钝头型航天器再入通信黑障及对策研究

（中国空间技术研究院，北京 100094）

1 引言

再入航天器在返回地球表面的过程中会使其前部的大气产生强烈的弓形冲激波和黏性摩擦，继而出现很高的温度。这将使得周围的气体和被烧蚀的防热材料的分子分解和电离，形成一个像刀鞘一样覆盖在航天器表面的非均匀分布电离气体层，即所谓等离子鞘套（Plasma Sheath）。这一电离气体层将对电磁波产生吸收、反射和折射等影响，可能造成再入航天器与地面的测控和通信信号的中断，形成所谓再入通信黑障（Blackout）。

再入段是环境最恶劣、航天器本身最为脆弱的阶段。相对说来，这一时段出现问题的概率高（美国哥伦比亚号航天飞机灾难性事故是一典型的例子），出现问题后要求尽快处理，以避免出现灾难性后果。尤其对于载人航天，由于“人命关天”，这点显得尤为重要；而通信黑障对这类航天任务的可靠完成带来大的障碍。

早在20世纪60年代载人航天初期，人们就开始认识到再入通信黑障问题并给予了高度的重视，经过多年的努力，获得了一些可喜的成果。但是，由于这一课题的理论模型验证和进行可信的地面试验等方面工作的难度很大，到目前为止还未获得具有较普遍意义的工程实用解。

从技术上讲，这是一个交叉领域的课题，涉及电磁场、通信、等离子体物理、空间环境、材料和热力学等方面的内容，想要找到解决这一难题的通解难度极大。本文针对我国航天器（均为钝头型再入航天器）再入，特别是载人航天的实际情况，以现有技术能力、空间基础设施作为边界条件，对通信黑障及其相关解决问题的方法和设想进行仔细的分析和评述，提出近期（设为3～4年，下同）工程实现可能的发展方向和远期前景。本文的结果对我国今后的载人和非载人的再入航天器工程顶层构想具有重要参考意义。

2 再入通信黑障的产生及其影响

2.1 电磁波在等离子体中的传播

再入通信黑障的问题，实质上是电磁波穿透等离子鞘套传播的问题。要想获得它的精确表达式十分困难，但针对一些较符合实际的简化情况，可获得一些有明确物理意义的结果。

求解平面电磁波在等离子体中传播时的波动方程［1］，可得到与等离子体表面垂直的电磁波的传播常数的实部（衰减常数）αp和虚部（相位常数）βp：

式中：k0＝ω／c，k0为传播常数，ω为工作角频率，c为光速；εr′＝，εr′和εr″分别为等离子体介电常数的实部和虚部，ν为等离子体中的自由电子与离子及中性粒子碰撞的频率，称为电子碰撞角频率。ωp为等离子体角频率，可表达为

式中：fp为等离子体频率；ne是等离子体电子密度，e为电子的电荷，me为电子的质量，ε0为真空中的介电常数。

对于无碰撞等离子体的情况，ν＝0，代入式（1）和（2）可得

因此，对于ω＞ωp，电磁波可无衰减地在等离子体中传播；ω＜ωp，电磁波指数函数迅速衰减，不能穿透等离子体；ω＝ωp，这时βp＝0，电磁波在界面全反射，不能进入等离子体。

对于有衰耗等离子体的情况，ν≠0，从理论上讲，这时电磁波传播过程中都会有衰减，图1给出了αp随归一化角频率ν／ωp变化的计算曲线［1］。可看出，当ω＞ωp时，随着频率的增加，衰减迅速减少，这表明，使用更高的频率将有利于电磁波穿透等离子体。

图1 等离子体衰减常数随归一化频率（ω／ωp）的变化Fig.1 Plasma attenuation constant versus normalized frequencyω／ωp

对于电磁波穿过等离子鞘套的总衰减可表示为

式（6）中，定积分的上下限a，b为在电磁波传播方向等离子体的起、止点。此公式看似简单，但由于αp这一空间函数关系很难获得，此外它随时间的变化更难预测，应用起来十分困难。

2010年的研究指出［2］：对于当前所有实际应用的情况，再入航天器无外加磁场的等离子鞘套近似满足无碰撞条件。定性地讲，这可能是在再入航天器出现通信黑障的高度（一般为40km～100km），空气相当稀薄，ν／ωp很低的缘故。

2.2 钝头型再入航天器及其再入时电子密度分布

2.2.1 钝头型再入航天器

再入舱可以有多种类型，如尖头型、无动力升力滑行型和钝头型等。尖头型的构型在再入时等离子体电子密度较低，厚度也较薄，较易解决再入通信黑障问题。但它的构型导致有效载荷容量很小，且气动加热和烧蚀现象十分严重，并未在再入航天器中采用；美国的航天飞机采用无动力升力滑行型。由于它类似飞机的特殊外形和再入过程，使得它在再入时的等离子鞘套具有独特的分布特性。这种构型较为特殊，一般再入航天任务不会采用。

钝头型克服了尖头型的固有缺点，是多年来绝大多数再入航天器选用的类型，在深空探测中也有广泛的应用前景。它的再入流场和等离子体鞘套特性与前两种不同，本文将只考虑钝头型再入航天器的情况。图2为典型钝头型再入航天器（阿波罗飞船）再入舱在40km 高度的流场分区示意图［3］，图中α0为再入攻角。

图2 典型钝头型再入航天器的流场分区Fig.2 Flow regions for typical blunt-nosed reentry spacecraft

2.2.2 航天器再入时的ne分布

从2.1节可知，ne和ωp（或fp）等效，是描述等离子鞘套特性最重要的参数。已有一些理论结果，或利用飞行试验数据结合理论模型推算出的ne分布。它们可以作为研究再入通信黑障问题的重要输入条件。

图3给出了某钝头型洲际导弹再入大气层，对27km 高度，在天线安装位置附近的计算结果［3］，包括温度、相对空气密度、电子密度和碰撞频率等。

图3 某钝头型洲际导弹再入时特征参数计算曲线Fig.3 Calculated curves of some characteristic parameters during reentry of a blunt-nosed ballistic missile

欧洲航天局在1998年10月进行了一次大气层再入演示器（Atmospheric Reentry Demonstrator，ARD）的飞行试验［4］。利用阿里安-5火箭发射一个质量为2.8t、缩比尺寸为70%的阿波罗（Apollo）再入舱，经过约101min的亚轨道飞行后成功再入（最高高度达830km，最高速度为7.6km／s）。它的再入过程和参数（如弹道和攻角等）与阿波罗飞船类似。利用所装载的专用设备（如反射仪等）在再入过程中获得的测试结果，计算出不同高度下的fp分布。如图4所示为61.5km 高度（再入等离子鞘套最严重时）的情况。由于利用了一些再入飞行试验数据，模型和数据较新，可信度相对较高。

美国的“火星探路者”（Mars Pathfinder）探测器是钝头型的又一例子。图5为该探测器进入火星大气层时周围ne（头部和背面）随高度变化的计算曲线［5］。

图4 ARD 在61.5km 高度时的等离子体频率分布图Fig.4 Plasma frequency distribution at 61.5km altitude for ARD

图5 “火星探路者”再入时其周围ne 和高度的关系Fig.5 Relation of ambient electron density and altitude during reentry of Mars Pathfinder

航天器再入时的ne（或fp）空间分布与航天器外形、高度、再入速度、攻角和弹道有关。钝头型再入航天器在再入时，迎风面方向的ne要比背风面方向的ne高得多，对图5的情况，其差值约为两个数量级，即fp相差约一个数量级；对图4的情况（ARD再入等离子鞘套最严重时），迎风面驻点附近的fp最高可达约40GHz，而背风面方向附近最高值只有4.4GHz左右，结果和图5类似。这表明：此类航天器在再入时，从背风面方向附近维持无线电通信要比迎风面方向容易得多。

2.3 再入航天器经历再入通信黑障的例子

据报道［6］，美国的“水星”和“双子座”飞船通信（S频段）黑障一般都持续几分钟，例如水星-2飞船是从再入后9min 5s开始，持续约4min。阿波罗飞船（也为S频段）这一时间约为3～5min，例如阿波罗16号飞船为3min 17s。苏联的联盟号飞船再入时也经历了约10min的通信中断。

在探测有大气层的其他行星或卫星时，也遇到了同样的问题，例如1997年7月美国“火星探路者”在火星着陆前，经历了约30s的通信（X 频段）中断；2005年1月欧洲航天局的惠更斯探测器在土卫六（Titan）表面着陆过程中，也存在通信黑障现象。

1998年10月欧洲航天局的ARD 飞行试验为钝头型航天器再入时的无线通信积累了较为可靠的数据［4］。该演示器配备有6副天线，3种无线信道：其一是工作在1.575GHz的GPS 接收信道；其二是工作在2.203GHz和2.218GHz的遥测信道（利用布置在预定落点附近空域的两架飞机接收，速率为250kbit／s）；其三是工作在2.267GHz的数据中继信道（和定点在171°W 的数据中继卫星通信）。试验结果表明：

（1）第一和第二信道在再入过程中都出现了不同时段的通信黑障；

（2）工作频率低的信道（即GPS）通信中断现象更严重，这和理论的预估一致；

（3）在ARD 再入运动前方的信道链路（如与前方的GPS卫星或前方的遥测接收飞机通信）比运动后方的信道链路的通信黑障时间更长，这和图4的fp空间分布示出的结果一致；

（4）通过数据中继卫星的信道未出现中断现象，但在86km 至43km 高度有信号衰减，最大约25dB。以上结果再次表明：对于钝头型航天器在再入时，从背风面方向（或近似背风面方向）维持无线电通信要比迎风面方向容易得多。这一点对寻找克服此类航天器再入通信黑障的途径具有重要意义。

3 减轻或消除等离子鞘套影响的方法及其优缺点分析

自从发现航天器再入通信黑障，并认识到这是危及载人航天安全的重要因素以来，国内外进行了大量研究和尝试，提出了不少减轻或消除这一影响的方法。由于在近年来对高超音速航空器或武器（以在较稠密大气层中高速飞行为特点）的开发中也遇到了类似的问题，对它的关注度在持续上升。

以下介绍一些主要的方法，并对其优缺点分别进行分析。

3.1 低频法

从图1可知，当工作频率明显低于fp时，等离子体的衰减也明显减少。用低的频率（例如短波频率）进行再入通信似乎是一种可能的途径。但在尺寸非常有限的再入航天器上安装能有效辐射且耐烧蚀的低频天线根本不现实；另外工作频率低，可用带宽窄，数据传输速率也低。因此，这一建议虽然很早就有人提出［3］，但没有进一步发展和试验的报道。

3.2 高频法

当工作频率增加，对应传播截止的临界ne也增加。因此，对于一定ne的等离子体，提高入射波的频率可有效降低其信号衰减。

这一方法已为地面和飞行试验证实原理上可行。由于频率高，它能传输高的数据速率，通信容量不成问题。在使用的频谱资源方面，对再入航天器看来不成问题，已有Ku频段、Ka频段甚至更高的频段可供选择。但如果是直接向地球站传播，还必须考虑雨和大气造成的衰减问题（随着频率的增加，这一问题越严重）；它的另一缺点是和目前多数航天器再入舱采用的通信频段（例如S频段）不兼容，实施上会带来一些困难。

3.3 激光法

从物理上讲光波是频率更短的电磁波，此法是3.2节所述方法的自然延伸，它从理论上可行。它可具有更高的数据传输速率、高增益和频谱至今没有限制的优点。但缺点是：①它对重量和功耗的要求很高（目前的激光产生的效率小于1%），再入舱不可能满足；②还没有相应的地面基础设施；③表面材料的烧蚀可能对激光镜头造成明显的污染；④激光穿透再入烧蚀烟雾、大气层中的云、雾、雨、尘和对流层湍流将对激光传输产生严重影响；⑤由于激光波束极窄并须完成高精度捕获跟踪，返回时再入舱的恶劣环境（振动、高温、较大的姿态变化率及烧蚀造成的杂光背景噪声等）将对此造成极大的困难。在众多关键技术取得突破前，应用的可能性很小。

3.4 高EIRP和G／T 值法

增大发射功率或发射天线增益，可相应增加透射信号强度；增大接收天线增益或减少接收噪声，也可降低再入舱接收通信信号的门限值。它可从再入舱和地面通信站两个方面着手，并可不改变频率配置，但代价极大。考虑到在目前的通信频段，再入段的对地方向的等离子体衰减可达几十分贝，相应的质量和功耗的增加对再入舱均是个不能承受的负担；此外，再入舱天线的功率容量也是一个大的制约条件，计算表明，对于较易为再入舱采用的隙缝腔体天线，它在S频段（2.39GHz）的击穿功率约100 W，远远达不到要求；发射功率和接收灵敏度的明显提高也给电磁兼容带来大的困难。以上各点都明显限制了它的使用前景。

3.5 选择合适的再入舱空气动力外形

再入舱空气动力外形对ne（或fp）的空间分布有明显影响，可以通过变化再入舱的结构外形来实现空气动力特性的改变，使之有利于再入通信。但对总体设计人员，要考虑的因素很多（如载荷容量、弹道及与发射火箭的匹配性等），不大可能为了解决再入通信问题而损害整个任务的功效，这也是到目前为止绝大多数航天再入舱都选用钝头型的原因。采用无动力升力滑行型的航天飞机虽然在这方面有好的特性，但一般再入航天任务很难选择这样的空气动力外形。

在总体设计时，应提倡在不损害主要任务完成的前提下，尽可能加入对空气动力外形因素的考虑。它虽不能单独解决再入通信问题，但能够起到增强其他方法的作用。

3.6 选择合适的再入弹道参数

它包括再入程序和攻角等方面的选择。由于它能影响到再入时能量转换的过程，原则上也能影响到ne（或fp）的空间分布，起到和3.5节类似的效果，可配合其他方法一起使用，起到辅助的作用。

3.7 通信天线位置的选择

将通信天线设置在ne相对较稀薄的再入舱表面，将有利于克服再入通信黑障，例如尽量远离再入舱再入时的驻点区等。当然这必须和应通信的地球站的布局统筹考虑。它的局限性也较大，不能单独解决问题。

苏联在20世纪70年代在设计其暴风雪号（Buran）航天飞机时，曾有过一种独特的再入通信天线位置的选择思路：在其头部前端伸出两个如同昆虫触角的天线，如图6所示。在再入大气层过程中，该天线位于航天器头部厚的冲击层（Shock Layer）之外。分析表明：由于天线是尖锥形构型，再入攻角又很小，和航天飞机头部附近相比，它附近的气体电离相对较低，有可能形成和地球站的再入通信窗口。苏联在高度保密情况下进行了大量的分析计算（包括天线附近的ne分布、对航天飞机空气动力特性的影响、加热效应和热防护措施等）和一些相关的风洞试验，并认为有可能在S或C 频段克服再入通信黑障。这一研究由于暴风雪号航天飞机计划的中止而未继续进行。过了近30年，俄罗斯人解密了这一工作，并在国际会议上作了介绍［7］。这是一个十分大胆和“另类”的选择天线位置和类型以克服再入通信黑障的设想，仔细分析不难看出其工程可实现性存在大的问题：为了使天线在再入通信任务完成前不被烧掉，必须要有复杂的有源冷却系统，这一难题即使是在现在也不易解决。

图6 暴风雪号航天器模型及其再入通信天线组件照片Fig.6 Photograph of a Buran spacecraft model with a reentry communication antenna assembly

3.8 注入亲电子物质法

由2.1节可知，通过降低ne（即降低ωp或fp）就可使较低频率的电磁波穿过等离子鞘套，消除再入通信黑障。这可通过注入亲电子物质来实现［2，8］。已发现一些可用于这一目的的亲电子液体，如水、六氟化硫、三氯乙烯、各种类型的氟氯烷和碳氟化合物等。其中水是研究较多的材料，它的热容量高，注入后可有效降低等离子体的温度，使离子和自由电子加速复合，从而减少电子密度。其它亲电子液体起到吸附或束缚电子，降低ne的作用。

这一方法在原理上没有问题，也进行了多次地面试验和飞行试验，但结果散布较大（从差不多完全消除黑障到几乎无效），这可能与试验方法和注入混合的效果有关。在1965年3月，美国在双子座3号载人飞船上进行了注水试验并取得了部分成功（在部分弹道时段超高频（VHF）频段和C 频段的信号突破了通信黑障），这是迄今为止人类进行的唯一的一次用这种方法减轻再入通信黑障现象的载人飞行。有关这一方法的研究工作仍在不断推进，不过，大多数亲电子液体有产生环境污染（例如对臭氧层的破坏等）的缺点。

近年来也有人提出注入固体亲电子物质的设想［2］：可选用金属氧化物（例如氧化铝或氧化钨等）粉末和相应的注入方式。地面试验结果表明，这种方法可使等离子体电子密度减少到原来的三分之一（相当于fp减少到原来的58%左右），它也存在污染环境的缺点。

3.9 亲电子物质烧蚀材料法

再入航天器表面一般都覆盖有烧蚀材料层，它在再入遭遇高温时缓慢烧蚀，保护了航天器安全经历再入时的超高温度环境。如果在烧蚀材料中有意加入氧化铝等亲电子物质微粒，在再入烧蚀过程中，它可自动释放氧化铝微粒到再入等离子体中，使ne降低［2］。它也可看成是3.8节方法的延伸，其优点是可用无源的方式实现，对其他方面的影响较小。其缺点是通信天线附近的烧蚀层很难设计：它必须确保在再入等离子体流场（它是时变函数，同样很难预知）中的烧蚀速度（太慢则起不到作用，太快又有可能危及天线甚至航天器的安全），近期工程实现还有较大困难。

3.10 磁窗口法

如果在再入通信天线附近外加静态磁场，并使其磁力线方向和电磁波传播方向一致，这时等离子体中的自由电子受到限制，在洛伦兹力的作用下作螺旋运动。这将改变电磁波的传播模式，使频率低于fp的电磁波穿透等离子体的衰减降低，有利于解决黑障问题［9］。可以证明，在这种情况下只有圆极化波才能成为波动方程的解，并且不同旋向的圆极化波对应的εr′和εr″不同，选用右旋圆极化波通信可获得在等离子体中较好的透波特性。人们建立了不同的数学模型进行分析和计算，结果表明需要很强的磁场。例如：为了使S频段的电磁波穿透fp接近X 频段（电子密度约为1012个／cm3）的等离子体，需要高达1.3T 的磁场。美国曾针对这一思路进行过飞行试验（如在RAM A-2导弹上），但没有报道其试验结果。

这一方法的优点是：如果采用永磁铁即可以实现无源系统。但由于质量和体积条件的限制，现有的技术水平（2009年）的再入航天器仅能配备约0.15T强度的永磁铁，远远达不到上述要求；更大的障碍是磁性材料本身，它的居里温度明显低于航天器再入时的表面温度，以上各点都大大限制了它的工程实用价值。

如果采用通电线圈来产生磁场，这样不仅失去了无源系统的优点，并且产生如此强大的磁场所需的线圈和配套电源也会对航天器造成大的负担（目前在地面环境产生1T 的磁场约需数千磅的质量）；如果采用超导磁场的思路，又需要制冷系统，技术复杂且质量上的收益并不明显。

当然，技术在不断向前发展，将来可能有突破。已有报道：采用碳纳米管（Carbon Nanotubes）复合材料技术开发新一代轻质量飞行用的超导电磁铁［10］，产生1T 的磁场大约需要250kg质量（不含制冷系统），作为航天应用还相差较远。

3.11 正交电磁场法

采用正交电磁场的方法可减轻对强磁场的要求。它是在天线口面处分别引入电场和磁场。磁场方向和电磁波传播方向一致；电场方向垂直于磁场方向，且和等离子体流场方向平行，如图7和图8所示［11-12］。

图7 正交电磁场法中的天线、磁铁和电极示意图Fig.7 Schematic of the antenna，magnet and electrodes for ExB electromagnetic field method

图8 正交电磁场法的场线示意图Fig.8 Schematic of the field lines for ExB electromagnetic field method

正交电磁场一方面导致流经该区域的离子和自由电子发生霍尔漂移，减少了天线附近的ne，从而减少了电磁波的衰减；另一方面，由于电场方向和流场方向相同，离子被加速，自由电子被减速，且电子减速效果更加明显，这使得它们的复合概率加大，进一步减小了ne。同时，与3.10节的情况相似，电磁波在磁化等离子体中有了新的传播模式。以上因素都有利于克服通信黑障。

分析表明：这种方法比磁窗口法需要的磁场要小，例如配置0.2T 的磁场和150V 电位差的电极，在天线口面处形成正交电磁场，ne减少约一个数量级（fp减少到原来的31.6%左右），但要付出引入附加电场的代价。这种方法需要的资源较少，具有发展前景。在这方面的工作基本上还停留在理论研究阶段，数学模型较为简单且缺少有效的试验验证，离航天器再入的工程实用还有较大的距离。

3.12 哨声波（Whistler Mode Wave）法

此设想可以看成是前两种思路的延伸。人们从自然界闪电产生的电磁波能穿透电离层（它也是一种等离子体）沿着地球磁力线方向传播到地球的另一面（以一种频率随时间具有下降特性的“哨声”被探知，故它被称为哨声波），并可来回反射的现象得到启示，提出了应用哨声波的设想［13］。哨声波是一种特殊模式的右旋圆极化波，其在等离子体中的传播方向平行于外加磁场，振动方向在垂直于磁场的方向。

近年来，人们针对等离子鞘套的情况，在一些简化假设的条件下（主要有：一维等离子体、通信天线附近的等离子体满足高斯分布、碰撞频率为零和薄等离子体等），求解麦克斯韦方程和微粒运动方程。结果表明［1］：在有外加磁场的条件下，除了正规的左旋和右旋波模式外，还可存在一种特有的右旋波传播模式，即哨声波模式，当其谐振频率等于电子回旋频率fg（fg＝ωg／2π＝eB／2πme，ωg为电子回旋角频率，B为磁感应强度）时，通信用的电磁波可在一个较宽松的条件范围内，以哨声波的模式穿过等离子体，越过边界后又能自动转换为常规右旋圆极化波继续传播。

这一新的设想吸引人之处在于它需要的磁场相对较弱，有利于工程实施。有计算表明：如果通信频率为2.3GHz，ωg／ωp＝1.8，需要强度约为0.15T的磁场。

如果能建立更接近实际的模型进行仔细的分析并进行模拟试验工作，将有效评估此设想的价值。此外，如何高效地激励出哨声波（即设计出可供工程应用的哨声波天线）也是必须解决的难题。如果在这两方面有明显突破，此设想将可能有好的应用前景。

3.13 拉曼（Raman）散射法

它是1994年基于拉曼散射的原理提出的新设想［14］，又被称为三波互作用（Three Waves Interaction）法。理论研究表明：基于等离子体的固有特性，在热等离子体的条件下，利用作为激励（Stimulus）源的强电磁波、通信信号电磁波和等离子体振荡波3种波之间的相互作用，可产生另一频率的后向散射的斯托克斯（Stokes）波穿过等离子体。

但这一设想的工程实现难度极大。首先，航天器再入过程可能不满足上述效应的热等离子体（Warm Plasma）条件（在迄今为止的飞行试验中还未观察到此热等离子体效应）；其次，它需要一个频率高于信号频率的激励源，由于拉曼散射的幅度很低，这要求激励源输出很高：对于工作在S频段的波导隙缝天线，对应的功率高达80kW，这远远超出天线的功率容量（见3.4节），也带来极其困难的质量和功耗问题；最后，由于从地面站发射激励源信号要求功率太大（距等离子体太远），这一设想即使克服了前面的缺陷也只能解决单向传输的问题。综上所述，如果没有原理上的新突破，基于这一设想解决再入通信黑障的可能性极小。

3.14 中继法

由于工程技术水平和航天基础设施等方面的原因，过去在文献中很少提到用中继法解决钝头型再入航天器的通信黑障问题。只有欧洲航天局在1998年利用美国数据中继卫星进行了一次S频段的飞行试验（见2.3节）。

中继法是一种“迂回战术”，它并不试图直接解决消除或减弱等离子鞘套的难题，而是利用其明显不均匀分布的特点（如2.3节所述：钝头型再入航天器在再入时，通信用电磁波向上方向透过等离子鞘套的衰减要比向下方向小得多），将电磁波从鞘套较弱的方向传出，通过某个适当的中继站转发，绕道到达地球站。这样就避开了直接对地传输方向的巨大信号衰减，可减轻或解决再入通信黑障问题。近年来我国航天技术的发展，使得它可能在近期针对载人航天活动实现工程应用，主要理由如下：

（1）有现成的航天基础设施可供利用：神舟飞船的再入着陆场为内蒙古四子王旗，而中继站可选用我国已建成的天链一号数据中继卫星系统。分析和计算（考虑再入攻角、轨道、天线方向图和通信黑障可能出现的高度范围等边界条件）表明：现有系统中就有对再入通信处于较好轨位的中继卫星（其通信方向基本上在再入舱的背风面），这将明显降低工程实施所需的时间和成本。

（2）在再入航天器和中继星之间的星间链路上有Ka频段（23GHz～26GHz）和S 频段（2.1GHz～2.3GHz）可供选用，符合国际频谱规范规定。其中Ka频段明显高于中继传播方向的等离子体频率fp（见2.2节），可穿透鞘套传播，最具有工程可实现性，为此作者曾提出了利用我国的中继卫星在Ka频段进行突破黑障试验的建议［15］。S频段（这是多数航天器再入舱在轨时使用的频段，如在再入段能使用它将明显节约空间资源）的中继传输存在明显衰减（ARD的试验结果最大约25dB，见2.3节），如要想应用此链路设计应考虑这一影响。

（3）Ka频段星间中继技术已成功在轨应用近6年，可直接供工程选用。

（4）此方法的代价是通信电磁波上下折返到达地球站加长了链路的距离，并需要一定的质量和功耗资源在再入舱上配置相应频段的设备。但与避开直接对地传输方向巨大信号衰减的优点相比，这些代价还是十分值得的。

综合考虑：中继法物理概念清晰，没有要攻关的关键技术，需要资源较少，如果决策迅速，能在3～4年内得到工程实现（特别是选用Ka频段），并具有很好的开发和应用前景。考虑到尽量减少对再入舱资源（质量和功耗等）的需求，以满足再入段最低限度通信要求（只考虑质量一般的双向通话和较少数量的重要遥测参数，例如前向、返向信息速率均为8kbit／s）为前提，配合应用一些无源技术（如再入程序优化、天线电设计及位置选择等），分别对Ka频段和S频段信号（S频段信号的链路设计更加困难，需通过特殊方式解决）完成了对相关工程实现方案的初步论证，其详细结果将另文发表。

4 各种方法的比较和评估结果

4.1 比较和评估项目

本文针对广泛应用的钝头型再入航天器，对前述14种方法的优劣进行评估，为此给出了与工程实现及效能密切相关的13个评估项目。

（1）是否为无源技术：如能采用无源技术解决问题将有极大的优点。

（2）要求的航天器尺寸和质量：它们是航天器的重要资源，和解决问题的成本直接相关（国际上，1kg质量的发射成本就达10 000美元左右）。

（3）要求的功耗：也是航天器的重要资源，和解决问题的成本直接相关。

（4）对航天器的改动：可能影响到航天器的总体设计和成本，限制因素较多。

（5）是否符合规定的频谱使用规范：这是在管理方面的一个重要限制条件。

（6）利用现有的航天通信基础设施的程度：如果要求新建专用基础设施，代价将巨大。

（7）理论模型的正确性：一些较新颖的设想往往立足于简化条件较多的数学模型，此模型的正确性将直接影响其应用价值。

（8）是否有飞行或地面的试验验证：已有试验结果的方法可信度较高，飞行试验的价值优于地面试验；

（9）通信容量：必须满足任务要求。

（10）安全性：对航天员和环境是否可能有安全性方面的隐患。

（11）能否单独解决问题：有的方法只能起到辅助的作用，不能单独解决问题。

（12）近期可否工程实现：尤其针对我国载人航天活动，是否有近期可能实现的工程解。

（13）远期前景：从发展的角度（针对各种通信黑障问题）看应用前景。

4.2 评估结果和讨论

表1给出了对第3节中描述的所有方法的定性评估结果。

表1 不同减轻或消除再入通信黑障方法的定性比较Table 1 Qualitative comparison of various methods for mitigating or eliminating reentry communication blackout

下面对表1的结果进行说明和讨论。

（1）显而易见，无源技术最受人们青睐。再入舱空气动力外形、再入弹道参数、通信天线位置（选在再入舱表面）和亲电子物质烧蚀材料等4种方法属于这一范畴。对于钝头型再入航天器，前3种还不能单独解决问题，但可以作为辅助手段使难度降低。因此，在总体设计中应综合考虑这些因素。采用亲电子物质烧蚀材料可能实现单独解决黑障问题，近期还存在工程实现上的障碍，但远期前景较好。磁窗口法中使用永磁铁的思路本也属于无源技术，但在可见的将来并无可行性，故不在考虑之列。

（2）质量、尺寸和功耗是航天器的十分有限的资源。在现有工程技术条件下，选用低通信频率、激光、高EIRP 和G／T、通信天线位置（选在鞘套冲击层外）、磁窗口和拉曼散射的要求太高，直接影响了在评估中的得分；中继、高通信频率、注入亲电子物质、哨声波和正交电磁场等方法的要求相对低些；而无源技术方法的要求更低。

（3）对航天器的改动要求较多的有低通信频率、激光、通信天线位置（选在鞘套冲击层外）、磁窗口和拉曼散射等。此外，由于考虑的是钝头型再入航天器，选择再入舱空气动力外形的方法在改动航天器方面的自由度较小，得分不高。中继法在这方面却有优势。

（4）在符合规定的频谱使用规范方面多数方法没有问题。低通信频率法和拉曼散射（它需要一个频率高于航天通信频率的激励信号）可能违反这一规范。另外，高通信频率法也可能受到限制。

（5）低通信频率和激光法要求建立全新的航天通信基础设施，至少目前存在明显的弱点；选择再入弹道参数法有可能要求改变再入通信地球站的布局。中继法要求有已投入运营的中继卫星系统，并且中继卫星的轨位和再入轨道的相对位置较好（其通信方向基本上在航天器再入时的背风面方向）。对我国载人航天来说是完全能满足上述条件。

（6）在理论模型的正确性方面，注入亲电子物质、磁窗口法、亲电子物质烧蚀材料和正交电磁场法都有多年的理论工作支撑。较差的是哨声波和拉曼散射法，由于建模上的困难，其数学模型简化较多，较难估计它们和实际情况的符合性。

（7）试验验证对方法或设想的可行性十分重要，在这方面较好的有：高通信频率、高EIRP 和G／T、再入舱空气动力外形、再入弹道参数、通信天线位置（选在再入舱表面）和中继法等。对利用注入亲电子物质法曾有过不少正面飞行试验结果的报道（包括一次载人飞行）；磁窗口法也进行过飞行试验，但未公布结果。苏联将通信天线置于鞘套冲击层外虽有一些专门的地面试验，但出现了天线完全烧掉的情况，必须要有复杂的有源冷却系统的支持。剩下几个设想还都处在理论研究阶段。

（8）大多数方法在通信容量和质量方面的评估结果较好。低通信频率法明显不能支撑较高的数据传输速率，高通信频率和激光在对地传输时的气象条件对通信质量的影响还须仔细评估。

（9）安全性方面的考虑，如果在实施某方法时出现差错或故障，不应对航天任务（特别是对航天员）的安全产生影响。烧蚀过程、化学污染和高微波功率是可能的负面因素。

（10）除去再入舱空气动力外形、再入弹道参数、通信天线位置（选在再入舱表面）等3种方法外，其他方法从原理上都有可能单独解决问题。但多数在工程上需要付出的代价都不小，有的在近期看来甚至不现实。为了减少这方面的压力，两种或两种以上方法同时采用（例如一种无源技术和一种有源技术等）将具有优点。

（11）对于选择通信天线位置的方法，由于存在两种完全不同的思路，一些栏目的评估出现用“或”字连接的两个结果，前面的数字表示苏联专家提出的天线选在鞘套冲击层外的情况，后面的数字表示天线位置局限于再入舱表面的情况。

（12）针对我国载人航天活动，中继法物理概念清晰、技术已趋成熟、航天基础设施现成、需要资源较少，是近期可能工程实现的最现实途径。一些无源技术虽不能单独解决问题，但技术相对成熟，可作为辅助手段选用。其他的方法都还存在不同程度的实际问题。

（13）从发展的角度看：中继法对我国载人航天活动优点突出；对于国外的情况以及其它再入任务，需要对中继卫星网络配置和再入轨道等方面做具体分析后才能评估使用中继法的效果；而注入亲电子物质、亲电子物质烧蚀材料、正交电磁场和哨声波法致力于减少或消除等离子体本身，一旦突破，其应用范围较广（例如高超音速飞机通信、低空高速武器的突入等），有较好的远期前景。此外，这是一个交叉学科领域，很有可能在今后出现原理性突破，给某些方法在远期带来新的发展。

5 结束语

由于解决再入通信黑障的问题难度极大，虽然经过多年的不懈努力，到目前为止也还未找到具有较普遍意义的工程实用解。本文在分析和评述多种相关设想和方法的基础上，考虑我国现有航天基础设施和技术的背景，针对钝头型再入航天器的具体情况，提出利用我国数据中继卫星系统（配合应用一些无源技术），满足载人航天再入段最低限度通信要求的方法。它物理概念清晰，技术已趋成熟，需要资源较少，能在近期工程实现，具有明显的优点。对于远期前景，亲电子物质和磁场或电磁场控制法（包括正交电磁场、哨声波和磁窗口等）有可能成为解决各类航天器、高超音速飞行器和低空高速武器等离子鞘套问题的工程实用解。本文的结果对我国今后的载人和非载人再入航天器工程顶层构想具有重要参考意义。

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