有望缓解航天通讯黑障问题

■记者姜泓实习生韩倩

当飞船重返地球大气层时，电磁波信号会被屏蔽，飞行器与外部联络被切断，这就是所谓的“黑障”现象。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讨团队，日前提出一种与重返大气层的飞船坚持连续通讯的新措施，并且在空中原理性实验中得到考证。这一通讯方式有望缓解通讯“黑障”问题，而且也可被用在超音速飞行器上。讨论这一新措施的研讨论文《应用驻波检测和自顺应码率穿透等离子鞘套的再入通讯措施》曾经发表在美国物理分离会出版的《应用物理学杂志》2016年第1期上。

“黑障”是航天范畴未解难题

“飞船重返地球大气层时，因猛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，这层包裹于飞船名义的电离气体被称作‘等离子鞘’，就像一个密封的金属罐一样，绝大多数的状况下都会屏蔽电磁波信号，切断飞行器与外部的联络，这就是‘黑障’现象。”中国科学院院士包为民解释说：“飞船发出的讯号一直无法抵达空中控制中心，空中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，航天员独一能做的就是等候。”

实践上，包含美国的航天飞机、俄罗斯联盟号飞船在内的一切返回式航天器，从外太空重返大气层的航程不时是风险最大的阶段。许多严重的航天事故，好比阿波罗13号飞船毛病、联盟11号飞船走漏、哥伦比亚号航天飞机解体，都发作在再入大气层的阶段，而再入阶段与空中的通讯失联，更是加剧了风险的不可控性。

据了解，从上世纪70年代起，许多科学家和工程师曾提出过数十种不同的措施想象，但大多受限于实践飞行器载荷重量、尺寸、电力负荷等工程限制而未能完成，“黑障”至今仍是航天范畴的未解难题之一。

新措施不需携带附加设备

“严厉地讲，等离子屏蔽效应惹起的‘黑障’现象并不是信号的彻底中缀，而是信道容量小于通讯系统的信息量的结果。”西电科大谢楷副教授引见说：“让飞船的通讯系统来自动顺应等离子鞘套信道的变更，是我们团队提出的缓解‘黑障’的一种新思绪。”

不同于以往的思绪，诸如经过施增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措施，西电科大研讨团队提出了应用驻波检测和自顺应码率穿透等离子鞘套的再入通讯措施。在研讨论文对驻波负相关特性的物理机理和数学原理中止了论述，设计了完好的自顺应通讯系统并中止了原理性实验考证。

实验结果表明：通讯系统对等离子密度的耐受极限至少进步了一个数量级。换句话说，即便等离子体密度抵达“黑障”临界值10倍以上，仍能在维持最低信息速率的条件下坚持连续通讯。研讨团队提出的新措施不依赖于对等离子层的物理干预，也不需求携带对等离子层的探测设备，因而完整无需增加任何特殊载荷。

据悉，近年来，李小平教授带领的研讨团队不时努力于处置等离子鞘套下测控通讯范畴的基础理论与关键技术问题，取得了国度重点基础研讨计划项目支持。此前，研讨团队还提出了可用于空中模仿等离子鞘套的新型等离子源，胜利中止了空中“黑障”的连续再现，发现了等离子体鞘套环境下一系列特殊的电磁物理效应，并给出了等离子鞘套信道的框架及信道容量估量措施。这些前期的基础研讨工作为取得阶段性的突破奠定了基础。

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