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再论航天黑障区的成因 (高铁手机信号差与黑障问题有关吗?)

已有 1373 次阅读 2022-4-29 14:53 |系统分类:论文交流

摘要:

本文以新的以太理论为基础对洛伦兹因子及洛伦兹变换进行了修正,并应用修正的洛伦兹电磁场变换式分析了导致高速运动体通讯中断的黑障现象,得出了黑障是电磁波从静止的能量空间(以太参照系)进入到运动的介质(以太参照系)或从运动的介质(以太参照系)进入到静止的能量空间(以太参照系)时产生的波形变化所导致的这一结论。

 

关键词:

黑障,黑障区,等离子体鞘套, 麦克斯韦方程,运动介质的麦克斯韦方程,拓展的麦克斯韦方程组,洛伦兹变换,电磁场的洛伦兹变换,电动力学,运动介质的电动力学,动体的电动力学,相对性原理,狭义相对论,相对论,以太,电磁学, 高铁手机信号

 

1.   引言:

当卫星、航天飞船洲际导弹等空间飞行器以很高的速度再入大气层返回地球时,在一定高度内与地面通信联络会完全中断,这就是黑障。黑障大约出现在地球上空35km到80km。黑障是怎样形成的呢?目前科学界普遍认为所有飞行器返回大气层的时候,由于飞行速度极高,飞行器与大气层的摩擦导致飞行器表面的温度非常高,从而使得气体和被烧蚀的防热材料均发生电离。于是,在飞行器的周围形成了一层高温等离子体鞘,从而导致无线电波传输衰减或反射,以至于地面与飞行器之间的无线电通信中断。从20世纪50年代起人们就开始研究黑障及其消除方法。但直到今天黑障仍然是困扰科学界的一个难题。

航天器登录火星时,也会产生导致通讯中断的黑障[1]。由于火星的大气层非常稀薄,密度不到地球大气层的1%,产生黑障的火星着陆器进入火星大气层的速度分别为5.9km/s和7.26km/s[1],小于地球返回舱进入黑障区的初速度7.9km/s。所以,黑障是由航天器与大气层快速摩擦所产生的等离子体鞘导致的这一说法值得质疑。

本研究的目的是搞清楚导致黑障产生的真正原因。本研究以新的以太理论为基础对洛伦兹因子及洛伦兹变换进行了修正,并应用修正的洛伦兹电磁场变换式分析了导致高速运动体通讯中断的黑障现象,得出了黑障是电磁波从静止的能量空间(以太系)进入到运动的介质(以太系)或从运动的介质(以太系)进入到静止的能量空间(以太系)时产生的波形变化所导致的这一结论。

 

2、洛伦兹因子及洛伦兹变换的修正:

在狭义相对论的修正[2]一文中,作者将尺缩,钟慢及质增归结为以太(能量)效应,即物体在以太中运动时,以太作用于物体所产生的物理效应。这些物理效应是客观存在的与观察者参照系的选择无关。由于空间的能量(以太)密度在宇宙空间各处是不同的,并且物体以同样的速度在不同能量(以太)密度的空间运动时所产生的以太效应的强弱应当是不同的。所以,必须对洛伦兹因子加以修正,以体现空间能量(以太)密度的影响:


(3)式中α及k为常数,ρ0为设定的标准空间能量密度,比如地球海拔0米某点的空间能量密度,ρ为运动物体所处空间的能量密度。α与k的数值由实验确定。

在所有洛伦兹变换式(洛伦兹坐标变换、速度变换、电磁场变换)中将速度v更换为 f(ρ)v, 将洛伦兹因子γ更换为修正的洛伦兹因子γ’即可得到修正的洛伦兹变换式:

1)  修正的洛伦兹坐标变换:

 


及修正的洛伦兹坐标逆变换:

 

2)  修正的洛伦兹速度变换:

 

及修正的洛伦兹速度逆变换:

 

3)  修正的洛伦兹电磁场变换:

 


及修正的洛伦兹电磁场逆变换:

 

3.   黑障成因的深入分析:

由于地球引力场的作用,在地球表面存在一个相对地球静止的以太(空间能量)层[1],因此在地球上,地球表面一定高度的空间层可以视为相对地球静止的介质。在地球以太层中,从相对地球以太静止的天线发出的电磁波遵守静止介质的麦克斯韦方程。因为天线(导线)内部的由所有原子核的以太层叠加而形成的以太空间相对导线是静止,可视为是相对导线完全静止的介质,所以,导线内由自由电子运动所产生的电磁波在导线内部及导线表面非常薄的空间层内遵守静止介质的麦克斯韦方程。本研究涉及返回舱天线、地球以太层和地面天线。在航天返回舱以很高的速度返回地球的情况下,当返回舱接受从地面天线发出的无线信号,以及地面天线接收从返回舱天线发出的无线电信号时,分别会出现什么情况?下面我们分别加以分析。

1)   当返回舱天线接收从地面天线发出的无线信号时

由于地面天线相对地面静止,所以地面天线可视为就是地球以太参照系。在这种情况下地球以太层可视为相对地球静止的介质,返回舱天线可视为相对地球以太层运动的介质。在参考系K(地球) 和参考线 K’(返回舱天线)上分别固定一个坐标系oxyz和o’x’y’z’。为了方便,假设两个坐标系的对应坐标轴互相平行,同时设K’相对K以速度v沿x轴的正方向运动,并且在t=t’时两坐标系的原点o和o’重合。

根据修正的相对性原理[2],物理定理在所有以太系中形式相同。所以,静止在K系(地球以太系)中观察,地面天线所发出的电磁波满足静止介质的麦克斯韦方程组:

 


由修正的洛伦兹电磁场变换式(8-1)-(8-6),我们得到在K’系(返回舱天线)测到的各电磁场分量为:

     


以上公式中,ρ为返回舱所处空间的能量(以太)密度。从方程(11-2)、(11-3)、(11-5)、(11-6)、(1)及(2)可以看出,当v→c时,γ’→∞,Ez’ →∞、 By’ →∞。所以,速度v越快,返回舱天线接收到的电磁波的变形越大(即Ey’与Ey, By’与By,Ey’与Ez’, By’与Bz’的差别越大),由此导致信号的信噪比越低,所以返回舱天线接收到的信号越差。

 

2)   当地面天线接收从返回舱天线发出的无线电波时

由于地面天线相对地面静止,所以地面天线可视为就是地球(以太)参照系。在两个参考系K(地球) 和 K’(返回舱天线)上各取一个固定的坐标系oxyz和o’x’y’z’。为了方便,假设两个坐标系的对应坐标轴互相平行,同时设K’相对K以速度v沿x轴的正方向运动,并且在t=t’时两坐标系的原点o和o’重合。所以,静止在K’系(返回舱天线)内观察,返回舱天线所发出的电磁波满足静止介质的麦克斯韦方程组:

 


通过洛伦兹电磁场变换(9-1)-(9-6)我们得到在K系(地球以太系)测到的各电磁场分量为:

         


式中,ρ为K系即地球以太层在离地面某高度的能量(以太)密度。从方程(13-2)、(13-3)、(13-5)、(13-6)、(1)及(2)可以看出,当v→c时,γ’→∞,Ez →∞、 By →∞。所以,速度v越快,地面天线接收到的电磁波的变形越大(即Ey与Ey’, By与By’,Ey与Ez, By与Bz的差别越大),由此导致地面天线接收到的信号的信噪比越低,所以地面天线接收到的信号越差。

由此可知,当返回舱快速进入地球以太层后,会导致返回舱天线接收到的从地面天线发出的无线电信号以及地面天线接收到的从返回舱天线发出的无线电信号的信噪比都非常低,从而导致通讯中断。返回舱进入大气层后,由于大气层的阻力作用,返回舱的速度会不断降低。由于f(ρ)会随着高度的降低而增大,所以尽管在空气的阻力作用下返回舱随着高度的降低速度不断减小,返回舱也不会马上脱离黑障区。当返回舱的速度小于某个值时,返回舱天线及地面天线所接收到的无线电信号的信噪比就会大于某个阈值,从而使得返回舱天线又可接受到地面的无线电信号,地面天线又可接收到返回舱天线发出的无线电信号。以上就是返回舱返回地球是为什么会经历一黑障区的原因。

由于星球引力的存在,任何星球(火星、木星、月球等)表面都存在相对星球静止并随星球一起运动的以太(空间能量)层,所以星球表面一定高度的空间层可以视为相对星球静止的介质。因此我们可以预言,当航天器进入任何星球的以太(空间能量)层时,只要速度足够快,则都会经历一个导致无线电通讯中断的黑障区。

 

3.   讨论:

1)   虽然太空舱在轨道上运动时速度比返回舱返回地球时更快,为什么太空舱在轨道上运动时没有导致无线电通讯中断?

答:越接近地心,地球引力场越强[3],空间能量(以太)密度越高,以太对运动体产生的以太效应(如时间膨胀效应)越强,所以,越接近地心,f(ρ)越大,导致通讯中断所需的运动速度v越小。

从返回舱进入黑障区时的速度(约7900m/s)大大高于离开黑障区时的速度(约200m/s)这个事实也可以说明运动物体越接近地面导致通讯中断所需的运动速度越小。

因为太空舱轨道离地球比较远,空间能量(以太)密度比较低,即f(ρ)比较小,所以,尽管太空舱的运动速度非常快,但由于空间以太对太空舱产生的以太效应(如时间效应)不够强,所以太空舱天线及地面天线接收到的无线电波的变形不够大,因此通讯不会中断。当然如果航天器运动速度足够快,即使在轨道上或其它远离星球的太空也会导致无线电通讯中断的。

 

2)   与返回舱相比高铁运动速度并不算快为什么也会导致手机信号中断?

答:因为高铁比返回舱离地面近得多,高铁所处空间的能量(以太)密度高得多,所以,导致通讯中断所需的运动速度更小。这就是为什么尽管高铁与返回舱相比运动速度并不快但也会导致手机信号中断的原因(高铁速度约83m/s,航天返回舱在35km高度脱离黑障区前的最低速度约200m/s)

 

参考文献

[1]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(1):1-12

[2]Wang, J.A. (2019) The Modification of Special Relativity. Journal of Modern Physics, 10, 1615-1644. doi: 10.4236/jmp.2019.1014107.

[3]. Jian'an Wang. The Modification of Newton's Gravitational Law and its Application in the Study of Dark Matter and Black Hole, 30 March 2021,PREPRINT (Version 1) available at Research Square, https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-373969/v1

 




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