呂殿君，王小輝，詹景坤，祝樹生，解春雷（中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京，100076）

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飛行器通信黑障的原理與消除方法

呂殿君，王小輝，詹景坤，祝樹生，解春雷
（中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京，100076）

飛行器以超高聲速在臨近空間飛行或再入大氣時(shí)，由于氣動加熱導(dǎo)致其表面及周圍空氣產(chǎn)生熱電離，將形成等離子體鞘套，反射或衰減通信信號，發(fā)生通信中斷現(xiàn)象，即通信黑障。本文介紹了飛行器通信黑障現(xiàn)象產(chǎn)生的原理和影響，分析了目前消除通信黑障的主要方法。在實(shí)際應(yīng)用中，需綜合考慮性能指標(biāo)，合理選擇不同方法，才能最大限度地解決通信黑障問題。

黑障；等離子體；消除方法

0　引言

臨近空間飛行器和載人返回飛船與地面、在軌衛(wèi)星之間存在多種通信方式，如GPS導(dǎo)航定位、遙測等，如果發(fā)生通信黑障，相關(guān)信號的實(shí)時(shí)傳輸將受到干擾或中斷，對飛行器的實(shí)時(shí)控制和安全性帶來嚴(yán)重影響。因此研究飛行器通信黑障的產(chǎn)生原因并找出相應(yīng)解決方法，對于臨近空間飛行器研制和載人航天任務(wù)的順利實(shí)施都具有重要意義。

1　通信黑障的產(chǎn)生原理及影響

飛行器在大氣層高速飛行時(shí)，與大氣發(fā)生劇烈摩擦，同時(shí)大氣受到強(qiáng)烈擠壓，在飛行器前緣形成一道弓形激波，使飛行器周圍溫度急劇增加。高溫高壓引起大氣分子和部分燒蝕材料電離，形成由大量正離子、自由電子以及部分中性粒子組成的高溫離子化氣體狀物質(zhì)，稱為等離子體。等離子體以一定的厚度包圍在飛行器周圍，形成鞘狀包裹物，稱為等離子鞘套。等離子鞘套的形成與飛行器的形狀、速度、飛行攻角、防熱材料和大氣密度有關(guān)。等離子鞘套會吸收和反射電磁波能量，由此導(dǎo)致信號強(qiáng)度衰減，通信質(zhì)量下降。等離子鞘套中的自由電子對信號衰減起主要作用。

等離子鞘套中自由電子密度決定了等離子體頻率的大小，其關(guān)系式為

上式中，fp為等離子體頻率（Hz），ne為電子密度（電子數(shù)/ m3），q為電子電荷量（C），me為電子質(zhì)量（kg）。當(dāng)通信頻率flink低于等離子體頻率時(shí)，通信將會減弱甚至中斷；反之則能正常通信。即正常通信條件為

對式（2）做適當(dāng)變形，可得到臨界電子密度和通信頻率之間的關(guān)系。

式中，flink為通信頻率（Hz），ne，cyit為臨界電子密度（電子數(shù)/cm3）。式（3）表明，每一通信頻率都對應(yīng)著一個(gè)臨界電子密度值，當(dāng)天線附近的實(shí)際電子密度低于這個(gè)臨界值時(shí)，該頻段通信便不會受影響。表1列出了常用通信頻段相對應(yīng)的臨界電子密度值。

表1　不同通信頻段對應(yīng)臨界電子密度

由表2可以看出，通信頻率越高，其對應(yīng)的臨界電子密度越大，因而在飛行器其他參數(shù)條件不變的情況下，高頻段比低頻段發(fā)生黑障現(xiàn)象的可能性更小。

當(dāng)黑障現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，電磁波穿越等離子鞘套時(shí)的信號衰減總量（dB）為

式中，zp為等離子鞘套厚度（m），λ為通信波長（m）。由式（1）和式（4）可以看出，當(dāng)通信頻率確定時(shí)，電子密度大小決定了信號是否衰減及衰減量的大小。圖1給出了不同頻段穿越單位厚度等離子鞘套時(shí)信號衰減量A/zp（dB/m）和電子密度之間的關(guān)系。

圖1　單位厚度信號衰減量與電子密度關(guān)系

當(dāng)飛行器天線接收信號時(shí)，入射電磁波不僅將受到等離子鞘套的吸收，部分還會被反射。造成反射的原因主要有：在自由空間和等離子體鞘套的界面上，波阻抗的不連續(xù)性；在等離子體層內(nèi)部，等離子體密度的不連續(xù)性。電磁波的不斷反射和吸收的疊加，使得到達(dá)天線的信號強(qiáng)度變得極其微弱，通信質(zhì)量嚴(yán)重下降甚至中斷，以至于產(chǎn)生通信黑障現(xiàn)象。

2　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

美國從1960年開始投入了大量人力物力，實(shí)施了一系列大規(guī)模飛行試驗(yàn)，其中Project RAM（Radio Attenuation Measurements）是由美國航空航天局（NASA）Lang-ley研究中心負(fù)責(zé)的大規(guī)模再入研究項(xiàng)目。該項(xiàng)目從1961年持續(xù)到1970年，從理論和試驗(yàn)兩個(gè)方面研究了等離子鞘套對再入飛行器通信系統(tǒng)的影響，探討了消除通信中斷的方法，共進(jìn)行了8次飛行試驗(yàn)，7次成功，其中4次再入的速度是5.5 km/s，最后3次再入的速度是7.5 km/s。試驗(yàn)采用了多種消除通信中斷的方法，包括選用不同的外形以及注水等，通過測量信號衰減和天線阻抗來驗(yàn)證其效果。通過Project RAM試驗(yàn)，NASA在相當(dāng)程度上掌握了再入等離子鞘的特性以及減少通信中斷的方法，但是這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)是涉密信息，很少能從公開文獻(xiàn)中獲得。

我國從20世紀(jì)80年代開始“通信黑障”研究，進(jìn)行了大量地面試驗(yàn)，積累了一定的知識和經(jīng)驗(yàn)，研究工作主要集中于等離子體鞘形狀、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，等離子體鞘中電子密度分布的計(jì)算和建模，等離子體的反射系數(shù)和透射系數(shù)的計(jì)算，以及消除等離子體的物理、化學(xué)手段等方面，但中斷問題并沒有完全解決。如中國科學(xué)院力學(xué)研究所、中國西南電子技術(shù)研究所等單位開展了再入通訊可行途徑的地面試驗(yàn)等。我國新一代航天飛行器在大氣層中飛行時(shí)間長、速度快，為了保障飛行器的飛行安全以及落點(diǎn)的精度，迫切需要開展消除“通信黑障”技術(shù)研究。

3　通信黑障消除方法及可行性分析

目前消除通信黑障的潛在方法主要有以下幾種：改變飛行器氣動結(jié)構(gòu)、親電子物質(zhì)注入、磁開窗、引入交叉電磁場、采用高頻通信等。下面對各種方法進(jìn)行介紹并分析不同方法在應(yīng)用上的可行性。

3.1改變飛行器氣動結(jié)構(gòu)的方法

飛行器的氣動結(jié)構(gòu)對等離子體鞘套的形成有顯著影響，可以通過飛行器頭部的結(jié)構(gòu)形狀變化來實(shí)現(xiàn)空氣動力學(xué)形狀的改變。對于頭部為尖錐結(jié)構(gòu)（相對于鈍體結(jié)構(gòu)），其等離子體鞘套的厚度將變薄，從而減弱通信黑障效應(yīng)。相關(guān)飛行試驗(yàn)表明：當(dāng)以6.3 km/s的速度穿過地球大氣層時(shí)，頭部為尖錐結(jié)構(gòu)的飛行器沒有出現(xiàn)通信黑障現(xiàn)象。

改善防熱材料也是一種減輕“黑障”效應(yīng)的技術(shù)手段。防熱材料中的堿金屬和堿土金屬雜質(zhì)，其電離電位低，高溫下極易電離，因此降低雜質(zhì)含量、改善材料特性可在一定程度上提高通信質(zhì)量。

圖2　向等離子體流場中注入物質(zhì)

表2　三種形態(tài)添加物比較

3.2親電子物質(zhì)注入的方法

等離子體對電磁波的衰減能力主要由其電子密度決定，因此通過減小電子密度則可使較低頻率的電磁波穿過等離子體鞘套。數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究均表明：通過向等離子體流場中注入親電子物質(zhì)，可有效減小等離子體鞘套中的電子密度，如圖2所示。

液態(tài)和氣態(tài)物可通過噴嘴直接注入等離子鞘套，固態(tài)可采用一定的裝置氣化后再注入。從表2可以看出，固態(tài)物難于噴射和輸送，而氣態(tài)物穿透性差，且易于分解，因此液態(tài)是一種比較理想的親電子物質(zhì)。液體能從極細(xì)的噴嘴噴出，在高超聲速下很容易穿透電離層，親和效果好。例如，H2O可有效降低流場的溫度，使得化學(xué)平衡向低溫方向移動，加劇電子和正離子的復(fù)合，從而減小電子密度。SF6分子具有較強(qiáng)的極化性，可增強(qiáng)與自由電子作用時(shí)的長程吸附能力；同時(shí)，SF6分子和亞穩(wěn)態(tài)陰離子具有較長的自分離壽命，可通過碰撞和輻射達(dá)到穩(wěn)定，因此具有較寬的諧振帶和較強(qiáng)的電子吸附能力。CCl4在高溫條件下均具有較強(qiáng)的電子親和力，有利于吸附電子，從而減小等離子體密度。

3.3磁開窗的方法

在飛行器天線附近引入外磁場，使電磁波的傳播方向與磁力線方向平行，可有效改善通信黑障問題。當(dāng)流場中的電子作切割磁力線運(yùn)動時(shí)，在洛倫茲力的作用下作螺旋運(yùn)動，從而改變電磁波的傳播模式，只有圓極化波能在其中傳播。左、右旋圓極化波對應(yīng)的等離子體的相對介電常數(shù)分別為

其中ωg為電子的回旋共振頻率。由于左、右旋圓極化波在磁化等離子體中的傳播特性不同，入射的左、右旋圓極化波將經(jīng)歷不同的衰減，通常左旋圓極化波衰減的幅度要比右旋波低1個(gè)數(shù)量級以上。同時(shí)，對低于等離子體角頻率的入射左旋電磁波，其透過等離子體鞘套的能力也將顯著改善。因此，可引入外磁場，利用左旋圓極化波來實(shí)現(xiàn)通信黑障的減弱甚至消除，如圖3所示。

圖3　天線磁開窗示意圖

3.4引入交叉電磁場的方法

在飛行器天線附近引入交叉電磁場，一方面該交叉場導(dǎo)致流經(jīng)該區(qū)域的自由電子和離子發(fā)生Hall漂移，以減小微波信號傳播路徑上的電子密度，從而降低對電磁波的衰減。另一方面，附加的電場會對等離子體鞘套流場中的電子和離子產(chǎn)生相反方向的作用力。如果電場方向?yàn)檠刂鴰щ娏Ｗ拥牧鲃臃较颍鐖D4所示，則正離子被加速、自由電子被減速，且電子減速效應(yīng)更顯著，從而使兩者復(fù)合的概率增大，有利于減小電子密度。同時(shí)，與磁開窗機(jī)理類似，磁化等離子體中波的傳播特性將發(fā)生改變。

圖4　交叉電磁場的引入

3.5提高發(fā)射功率和入射波頻率的方法

在等離子體鞘套衰減相同的情況下，增大飛行器的發(fā)射功率，可相應(yīng)增加透射信號的強(qiáng)度。但為避免天線擊穿，發(fā)射功率不能超過一定的范圍。超高聲速飛行器通常采用的狹縫天線，所允許的最大發(fā)射功率為從VHF波段的20W到S波段的100W。隨著頻率的升高，天線的最大發(fā)射功率增大。同時(shí)，隨著入射電磁波頻率的升高，對應(yīng)傳播截止的等離子體臨界密度相應(yīng)增大。因此，對應(yīng)一定分布的等離子體鞘套，提高入射波的頻率可有效降低信號衰減。但隨著頻率的升高，由大氣和雨造成的衰減將會增大。例如，工作在14 GHz的衛(wèi)星電視系統(tǒng)，在暴雨天氣里會丟失同步信號，從而使得電視信號惡化。在實(shí)際的應(yīng)用中，通信頻率通常不超過10GHz。

3.6利用Raman散射通信的方法

基于Raman散射的通信，是指將作為泵浦源的高頻強(qiáng)電磁波和信號載波同時(shí)通過等離子體這一非線性媒介，利用兩波相互作用所產(chǎn)生的后向散射Stokes波來實(shí)現(xiàn)通信的一種技術(shù)手段。但該方法存在許多不足。例如，等離子體中的碰撞衰減、等離子體參數(shù)的非均勻性都會對這一過程產(chǎn)生顯著影響；同時(shí)，所需泵浦波的強(qiáng)度非常高。為了在等離子體中產(chǎn)生明顯的非線性效應(yīng)，需要電場強(qiáng)度達(dá)到105V/m的量級，對于工作在S波段的狹縫天線，對應(yīng)的功率約為80kW。

3.7不同黑障消除方法可行性分析

對于改變飛行器氣動結(jié)構(gòu)的方法會導(dǎo)致飛行器所攜帶的有效載荷減少，而由空氣動力學(xué)加熱所引起的燒蝕將更為嚴(yán)重。

雖然注入親電子物對克服“黑障”效果明顯，但實(shí)際采用時(shí)還需考慮注入物質(zhì)的存儲、腐蝕、液體晃動等問題，存在一定的技術(shù)難度，目前工程上還沒有正式投入使用。

磁開窗的方法需考慮磁場在遠(yuǎn)離磁體空間上的快速衰減特性，要達(dá)到顯著提高左旋圓極化波透射性能的目的，所需的磁場強(qiáng)度相當(dāng)大?？紤]到飛行器表面的高溫會超過永磁體的居里溫度，因此通常需要采用通電線圈來產(chǎn)生磁場。而產(chǎn)生如此強(qiáng)的磁場所需的線圈以及配套的電源，又會對飛行器造成極大的負(fù)擔(dān)，弊端明顯。

引入交叉電磁場具有磁開窗的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)在電場的作用下還能夠促進(jìn)電子和正離子的復(fù)合，進(jìn)一步減少自由電子，因此是一種極具應(yīng)用前景的通信黑障消除方法，但是這種方法但主要技術(shù)

難點(diǎn)是強(qiáng)磁場的產(chǎn)生，需要復(fù)雜的設(shè)備，增加了飛行器重量。另外實(shí)際應(yīng)用中還需要解決設(shè)備功耗、天線防電磁干擾、低溫冷卻技術(shù)、常溫超導(dǎo)技術(shù)等工程問題。

提高發(fā)射功率和入射波頻率受到天線擊穿、能源供應(yīng)等一系列問題的限制，不適合單獨(dú)使用，可結(jié)合其他方法，達(dá)到完全消除通信黑障的目的。

一般情況可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，選擇不同的方法組合，如提高發(fā)射功率和入射波頻率與引入交叉電磁場方法可以結(jié)合使用，適當(dāng)提高發(fā)射功率可以減小附加電磁場帶來功耗問題。

4　結(jié)語

通過以上介紹可以看出，通信黑障對飛行器的控制和安全具有重要影響。盡管解決通信黑障問題的技術(shù)措施多種多樣，但每一項(xiàng)都有自身的不足和局限性，并不能單獨(dú)、完全地解決問題。在實(shí)際應(yīng)用中，需綜合考慮目標(biāo)性能，合理選擇方式方法，多種技術(shù)措施結(jié)合使用，才能最大限度地提高通信質(zhì)量。

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The principle of the Aerocraft Communication Blackout and method of elimination

Lv Dianjun，Wang Xiaohui，Zhan Jingkun，Zhu Shushing，Xie Chunlei
（R&D Center， China Academy of Launch Vehicle Technology，Beijing，100076）

When the Aerocraft fly in the near space hypersonic vehicle or reentry into Earth's atmosphere，pneumatic pyrogenation conduces aerocraft's surface and atmosphere to produce hot ionization，and form plasma sheath The plasma sheath will cause the attenuation and scattering of electromagnetic waves and weak the communication，severely caused the interruption of RF，which is called blackout.This paper introduces the principle of the Aerocraft Communication Blackout，analyzes the way of eliminated Communication Blackout. In practice，solving the Communication Blackout need integrative consider capability and choice different methods.

blackout；plasma；method of elimination

呂殿君（1988-），男，漢族，黑龍江人，碩士，哈爾濱工業(yè)大學(xué)畢業(yè)，工程師，主要研究方向：飛行器電氣系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。