本科生科研指南（28）：穿越黑障

张宇宁

华北电力大学（北京）

当飞行器返回大气层时，因飞行器与大气间的剧烈摩擦和周围气体的压缩升温，其表面的温度将急剧升高（注一），并进一步导致飞行器材料和空气的电离，产生等离子体。当物质处于等离子体状态时，其物理性质会发生很大的改变，与固态、液态和气态均不同，并对电磁波产生强烈的吸收和散射作用。图一展示了笔者采用高能量聚焦激光在实验室中产生的等离子体及其发光的照片（注二）。因此，当飞行器周围被等离子所覆盖之时，飞行器与外部的通信因电磁波被等离子体强烈的削弱而受到严重的影响，从而产生通信不畅甚至中断的现象，简称为“黑障”。另外，等离子体对于雷达信号也有很好的吸收作用。因此，“黑障”是当飞行器从外太空返回时进入大气层后的重要现象。

图一 笔者采用高能量聚焦激光在实验室中产生的等离子体及其发光

“黑障”在飞行器返回大气层时广泛存在。图二展示了典型的飞行器进入大气层后其下落高度（左侧）和速度（右侧）随时间的变化曲线。图中黑色的区域便是“黑障”区。例如，神舟五号飞船的返回舱在进入大气层以后便发生了“黑障”现象。根据已发布的神舟五号执行任务过程中的重要时间节点（注三），2003年10月16日6时04分，神舟五号飞船进入大气层后因“黑障”而通信中断。后续，随着飞船的下落速度不断降低，飞船周围的等离子体也逐渐变薄。6时07分，搜救直升机收到返回舱的无线电信号并且目视到返回舱，说明飞船已经穿越了“黑障”区域。类似地，神州七号载人飞船也在返回途中碰到过“黑障”区（注四）。当飞行器穿越“黑障”区时，因其所处的外部环境极其恶劣，存在着很强的事故隐患。例如，1971年6月30日，前苏联联盟11号宇宙飞船返回舱再入大气层时，因压力阀门密封性能在分离时被破坏，舱内压力急剧降低导致三名宇航员死亡，教训惨痛。值得注意的是，不仅飞行器进入地球大气层时会有“黑障”区，当飞行器进入含有大气层的其他星球时也会有“黑障”区。例如，火星探测器“探路者号”、“好奇号”均在进入火星大气层后遇到过“黑障”现象。

图二 飞行器进入地球大气层后的速度及高度随时间变化示意图

该图片引自如下网站 https://www.spaceacademy.net.au/spacelink/blackout.htm

尽管“黑障”现象持续的时间只有几分钟，但其对飞行器的安全却意义重大。飞行器飞行过程中一般需要实时地将各类重要数据（包括冲击、振动、热流、位置、速度等）返回地面控制中心，方便地面控制中心进行数据分析和飞行器的相应调整。而一旦进入“黑障”区域，飞行器与地面控制中心间的通信联系被切断，地面人员无法实时地了解飞行器的实时状况，也无法给出有效的操作指令。然而，因高空大气中的湍流等的存在，上述失联对于后续飞行器着陆时的位置精度等等均有很大的影响。如果着陆地点不佳（例如难以营救的偏远山区等等），不但极大地增加了后续地面搜救的难度，而且可能对飞行器的安全以及宇航员的生命造成一定的风险。当飞行器降落在地球上时很多事情还方便处理一些。然而，当探测器在火星上遇到“黑障”时，失败的风险将更高。据统计，人类已经进行的火星探测器着陆实验的成功率仅为37%（注五）。因此，飞行器穿越“黑障”区域的研究具有重要的意义。

当飞行器穿越“黑障”区域时，可以在以下几个方面下功夫从而削弱“黑障”的影响。

1.         将通信用的天线安装在等离子体最为薄弱的位置。

2.         在飞行器表面适当喷涂可以减少等离子体厚度的涂层。

3.         优化飞行器的形状，从而减弱等离子体的厚度并优化其分布。

另外，雷达对于保障载人航天返回舱的安全具有重要作用。在神舟七号飞船进入大气层后的返航途中遇到“黑障”时，通过对雷达跟踪系统进行一系列优化，其在11秒之内便锁定了返回舱（注六），为后续的着陆和搜救提供了重要的位置数据。

从“黑障”相关的研发故事中，本科生可以体会以下几点重要综合素质。

1.         知识的相通性。从“黑障”形成的原理可知，只要存在大气层，飞行器在着陆过程中便会遇到“黑障”区域。因此，无论是在地球上着陆还是在火星表面探测的过程中，都会有“黑障”的身影。因大气层是由星体的引力而产生的，月球等星体由于质量较小，无法有效地吸附气体分子，所以一般近似地认为月球没有大气层。因此，在月球表面着陆时便不必考虑“黑障”现象。

2.         系统思维。通常，一个重大工程的设计和实施涉及到非常多的环节和因素。这就需要科研工作者不但能够提升个别局部产品的性能，而且要从系统的视角去审视最终产品的综合性能指标。值得注意的是，前苏联联盟11号宇宙飞船事故和多次的火星探测器着陆失败已为我们敲响了警钟。系统思维能力需要同学们在本科阶段的学习中便要开始深刻领会。

3.         知识间的关联性。“黑障”现象并非孤立地存在，而是与“热障”现象等有着极其密切的联系。在开展飞行器热防护的同时，实际上也要考虑“黑障”的影响。例如，从飞行器表面涂层的设计而言，既要能够有效地为飞行器提供热保护，也需要能够削弱等离子体的形成并抑制其厚度。因此，上述需求对材料的设计提出了更高、更为苛刻的要求。

注释部分

注一：该现象简称为“热障”。关于“热障”现象及其防护方法的详细介绍，请读者参见笔者的系列博文。

本科生科研指南（27）：突破热障

http://blog.sciencenet.cn/blog-352862-1214572.html

注二：笔者在实验室中产生的等离子体是采用高能量的Nd:YAG激光器通过聚焦透镜在水中形成的。

注三：与神州五号任务执行过程中相关的时间均引自维基百科网站中文版词条“神舟五号”。

注四：引自科学网新闻中心相关报道

特写：神七穿越“黑障”惊心动魄的240秒（副标题：北京航天指挥控制中心目击侧记）

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2008/9/211508.html

注五：该数据引自崔平远等的综述论文第9页，如下。

崔平远,窦强,高艾.火星大气进入段通信“黑障”问题研究综述[J].宇航学报,2014,35(01):1-12.

注六：该数据引自新华网报道，如下。
新华网：我国捕捉穿越黑障区神七目标仅用11秒

http://scitech.people.com.cn/GB/9599076.html