重影響。

圖3 引入正交電磁場Fig.3 Addition of the orthogonal electromagnetic field

一種是附加磁場導(dǎo)致等離子體鞘層中流經(jīng)磁場區(qū)域的離子和自由電子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，減小電磁波傳播路徑上的電子密度，達(dá)到降低電磁波衰減的目的。另一種是由于附加電場，流經(jīng)電場的電子和正離子產(chǎn)生相反的作用力。當(dāng)電場的方向與帶電粒子的方向一致時(shí)，將導(dǎo)致正離子加速而電子減速，從而增加正離子與自由電子的復(fù)合概率，進(jìn)一步減少了電子密度。

根據(jù)文獻(xiàn)[32]的試驗(yàn)結(jié)果，在放置電磁窗裝置時(shí)，應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離飛行器頭部；其次從減緩效果看，方案3引入外加正交電磁場比方案1引入外加電場更有效。文獻(xiàn)[33]提出了利用脈沖電流產(chǎn)生時(shí)變磁場的正交磁場法，進(jìn)一步降低了對磁場強(qiáng)度的需求。

3.5 高頻法

根據(jù)第3.2小節(jié)衰減系數(shù)與入射電磁波的頻率關(guān)系，臨界電子密度ne隨入射波工作頻率f的提高而增加。因此，對于一定ne的等離子體，提高入射電磁波頻率可有效降低其信號衰減[34]。

由1967年10月19日針對S、C和X波段天線進(jìn)行的RAM C-I飛行試驗(yàn)[35]可知：采用S波段通信時(shí)，黑障現(xiàn)象出現(xiàn)在距地80 km處；采用C波段通信時(shí)，黑障現(xiàn)象出現(xiàn)在距地50 km處；采用X波段通信時(shí)，黑障現(xiàn)象出現(xiàn)在40 km處。該結(jié)果表明，適當(dāng)提高通信頻率，可有效緩解黑障問題。

3.6 低頻法

依據(jù)衰減常數(shù)與歸一化頻率變化曲線[36]，在理論層面上提出低頻法。當(dāng)電磁波工作頻率遠(yuǎn)低于等離子體頻率時(shí)，衰減常數(shù)也明顯降低，這似乎成為一種與高頻法正好相反的方法。

從實(shí)際層面看，除了降低電磁波的工作頻率，導(dǎo)致相應(yīng)帶寬變窄，傳輸速率減慢之外，在空間和載荷要求嚴(yán)格的飛行器上安裝耐燒蝕、定向性強(qiáng)的低頻天線是不切實(shí)際的。

所以該方法僅在理論方面可以實(shí)現(xiàn)，而無法真正應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)。

3.7 高功率法

通過提高飛行器天線發(fā)射功率，能夠在一定程度上增加穿透信號的強(qiáng)度。但倘若發(fā)射功率過高，會導(dǎo)致諸如天線等器件被擊穿，加劇通信中斷，所以發(fā)射功率必須限定在一定范圍內(nèi)。實(shí)際中常用的隙縫腔體天線，對于VHF波段的擊穿功率為20 W，而S波段為100 W[37]。同時(shí)，高功率帶來的功耗和質(zhì)量問題都是飛行器無法承擔(dān)的，所以這些問題在一定程度上限制了該方法的實(shí)際應(yīng)用。

3.8 拉曼散射通信法

該類方法是基于Raman散射原理而提出的通信方法[38]，是指將作為泵浦源的高頻強(qiáng)電磁波和信號電磁波同時(shí)通過不均勻非線性等離子體鞘層，3種波會因相互作用而產(chǎn)生一種新頻率、能穿過等離子體的后向散射Stokes波，以此來實(shí)現(xiàn)通信的一種技術(shù)手段。

3.9 中繼法

中繼法實(shí)則是基于中繼衛(wèi)星系統(tǒng)[39]，利用等離子體鞘層的不均勻性，從等離子體角頻率較弱的背風(fēng)面著手，采用S、Ka頻段信號[40]，建立目標(biāo)飛行器與中繼衛(wèi)星通信鏈路，將黑障問題轉(zhuǎn)化為通信距離問題的一種“迂回”方法[44]。

傳統(tǒng)的中繼法是“一次中繼法”，如圖4所示。相較于信噪比過低的S頻段而言，頻率更高的Ka頻段從飛行器背風(fēng)面穿透等離子體鞘層造成的衰減可忽略不計(jì)，故“一次中繼法”采用Ka頻段信號。

圖4 一次中繼法Fig. 4 Once relay method

但是Ka頻段除了在傳輸過程中受降雨影響較大外[46]，還需在返回艙上新增整套通信設(shè)備，導(dǎo)致該方法在應(yīng)用上存在局限性。針對上述問題，提出一種改進(jìn)方法——“二次中繼法”，如圖5所示。

圖5 二次中繼法Fig.5 Twice relay method

“二次中繼法”是在返回艙與中繼衛(wèi)星之間增加1個(gè)中繼站。返回艙與中繼站之間采用S頻段信號；中繼站與中繼衛(wèi)星、中繼衛(wèi)星與地面基站均采用傳輸特性更好的Ka頻段信號。該方法雖然不能減少信號在等離子體鞘層中的衰減，但可以節(jié)約設(shè)備成本，縮短空間傳輸距離，減少信號傳輸損失，達(dá)到要求的信噪比。

3.10 激光通信

近年來，人類對地外星球例如月球、火星等的深空探索日益頻繁。但隨著探索目標(biāo)數(shù)量增多，探索距離不斷增大，傳統(tǒng)無線電通信的損耗急劇增加。同時(shí)又因?yàn)榛鹦堑刃乔虼嬖谥髿鈱?，飛行器進(jìn)入同樣會產(chǎn)生黑障現(xiàn)象。所以迫切需要一種嶄新的方法解決通信瓶頸問題。

激光通信是利用激光在等離子體鞘層中低損耗傳播的特性，結(jié)合無線電通信與光纖通信的優(yōu)點(diǎn)發(fā)展起來的新型技術(shù)。該技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)、通信速度快、信號光束散角窄[47]以及通信距離遠(yuǎn)等顯著特點(diǎn)。同時(shí)，發(fā)射激光的終端憑借著體積小、質(zhì)量小等優(yōu)勢，更適合安裝在載荷、功耗嚴(yán)格限制的深空探測器上[49]。

激光通信具體做法是將激光作為載波，把信息加載到激光上發(fā)射出去。攜帶信息的光信號在自由空間傳輸，接收端將發(fā)生畸變的光信號收集到光電探測器上，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，根據(jù)信息的加載方式還原信息，實(shí)現(xiàn)雙方通信。

3.11 X射線通信

X射線(又名倫琴射線)由德國物理學(xué)家倫琴于1895年發(fā)現(xiàn)。它是由物質(zhì)受到高能量粒子轟擊或電磁輻射產(chǎn)生的電磁波，波長為納米級，最高頻率可達(dá)1018Hz[51]。

2007年，NASA提出了將X射線應(yīng)用于空間通信的概念，并通過試驗(yàn)證明了該想法的可行性[53]。文獻(xiàn)[54]采用WKB分層法研究X射線在非均勻等離子體中的傳輸特性，通過理論與試驗(yàn)對比表明，X射線在等離子體中整體衰減較小，其能譜輪廓在穿透等離子體前后不變。同時(shí)，可以通過增加入射光子能量和流量來增加穿透率。

考慮到X射線無法在地面環(huán)境有效傳輸，而在等離子體和臨近空間環(huán)境時(shí)衰減較小的特性[55]，整個(gè)通信系統(tǒng)如圖6所示。再入飛行器與中繼衛(wèi)星之間采用X射線通信，而中繼衛(wèi)星與地面基站之間可采用激光或微波通信。

圖6 黑障區(qū)X射線通信原理Fig.6 Principle of X-ray communication in the blackout area

3.12 太赫茲波通信

太赫茲波是介于毫米波與紅外線之間的電磁波，頻率范圍為0.1～10 THz。太赫茲通信具有天線尺寸小、抗干擾性強(qiáng)、方向性好及容量大等優(yōu)勢，可穿透等離子體和濃煙沙塵，易于被大氣中的水分吸收，適合臨近空間或惡劣環(huán)境的短距離保密通信[57]。文獻(xiàn)[20]在中繼法的基礎(chǔ)上提出了一種太赫茲通信系統(tǒng)，并詳細(xì)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)總體、頻率以及通視距離。

對于太赫茲波在實(shí)際非均勻等離子體中的傳輸特性，文獻(xiàn)[58]采用2種非均勻等離子體模型，對太赫茲波在非均勻非磁化等離子體中的傳播特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)無論等離子體密度遵循中低空的Epstein分布還是高空的高斯分布，太赫茲波在其中的最大衰減均小于30 dB，證實(shí)了太赫茲波應(yīng)用于通信黑障的可行性；文獻(xiàn)[59]以RAMC為基礎(chǔ)，研究太赫茲波在非均勻磁化等離子體中的傳播特性，發(fā)現(xiàn)引入外加磁場會降低左旋太赫茲波的傳輸損耗，增大右旋太赫茲波的損耗；文獻(xiàn)[60]比較了太赫茲波在3種分布情況下的非均勻等離子體中的傳輸特性，發(fā)現(xiàn)對太赫茲波吸收最大的影響因素是等離子體的變化率和分層。

3.13 利用駐波檢測和自適應(yīng)碼率的方法

與傳統(tǒng)的黑障消除思路不同，該方法的主要思想是將黑障理解成等離子體鞘層的信道容量小于通信系統(tǒng)信息量而造成的結(jié)果。那么讓再入飛行器通信系統(tǒng)自動適應(yīng)信道的變化就成為一種全新的思路[61]。

主要方法是將駐波檢測和自適應(yīng)碼率相結(jié)合。當(dāng)電壓駐波比(VSWR)大于閾值時(shí)，發(fā)射端自動調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸速率以適應(yīng)信道變化，引入數(shù)據(jù)優(yōu)先級和暫存機(jī)制，并通過編碼增益補(bǔ)償?shù)入x子體衰減，最終使自適應(yīng)通信機(jī)制得以實(shí)現(xiàn)。

與傳統(tǒng)遙測系統(tǒng)相比，該方法采用的系統(tǒng)[62]依次增加了具有緩存功能的數(shù)據(jù)優(yōu)先級分類器、自適應(yīng)碼率調(diào)制器和在線VSWR監(jiān)控，幾個(gè)部分作用如下：

1)具有緩存功能的數(shù)據(jù)優(yōu)先級分類器——對輸入的遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。最重要的數(shù)據(jù)如坐標(biāo)、姿態(tài)等，以高優(yōu)先級被過濾并立即傳輸。而其余大部分?jǐn)?shù)據(jù)則以較低的優(yōu)先級標(biāo)記，然后緩存在緩沖區(qū)中，等待黑障過后，重新傳輸。

2)自適應(yīng)碼率調(diào)制器——自適應(yīng)數(shù)據(jù)碼率控制采用直接序列擴(kuò)頻方法。當(dāng)在線VSWR監(jiān)控檢測到VSWR超過閾值，為了保證恒定傳輸帶寬，數(shù)據(jù)傳輸速率要降到1/2N。理想情況下，可通過下式實(shí)現(xiàn)額外的編碼增益，補(bǔ)償?shù)入x子體衰減：

Gs=20lg (2N)

3)在線VSWR監(jiān)控——天線的反射功率Pr由循環(huán)耦合器分離，然后用功率計(jì)測量，VSWR計(jì)算如下：

式中：Pr為天線反射功率；Po為天線輸出功率。

值得注意的是VSWR閾值選擇問題。為了與傳統(tǒng)的遙測系統(tǒng)相兼容，該系統(tǒng)采用頻移鍵控，即2-FSK。但是隨著等離子體中電子密度不斷增加，2-FSK的幅值誤差也會不斷增大。當(dāng)電子密度大于某一值時(shí)，2-FSK誤差大于50%，通信將無法準(zhǔn)確解調(diào)。為了解決這一問題，同時(shí)考慮到等離子體中電磁波的衰減，通常會將VSWR的閾值設(shè)置為在當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸速率下2-FSK的50%誤差對應(yīng)的VSWR值，即當(dāng)電子密度達(dá)到某一值時(shí)，使2-FSK的誤差達(dá)到50%，此時(shí)的VSWR值設(shè)為閾值；當(dāng)電子密度大于該值時(shí)，對應(yīng)VSWR值大于閾值，此時(shí)自適應(yīng)碼率調(diào)制器會將數(shù)據(jù)傳輸速率降至原來的1/2N，產(chǎn)生更多的額外編碼增益。

3.14 基于天線窗口結(jié)構(gòu)的夾層方法

由于電磁波垂直入射至負(fù)相對介電常數(shù)-正相對介電常數(shù)-負(fù)相對介電常數(shù)交替的介質(zhì)中時(shí)，會在某個(gè)窗口頻率處出現(xiàn)一個(gè)可供電磁波透過的窗口，這一理論為緩解通信中斷提供了一種新方法[63]。

因?yàn)榈入x子體是一種負(fù)介電常數(shù)介質(zhì)，文獻(xiàn)[65]由此提出了一種等離子體-介質(zhì)-等離子體的夾層結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)主要是利用天線位于有防隔熱層的天線窗內(nèi)，而非均勻的等離子體鞘層位于天線窗口外側(cè)。當(dāng)天線窗內(nèi)部產(chǎn)生可人工控制相關(guān)參數(shù)的等離子體薄層時(shí)，便與防隔熱層和外部等離子體鞘層形成等離子體-介質(zhì)-等離子體的夾層結(jié)構(gòu)。

對比電磁波在普通結(jié)構(gòu)與夾層結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，電磁波頻率達(dá)到某一區(qū)域時(shí)，電磁波的反射特性會突然降低，而傳輸特性會突然增高。用窗口頻率、帶寬和傳輸系數(shù)增加值作為參數(shù)衡量這一變化時(shí)發(fā)現(xiàn)，窗口頻率受介質(zhì)厚度的影響最大，內(nèi)外等離子體頻率影響次之；內(nèi)部等離子體參數(shù)對傳輸系數(shù)增加值影響較大；而帶寬主要受內(nèi)部等離子體薄層的厚度、頻率以及中間介質(zhì)厚度影響。

由于介質(zhì)厚度影響較大且一旦確定就無法改變，所以可先通過介質(zhì)厚度確定3個(gè)參數(shù)，然后通過對內(nèi)部等離子體薄層參數(shù)進(jìn)行人工調(diào)控，來獲取相應(yīng)窗口頻率，緩解通信中斷。

4 各種方法的評估比較

4.1 評估指標(biāo)

針對以上介紹的黑障緩解方法，考慮實(shí)際的工程情況、經(jīng)濟(jì)情況等，參考前人的評估方法[24]，給出以下幾種評估指標(biāo)。

1)再入飛行器的尺寸與質(zhì)量：很大程度上決定了再入飛行器的成本與再入性能，絕對不能為了采用某種方案而大程度提高成本。

2)功耗：功耗大小對于再入飛行器成本、有效載荷等有很大影響。

3)地面-飛行器通信的基礎(chǔ)設(shè)施：現(xiàn)有的地面-飛行器通信基礎(chǔ)設(shè)施均已規(guī)模建設(shè)，如果為了改善通信中斷問題，采用的方法需要重新大規(guī)模建設(shè)設(shè)施，這將付出極大的財(cái)力、物力及人力。

4)通信效果：采用緩解的方法所能實(shí)現(xiàn)的效果也是考慮是否執(zhí)行該方案的首要因素之一。

5)安全性：必須考慮所采用的緩解方案對再入飛行器安全性的影響，杜絕發(fā)生類似于美國阿波羅飛行器的事故。

6)實(shí)用性：有的方法僅在理論上可行，但無法應(yīng)用于實(shí)際或者實(shí)際效果很差。

4.2 評價(jià)結(jié)果

(1)實(shí)用性較低的工程方法

1)Raman散射通信法：雖有理論支撐，但是高激勵(lì)源輸出導(dǎo)致的高復(fù)雜度、高功耗和質(zhì)量問題不容忽視，工程實(shí)現(xiàn)難度過大，目前階段不予考慮。

2)高功率法：除了需要防止過高功率擊穿設(shè)備外，還需考慮功耗等問題，一定程度上限制了該方法的實(shí)際應(yīng)用。

3)低頻法：在理論層面提出的方法，無法應(yīng)用于實(shí)際。

(2)輔助性質(zhì)的工程方法

1)改變飛行器空氣動力學(xué)外形屬于無源技術(shù)，已有試驗(yàn)及仿真證明該方案可顯著影響等離子體鞘層的形成，具備從更高高度減速、減少氣動加熱、減小質(zhì)量、增加有效載荷等優(yōu)勢，安全性也有一定程度的保障。但值得注意的是考慮到實(shí)際情況以及所消耗的財(cái)力、物力和人力等，可能無法對再入飛行器外形按照仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行大范圍的優(yōu)化設(shè)計(jì)、改動，所以該方案只能作為輔助手段結(jié)合其他技術(shù)方法使用。

2)親電子注入法屬于無源技術(shù)，通過向等離子體鞘層內(nèi)部注入親電子液體，達(dá)到降低電子密度、緩解黑障的目的。該方法有多年的理論工作支撐，進(jìn)行了多次地空試驗(yàn)，大部分取得了理想結(jié)果，實(shí)用性較高。但實(shí)際應(yīng)用中，必須考慮試驗(yàn)方法、環(huán)境污染以及注入混合的效果等問題。同時(shí)，配套設(shè)備以及注入液體的質(zhì)量問題給總體設(shè)計(jì)帶來了極大難度。

3)燒蝕材料法，將金屬氧化物加入飛行器防熱材料，在氣動加熱期間，金屬氧化物進(jìn)入并中和等離子體鞘層的部分電子，達(dá)到降低電子密度的目的。但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，由于精確控制材料燒蝕速度的方法尚未成熟以及天線附近燒蝕層設(shè)計(jì)較為困難，工程實(shí)現(xiàn)難度較大，通常作為輔助手段應(yīng)用。

(3)目前正在使用的工程方法

1)高頻法不僅有理論方面的支撐，而且早已通過試驗(yàn)證實(shí)了該方法可有效改善黑障現(xiàn)象，是目前廣泛應(yīng)用的工程方法之一。然而，值得注意的是，隨著頻率的升高，大氣和降雨造成的衰減問題將會加重，通常工作頻率最高為10 GHz。

2)利用駐波檢測和自適應(yīng)碼率的方法與現(xiàn)有遙測系統(tǒng)兼容；通過主動感知電磁波傳播特性來控制傳輸速率，確保地面基站對飛行器跟蹤過程不中斷；在黑障期間由于數(shù)據(jù)傳輸速率降低，故在此期間僅傳輸關(guān)鍵數(shù)據(jù)，適合單向再入遙測系統(tǒng)，在工程上擁有良好的應(yīng)用前景。

3)中繼法理論清晰，技術(shù)成熟，可實(shí)時(shí)對再入飛行器進(jìn)行測控和數(shù)據(jù)傳輸；同時(shí)可減少地面基站、測量船的數(shù)量，有很好的其經(jīng)濟(jì)性；目前中繼法主要是與高頻法結(jié)合使用，減少高頻電磁波大氣衰減，保證黑障期間實(shí)時(shí)通信。

(4)未來有待實(shí)現(xiàn)的工程方法

1)“磁窗法”是在飛行器天線附近施加外磁場，人為控制等離子體鞘層中電子分布，從而改變電磁波在等離子體中的傳輸特性。該方法早在20世紀(jì)60年代的RAM飛行試驗(yàn)中驗(yàn)證。雖然“磁窗法”較早投入實(shí)際應(yīng)用且對緩解黑障現(xiàn)象有一定作用，但是該方法對永磁體形成的磁場強(qiáng)度要求較高，而高磁場強(qiáng)度又會影響飛行器內(nèi)部其他器件的正常工作，所以此方法在克服磁場強(qiáng)度和設(shè)備質(zhì)量問題之前，只能作為有一定應(yīng)用前景的方法考慮。

2)引入正交電磁場，近些年來已進(jìn)行了若干地面試驗(yàn)和相關(guān)數(shù)值模擬，有著大量的理論成果。從發(fā)展角度來看，是一種非常有應(yīng)用前景的方法。

3)激光通信存在中繼法的影子，所以其具有廣泛的應(yīng)用前景。但是這種方法除了中繼衛(wèi)星法的限制因素外，還需掌握調(diào)制編碼技術(shù)、大氣信道自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)等激光通信的關(guān)鍵技術(shù)，并解決燒蝕對激光鏡頭影響的問題。

4)X射線通信與激光通信、中繼法類似，不同之處在于其本身具有載波頻率越高，容納信號帶寬越大，單位時(shí)間傳輸數(shù)據(jù)越多的特點(diǎn)。但正是由于特點(diǎn)過于突出，導(dǎo)致X射線通信配套技術(shù)(如發(fā)射源技術(shù)、準(zhǔn)直技術(shù)及ATP技術(shù)等)難度較大。

5)太赫茲通信目前所提出的通信方法仍是建立在中繼法的基礎(chǔ)上，未來有著良好的應(yīng)用前景。但由于大氣中水分子會導(dǎo)致太赫茲波衰減，所以太赫茲波不能應(yīng)用于中繼站和地面基站通信。同時(shí)，由于缺少室溫連續(xù)工作的高功率太赫茲源以及高靈敏度接收系統(tǒng)，所以該方法仍有很多關(guān)鍵技術(shù)需突破。

6)夾層結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的大膽創(chuàng)新，利用喇叭天線，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比夾層結(jié)構(gòu)在通信中斷期間對天線的增益約為10 dB。盡管該方法仍處于理論階段，但有著良好的應(yīng)用前景。

4.3 評估建議

基于以上評估結(jié)果和分析，為了今后能夠更好、更深入地研究黑障現(xiàn)象，提出如下建議：

1)針對黑障緩解技術(shù)，應(yīng)盡早建立一套集設(shè)計(jì)、仿真、試驗(yàn)于一體的規(guī)范化流程，杜絕盲從理論、不尊重客觀事實(shí)以及反復(fù)試驗(yàn)卻無法形成系統(tǒng)理論的情形。所建立的規(guī)范化流程需為后續(xù)臨近空間高超聲速飛行器執(zhí)行不同空間任務(wù)提供保障。

2)加強(qiáng)熱化學(xué)非平衡條件下臨近空間超高速飛行器周圍流場特性及電磁波傳播特性的研究。通過不斷優(yōu)化熱力學(xué)非平衡、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、電磁學(xué)和磁流體力學(xué)模型，進(jìn)一步研究稀薄氣體耦合效應(yīng)對電子密度的影響。使用多物理場耦合模型預(yù)測流場特性，減小數(shù)值結(jié)果與真實(shí)值的差值，提高仿真結(jié)果的可靠性。深入研究電磁波衰減建模，建立可靠的等離子體鞘層信道模型。

3)建立完善的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；研發(fā)低污染熱防護(hù)燒蝕材料；設(shè)計(jì)可控性好、小型化、能夠產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間長和面積大的等離子體新型試驗(yàn)設(shè)備；提高等離子體鞘層診斷技術(shù)，加強(qiáng)對機(jī)載測量設(shè)備在高溫環(huán)境下的適應(yīng)性分析。

5 結(jié)論

隨著航空航天技術(shù)不斷發(fā)展，研究人員經(jīng)過數(shù)十年對再入黑障問題的研究，已經(jīng)取得了顯著的成果。例如：已揭示了黑障產(chǎn)生機(jī)理，完善了黑障數(shù)值模擬方法，優(yōu)化了電磁波傳輸?shù)姆抡胬碚?，提高了試?yàn)驗(yàn)證能力，并提出了多種有效的黑障緩解方法。但由于黑障是一個(gè)復(fù)雜的綜合性問題，它受很多因素影響，任何一個(gè)舉措都可能牽一發(fā)而動全身，所以現(xiàn)有的黑障緩解方法并非一勞永逸，只有多種緩解方法相互配合，才能最大程度地緩解黑障問題，提高地空通信質(zhì)量。本文在介紹和分析多種黑障緩解方法原理及其優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，綜合考慮包括技術(shù)背景、現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施和工程實(shí)際需求在內(nèi)的諸多現(xiàn)實(shí)因素，給出了目前工程上實(shí)用的黑障緩解方法以及相應(yīng)輔助措施。對于諸如太赫茲通信、激光通信等未來具有應(yīng)用潛力的黑障緩解技術(shù)，從仿真模型、試驗(yàn)流程等不同方面提出發(fā)展建議。本文分析所得結(jié)果對深入了解黑障研究現(xiàn)狀及其后續(xù)研究趨勢具有參考價(jià)值。