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德国宇航院与斯坦福大学研究再入大气层黑障解决方法

[据美国《航空周刊》网站2016年2月15日报道]航天器再入地球大气层时会产生通信“黑障”是常见且有时会影响人造航天飞行。“黑障”是因为航天器再入时与大气摩擦产生的热在飞行器周围形成了等离子层,阻断了无线电信号。

西安电子科技大学空间科学与技术学院李小平教授带领的研究团队,日前提出一种与重返大气层的飞船保持连续通信的新方法,并且在地面原理性实验中得到验证。这一通信方式有望缓解通信“黑障”问题,而且也可被用在其他的10马赫以上超音速飞行器上,比如未来的空天飞机。

“水星”、“双子座”和“阿波罗”计划都曾受到“再入黑障”影响,从高度90千米到40千米冲击加热形成的等离子体阻断了潜在的关键数据的传输。该问题一直没有得到彻底解决。

探讨这一新方法的研究论文《利用驻波检测和自适应码率穿透等离子鞘套的再入通信方法》(Re-entry communication through a plasma sheath using standing wave detection and adaptive data rate control,全文链接: of Applied Physics)2016年第1期。

德国宇航院今年1月与斯坦福大学的科学家一道联合开展研究,在科隆的电弧加热的风洞进行了实验来评估解决该问题的方法。该实验设备暴露在几千度的等离子体中,而其与热气流外部的另一个天线进行通信。

中国第一位宇航员杨利伟在他的自传书《天地九重》中,这样回忆了归途中载人飞船重返大气层时所经历的惊心动魄的一幕:遭遇强烈的过载和振动、看见烧得通红的舷窗、不断剥落的碎片,更可怕的是再入大气层飞行阶段无法和地面取得任何联络,独自面对危险甚至死亡威胁时的精神煎熬。

该实验测试了通过在传输天线周围产生负电压场来阻止“再入黑障”影响的方法。DLR称,该方法改变了等离子流动从而为无线电信号打开了一扇窗户。该窗户不能无限期打开,因为脉冲电压有数毫秒间隔,但这已足够数据的传输和接收。

实际上,包括美国的航天飞机、俄罗斯联盟号飞船在内的所有返回式航天器,从外太空重返大气层的航程一直是风险最大的阶段。众所周知,许多重大的航天事故,比如阿波罗13号飞船故障、联盟11号飞船泄漏、哥伦比亚号航天飞机解体,都发生在再入大气层的阶段。而再入阶段与地面的通信失联,更是加剧了风险的不可控性。

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图1 飞船重返大气层的场景

飞船重返地球大气层时,因剧烈的摩擦被数千摄氏度高温气体所环绕,这样的高温足以使空气电离而变得具有导电性,这层包裹于飞船表面的电离气体被称作“等离子鞘”,就像一个密封的金属罐一样,绝大多数的情况下都会屏蔽电磁波信号,切断飞行器与外部的联系,这就是所谓的“黑障”现象。

“飞船发出的讯号始终无法到达地面控制中心,地面也就无法得知或者控制飞船的位置和状态。在‘黑障’阶段,每一秒钟都是煎熬,你唯一能做的就是等待。”中国科学院院士包为民如此说到。

论文第一作者谢楷副教授介绍说,严格地讲,等离子屏蔽效应引起的“黑障”现象并不是信号的彻底中断,广义上可以认为是信道容量小于通信系统的信息量的结果。让飞船的通信系统来自动适应等离子鞘套信道的变化,是他们团队提出的缓解“黑障”的一种新思路。

不同于以往的思路,诸如通过施加强磁场约束等离子层中的电子,或者向等离子层中喷入降温液以减少电子密度等物理方法,论文提出的利用驻波检测和自适应码率穿透等离子鞘套的再入通信方法,不需要携带任何额外的附加设施,甚至可以与现有的测控系统保持兼容,具备工程应用的潜力。

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图2 自适应再入通信系统图框图

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