龔 旻，譚 杰，李大偉，馬 召，田冠鎖，王暕來，孟令濤

(中國運載火箭技術研究院，北京 100076)

0 引 言

當飛行器以馬赫數(shù)10以上的速度在大氣層內(nèi)飛行時，由于強激波壓縮和高速摩擦作用使空氣中的氧分子和氮分子存在不同程度的離解和電離等化學反應，在飛行器周圍形成一層一定厚度的等離子體，稱為等離子體鞘套。電磁波穿過等離子體鞘套時能量會被吸收、散射和反射，造成信號幅值衰減、相位畸變，嚴重時導致信號傳輸中斷，即產(chǎn)生黑障現(xiàn)象。黑障現(xiàn)象將導致飛行器衛(wèi)星定位中斷、通信數(shù)據(jù)鏈失鎖、測控信號丟失、人在回路的任務規(guī)劃以及控制指令傳輸中斷等嚴重問題，因此解決黑障問題顯得極為迫切。黑障問題的發(fā)現(xiàn)源于20世紀60年代美國的阿波羅太空計劃[1]。半個多世紀來，國內(nèi)外研究者針對黑障問題開展了大量研究工作，取得了一些可喜成果，但離徹底解決該問題仍有較大差距。從整體上看，黑障問題研究大致可劃分為三個階段：1)第一階段，主要通過飛行實驗來研究等離子體鞘套對通信中斷的影響以及相關的消除方法。20世紀60至70年代，美國空軍和航空航天局通過烈火項目[2]、無線電衰減測量(Radio attenuation measurement, RAM)項目[3]、水星項目[4]、雙子座項目[5]和開拓者項目[6]等探索和驗證了消除黑障問題的手段和方法。2)第二階段，黑障問題研究主要集中在數(shù)值仿真和地面實驗研究等方面。20世紀80至90年代，由于測量手段的局限性以及飛行實驗的高成本，且測量獲取的實驗數(shù)據(jù)仍遭受質(zhì)疑，美國沒有對通信中斷進行專門的飛行實驗。針對洲際彈道導彈通信需求，美國開發(fā)了等離子體流場模擬以及電波傳輸效應計算程序[7]。在實驗方面，Chadwick等[8]在激波風洞中開展了L頻段電磁波傳輸特性影響的實驗研究，獲得了電磁波在等離子體作用下的相位移動和衰減數(shù)據(jù)。(3)第三階段研究工作主要集中在電磁波與等離子體相互作用的機理模型以及更為優(yōu)化的黑障消除技術。1998年，歐洲航天局(European space agency, ESA)進行了大氣層再入驗證器(Atmospheric reentry demonstrator, ARD)飛行實驗[9]，驗證了不同工作頻段、天線布局以及中繼措施條件下黑障引起的電波損耗，為研究電磁波與等離子體作用機理積累了可靠數(shù)據(jù)。近年來，隨著美國常規(guī)快速全球打擊計劃的提出以及以HTV-2和AHW為代表的臨近空間高超聲速飛行器的深入研究[10]，國內(nèi)外對黑障問題的關注度持續(xù)上升，一大批新的理念、技術和材料等被廣泛探索。

臨近空間高超聲速飛行器全程在大氣層內(nèi)滑翔或跳躍飛行，具備很強的突防能力，是目前高超聲速領域的研究熱點。與傳統(tǒng)軸對稱飛行器相比，其面臨更加嚴苛的裝填空間和重量限制以及防隔熱方面的約束；另外，由于等離子體流場分布特性復雜、動態(tài)變化范圍大、等離子體鞘套產(chǎn)生的時間長，使得等離子體鞘套對信息傳輸?shù)挠绊懹l(fā)嚴重[11]。20世紀70年代形成的黑障消除技術，如磁窗法和親電子物質(zhì)注入等方式需要附加的設備過重、體積龐大，給飛行器設計帶來極大復雜度。因此，亟需開展更加工程實用化的黑障消除技術研究。

黑障問題涉及等離子體物理學、高超聲速空氣動力學、電磁學和通信等多個學科內(nèi)容，國內(nèi)外有關黑障問題的研究內(nèi)容甚為寬廣。本文主要從等離子體與電磁波相互作用機理、等離子體流場和電磁波傳播數(shù)值模擬、黑障地面實驗以及黑障消除技術等方面總結(jié)相關學者的研究成果。

1 黑障現(xiàn)象產(chǎn)生機理

1.1 等離子體鞘套形成機理和基本特征

飛行器在高超聲速飛行過程中，由于激波強烈的壓縮作用和黏性滯止效應，使飛行器周圍特別是激波層內(nèi)的空氣溫度明顯升高，氣體之間產(chǎn)生離解、復合、置換和電離等復雜化學反應，形成等離子體鞘套。圖1描述了典型航天飛行器在不同高度和速度區(qū)間下的空氣熱力學特性[12]?？梢钥闯?，在高空高馬赫數(shù)條件下，等離子體流場為典型熱化學非平衡流動，此時分子和原子的能量模式不能采用單一溫度來描述，氣體內(nèi)能模式由平動溫度、轉(zhuǎn)動溫度、雙原子組分的振動溫度和電子溫度這四種不同的溫度來描述，不同模式的能量之間還將產(chǎn)生能量交換過程，即能量松弛過程。另外，氣體組分模型需要選用7組分或11組分模型，若考慮防熱材料燒蝕，需要采用更多的組分模型。

圖1 不同飛行高度和速度條件下空氣熱力學特性[12]Fig.1 Air thermodynamic properties of different flight height and velocity[12]

等離子體鞘套分布特征與氣動外形和飛行工況密切相關，它呈現(xiàn)不均勻的空間分布。圖2給出了歐洲過渡實驗飛行器(Intermediate experimental vehicle, IXV)和平面型高超聲速軌道再入巴士(Plane-shaped hypersonic orbital entry bus, PHOEBUS)等離子體頻率分布[13]?？梢钥闯?，由于采用正攻角飛行，背風面等離子體頻率比迎風面低一個數(shù)量級以上，這表明從背風面方向通信要比迎風面方向容易得多。另外，與IXV飛行器相比，細長體PHOEBUS飛行器等離子體頻率較低，具有更好的通信能力。臨近空間高超聲速飛行器氣動外形與PHOEBUS類似，其端頭半徑較小，以中等攻角飛行，60 km以上電子數(shù)密度較低，產(chǎn)生黑障效應的可能性不大。但另一方面，由于其采用滑翔彈道，因此黑障現(xiàn)象有可能持續(xù)更長的時間。

圖2 等離子體頻率云圖(80 km, Ma 25; 單位GHz)[13]Fig.2 Plasma frequency contours (80 km, Ma 25; Unit GHz)[13]

1.2 等離子體中電磁波傳播機理

等離子體由自由電子、離子等帶電粒子以及中性粒子(原子、分子等)組成，宏觀上呈現(xiàn)準中性。電磁波在等離子體中傳播宏觀上表現(xiàn)為電磁波的吸收、散射、反射等現(xiàn)象，傳播特性與等離子體的電子密度、特征頻率和碰撞頻率相關。主要表現(xiàn)為：1)電磁波衰減與等離子體電子密度成正相關；2)當電磁波頻率低于等離子體頻率時，電磁波會迅速衰減或產(chǎn)生全反射，引發(fā)黑障現(xiàn)象。當電磁波頻率高于等離子體頻率時，電磁波可低損耗地在等離子體中傳播；3)電磁波頻率、等離子體頻率和碰撞頻率接近時，電子振蕩共振和碰撞共振共同作用，等離子體對電磁波表現(xiàn)為吸收特性；4)當?shù)入x子體層厚度與電磁波波長可比擬時，電波衰減符合薄層修正模型，但目前對薄層現(xiàn)象的機理說法不一[14]。

電磁波傳播特性與等離子體鞘套參數(shù)及分布特性緊密相關。Mather等[7]研究了飛行工況對等離子體鞘套空間分布及電波傳播特性的影響，印證了優(yōu)化天線布局緩解黑障問題的可行性。趙漢章等[15]研究了電磁波在電子密度呈正態(tài)分布的等離子體鞘套中的傳播，推導出了反射系數(shù)、透射系數(shù)表達式。近年來，諸多學者開始關注等離子體鞘套動態(tài)特性對電波傳播的影響。文獻[16-18]針對等離子體鞘套黑障效應進行了系統(tǒng)深入研究，利用理論方法和實驗方法分析了電子密度變化、壓力波動等時變特性對等離子體鞘套衰減特性的影響，并對任意入射的不同極化波傳輸特性進行了討論，研究表明等離子體動態(tài)特性不僅會使信號衰減產(chǎn)生波動，同時伴隨調(diào)制效應。另外，等離子體衰減不僅包括頻率變化而引起的變化，還包括極化電流、等離子體湍流導致的非線性效應。

1.3 等離子體鞘套信道特征

等離子體鞘套信道特征包含幅度衰減造成的大尺度衰落和由于動態(tài)特性引起的小尺度衰落，其中動態(tài)特性是研究等離子體鞘套信道特征的關鍵。

早在20世紀70年代，國外在RAM-C遙測數(shù)據(jù)中就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幅度和相位的抖動變化，幅度抖動可達25 dB，相位抖動偏移嚴重時可達200°[3]。1999年，Ohler等[19]研究了動態(tài)等離子體引起信號幅度和相位調(diào)制的物理機理[19]，通過等離子體尾焰的通信實驗發(fā)現(xiàn)，等離子體動態(tài)特性會引起通信信號頻譜彌散，并在載波功率譜上產(chǎn)生寄生頻率分量。此后，Yao等[20]又對等離子體鞘套電子密度的動態(tài)多尺度特征進行了深入研究，得到了動態(tài)環(huán)境下電磁波幅度和相位的統(tǒng)計模型。石磊等[21]提出了一種考慮動態(tài)等離子體鞘套的高超聲速飛行器信道建模方法，將等離子體鞘套引起的相位偏移定義為信道小尺度衰落特征。賀國龍等[22]通過仿真研究后指出，電磁波在等離子體鞘套中傳播時，幅度服從對數(shù)正態(tài)分布，相位服從瑞利分布。

不同的調(diào)制信號在等離子體鞘套中傳播時，表現(xiàn)出不同的信道特征。楊敏等[17]采用大面積輝光放電等離子體發(fā)生裝置研究了動態(tài)等離子體鞘套對調(diào)頻信號的影響機理。研究表明，雖然在載波頻率大于等離子體截止頻率的情況下，電磁波衰減會顯著降低，但等離子體鞘套的動態(tài)特性會導致寄生調(diào)制效應，使星座圖產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，從而導致信號檢測判決裕度降低。Lv等[23]采用激波管實驗裝置構(gòu)建了時變等離子體測試環(huán)境，同樣發(fā)現(xiàn)了星座圖旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，而相比相位調(diào)制信號，脈沖調(diào)制和頻率調(diào)制信號具有更高的信息可達率。嚴匡武等[24]針對存在多徑衰落的脈沖編碼調(diào)制/調(diào)頻的再入遙測系統(tǒng)，分析了雙徑模型的幅度失真、延遲失真、信道衰減因子、碼速率等對接收機帶來的影響，認為延遲失真與信道衰減因子的共同作用將改變接收機性能邊界，該文為工程中合理設計再入遙測系統(tǒng)提供了參考。

研究等離子體鞘套信道特征的難度主要在于動態(tài)特性影響下的小尺度衰落建模，而小尺度衰落建模的關鍵在于等離子體鞘套真實的功率延遲譜和多普勒功率譜的獲取。目前，等離子體鞘套信道模型的研究并不完善，仍需要進一步深入研究。

2 黑障現(xiàn)象仿真研究

鑒于利用飛行實驗獲取等離子體鞘套參數(shù)的代價過于高昂。近年來，隨著CFD、CEM以及計算機技術的發(fā)展，數(shù)值模擬逐漸成為研究等離子體鞘套特征參數(shù)和電磁特性的主要手段。本節(jié)從等離子體流場和電磁波傳播特性數(shù)值模擬兩個方面，對相關研究進展進行綜述及分析。

2.1 等離子體流場數(shù)值模擬

高超聲速飛行器周圍的等離子體流場分布特性，決定了等離子體鞘套的等效電磁參數(shù)，是相關研究的前提和基礎。20世紀80年代末，Candler等[25]采用7組分模型首次實現(xiàn)了RAM-C Ⅱ飛行實驗等離子體流場數(shù)值模擬，結(jié)果表明7組分模型與飛行實驗結(jié)果吻合較好；另外，單個統(tǒng)一的振動溫度可以近似描述振動能非平衡效應，但文中提到振動-電子能交換模型有待進一步完善。Scalabrin等[26]采用7組分雙溫度模型對RAM-C Ⅱ飛行器流場進行了數(shù)值模擬，認為溫度模型和擴散系數(shù)是造成計算結(jié)果差異的主要原因之一。高鐵鎖等[27]比較分析了兩種典型化學模型對電子數(shù)密度的影響，相對于Dunn-Kang模型，總體上Park模型與飛行測量數(shù)據(jù)較為一致。另外，Andrienko等[28]的研究結(jié)果表明，對于高空強熱化學非平衡流動，采用Park模型和Treanor-Marrone離解優(yōu)先模型得到的電子數(shù)密度分布與飛行測量結(jié)果吻合較好。

近年來，Kim等[29]考慮了電子能非平衡效應(Te≠Tv)，認為在高超聲速強非平衡條件下，電子溫度對通信黑障預測起重要作用。Farbar等[30]在Kim等工作基礎上，對RAM-C和Stardust飛行器流場進行了數(shù)值模擬，認為電子能非平衡效應將顯著改變電子數(shù)空間分布與量級。郝佳傲[31]采用描述電子能非平衡的三溫度模型，結(jié)合11組分化學反應模型，對多種高溫熱化學非平衡流場開展了數(shù)值模擬，結(jié)果表明三溫度模型的預測效果更好。

對于臨近空間高超聲速飛行器，其飛行剖面包含了整個滑移流區(qū)及部分過渡流區(qū)域，存在顯著的稀薄氣體效應。邵純[32]采用包含高階本構(gòu)關系的簡化常規(guī)Burnett(Simplified conventional burnett, SCB)方程和N-S方程，開展了跨流域環(huán)境下的等離子體鞘套數(shù)值模擬分析研究。結(jié)果表明，進入滑移過渡流域后，稀薄效應對等離子體流場的作用顯著增強，SCB方程得到的頭部等離子體鞘套更厚，自由電子濃度更高。

通過上述分析，可以看出：對于高空強熱化學非平衡流動，振動離解模型和電子能非平衡效應對電子數(shù)密度影響較大，采用三溫度模型和Treanor-Marrone離解優(yōu)先模型可以獲得更準確的電子密度空間分布；另外，為了真實全面獲得高超聲速飛行器等離子體分布特性及特征參數(shù)，熱化學非平衡與稀薄氣體耦合效應對電子密度的影響需要進一步深入研究。

2.2 電磁波傳播數(shù)值模擬

從20世紀60年代開始，國外研究者就對等離子體中電波傳播特性開展了大量數(shù)值模擬研究，根據(jù)方法原理可以分為兩大類：一類是理論方法，主要有解析法、分層方法、傳輸線方法、WKB(Wentzel-Kramer-Brillouin)方法[33]，另一類是全波方法，主要以時域有限差分(Finite difference time domain, FDTD)方法[34]為代表。

解析法求解等離子體中的波動方程，得到波的反射系數(shù)、透射系數(shù)等參數(shù)，是求解等離子體中電波傳播特性最精確、最具有明確物理意義的理論方法[35]。分層方法是在解析方法的基礎上，將等離子體層的法向空間分布用離散的等離子層來近似，通過求解各層分界面處的反射場和透射場，疊加得到法向非均勻分布的等離子層反射和透射特性。傳輸線方法則是采用二端口網(wǎng)絡串聯(lián)的形式等效分層等離子體介質(zhì)，只需求解二端口網(wǎng)絡的傳輸系數(shù)，通過將壓力等參數(shù)與傳輸線方程耦合，可以得到不同參數(shù)變化對電波傳播特性的影響[16,36]。WKB方法適用于介質(zhì)緩變的非均勻介質(zhì)，即可以將此介質(zhì)看作細小的多段均勻介質(zhì)來處理，適合分析等離子體鞘套對電磁波的作用特征和規(guī)律[37-38]。綜合來看，這類方法主要用于研究一維等離子體反射、透射機理，不適用于復雜氣動外形。

全波方法在解決復雜等離子體分布中具有優(yōu)勢，目前FDTD方法是求解色散介質(zhì)中電磁場問題的重要方法。等離子體特性可用一個與頻率相關的介電常數(shù)來描述，將介質(zhì)本構(gòu)關系通過FDTD方法離散，與麥克斯韋方程組耦合求解。為提升計算效率、降低計算資源需求，無條件穩(wěn)定的FDTD方法被引入到色散媒質(zhì)的求解中[34]，但數(shù)值色散誤差有所增加。隨著計算機技術的不斷提升，工程實踐中采用CFD與CEM相結(jié)合求解多學科耦合復雜問題已成為研究熱點[39]，其中CFD-FD2TD混合方法仿真結(jié)果與飛行實驗數(shù)據(jù)具有良好的一致性。

通過對以上仿真方法優(yōu)缺點的對比分析，可以看出：在飛行器方案論證初期可采用WBK等理論方法進行電波傳播特性的快速預測；在工程研制階段，可采用FDTD方法對實際工程外形等離子體鞘套中的電波傳播特性進行精細模擬。

3 黑障現(xiàn)象地面實驗研究

實驗方法是研究黑障現(xiàn)象最為直接準確的途徑。在研究初期，美國、俄羅斯等國相繼組織了大量飛行實驗來研究黑障效應產(chǎn)生機理及消除技術。然而飛行實驗因其成本高、數(shù)據(jù)獲取量低，逐漸被地面實驗所取代。

3.1 等離子體地面模擬方法

根據(jù)產(chǎn)生等離子體的工作原理可以將等離子制備和研究設備分為熱等離子體實驗設備和冷等離子體實驗設備。

3.1.1熱等離子體實驗設備

激波風洞/激波管、電弧風洞和感應耦合等離子體風洞通過產(chǎn)生比較接近真實飛行狀態(tài)的流場或溫度來激發(fā)等離子體，是開展黑障研究常用的實驗手段。下面對其工作原理進行簡要介紹。

激波風洞/激波管采用高壓氣體破膜的方式產(chǎn)生超高聲速激波，壓縮實驗段內(nèi)的氣體從而產(chǎn)生高溫等離子體，其電子密度可以達到1013/cm3[40]。但激波風洞穩(wěn)定持續(xù)時間很短，一般為幾毫秒至百毫秒，難以進行天線特性測量、通信系統(tǒng)驗證等需要長時間持續(xù)的實驗。另外，其實驗重復性較差。

電弧風洞利用正負電極放電產(chǎn)生的大功率電弧將空氣加熱至高溫高壓狀態(tài)，能夠提供長時間穩(wěn)定運行的高焓等離子體射流。但由于流場存在金屬銅離子以及其它電極粉末污染，在一定程度上改變了等離子體的電波傳播特性。

感應耦合等離子體風洞采用感應加熱的方式產(chǎn)生純凈的、長時間穩(wěn)定運行的高焓等離子體射流。常規(guī)條件下，電子數(shù)密度范圍為1010/cm3～1013/cm3，碰撞頻率范圍為109Hz～1010Hz，是開展等離子體對電磁波傳輸特性影響研究的理想設備[41]，其主要的不足是難以產(chǎn)生大面積等離子體。

3.1.2冷等離子體實驗設備

近年來，冷等離子體源模擬設備因其小型化、可控性、成本相對較低等優(yōu)點，在電波傳播特性研究中被大量采用。謝楷等[42]利用低氣壓輝光放電原理在地面產(chǎn)生了大面積、長時間穩(wěn)定持續(xù)、密度可控的等離子體。但受放電機理的制約，其電子密度上限為2.5×1011/cm3左右，碰撞頻率小于108Hz，難以模擬中低空條件等離子鞘套。

螺旋波等離子體源是近年來發(fā)展起來的一種新型射頻放電等離子體源[43]，其利用一種特定的環(huán)繞于玻璃或石英管外壁的天線激發(fā)起磁化等離子體中的一種右旋極化波共振，可以非常有效地通過朗道吸收加熱電子，產(chǎn)生高密度等離子體(可達1014/cm3)，其主要缺點是存在靜磁場問題。

3.2 等離子體診斷技術

等離子體診斷技術主要包含侵入式和非浸入式兩種方式。浸入式診斷技術最典型的應用是靜電探針，該技術利用導電針尖測量等離子體的伏-安特性曲線，進而推算出電子溫度、密度、能量分布、空間電位等參數(shù)，因其具有結(jié)構(gòu)簡單、測量范圍寬、空間分辨率高等優(yōu)點，其測量結(jié)果長期扮演標準值的角色，在飛行和地面實驗中廣泛應用[44-45]。然而這類方法需浸入等離子體內(nèi)部，對探針的防熱和強度要求較高，不適合在長時間氣動加熱環(huán)境下應用。非浸入式診斷技術主要有微波診斷和光譜診斷。微波診斷法利用電磁波與等離子體相互作用時的幅度和相位變化來診斷近似均勻等離子體電子密度等參數(shù)，廣泛應用于實驗室理論研究中。但受發(fā)射天線波束寬度限制，該方法的空間分辨率不高。光學診斷法利用光的折射特性、輻射特性對等離子體參數(shù)進行測量，典型應用有激光干涉診斷、光譜診斷等。這類診斷方法儀器設備復雜，目前只在地面實驗中被采用，飛行實驗中鮮有應用[14]。

3.3 地面實驗結(jié)果分析

從20世紀90年代開始，國內(nèi)外研究人員借助各類等離子體產(chǎn)生裝置，針對通訊中斷問題開展了大量實驗研究。馬平等[40]在粉末激波管中開展了X波段和Ka波段電磁波傳輸特性實驗研究。實驗中，通過控制起始壓力和氣體配分比，產(chǎn)生了電子數(shù)密度范圍為7.0×1010/cm3～9.8×1014/cm3等離子體。實驗得到的電磁波透射率隨電子密度和碰撞頻率的變換規(guī)律與FDTD計算結(jié)果基本一致。謝楷等[46]利用輝光放電裝置研究了L頻段和S頻段電磁波在等離子體中的衰減特性。其中，等離子體厚度為18 cm，直徑30 cm，電子數(shù)密度最大達到2×1011/cm3。實驗結(jié)果表明：L,S頻段電波持續(xù)產(chǎn)生了黑障現(xiàn)象(30 dB以上的衰減)。另外，等離子體薄層條件下的電波傳播特性與經(jīng)典理論基本相符，未觀測到明顯的薄層效應。馬昊軍等[41]在感應耦合等離子體風洞上研究了電子數(shù)密度范圍為7.0×1010/cm3～1.0×1013/cm3、等離子體碰撞頻率在10 GHz量級的等離子體對2.6 GHz～40 GHz不同頻率電磁波傳輸特性的影響。實驗結(jié)果表明，隨著等離子體射流電子數(shù)密度的升高，發(fā)生明顯衰減現(xiàn)象的頻段增寬；另外，研究發(fā)現(xiàn)當電子數(shù)密度大于1×1012/cm3時，薄層理論相比經(jīng)典理論與實測結(jié)果更加吻合。

需要指出的是，從臨近空間高超聲速飛行器黑障問題研究的需求來看，現(xiàn)有實驗手段產(chǎn)生等離子體的空間和時間尺度不足，需要進一步發(fā)展地面設備以產(chǎn)生長時間、體積足夠大(包覆飛行器表面)以及電子數(shù)密度足夠高的等離子體鞘套環(huán)境。另外，有必要發(fā)展能夠復現(xiàn)H=40 km～90 km,Ma=10～25飛行環(huán)境的超高速大型激波風洞，以全面準確地獲得飛行器等離子體流場分布特性，為建立準確的等離子體鞘套信道模型提供支撐。

4 臨近空間高超聲速飛行器黑障消除技術

從20世紀60年代開始，人們就開始研究并提出了數(shù)十種黑障消除技術，從機理上可將其劃分為以下四類：一是改進飛行器自身設計以降低流場中的電子密度，如氣動成形法和彈道優(yōu)化等；二是通過外加設備減小天線附近的電子密度，如親電子物質(zhì)注入、磁窗法等；三是補償或抵消等離子體鞘套對通信鏈路的衰耗，如高功率法、高頻法、激光法等；四是采用“迂回戰(zhàn)術”繞過黑障問題，如中繼法、存儲法等。但由于黑障問題的復雜性，但目前為止還未獲得普適意義上的工程實用解。

4.1 評估標準

與傳統(tǒng)鈍頭型航天器相比，臨近空間高超聲速飛行器在氣動布局、彈道特征和防隔熱系統(tǒng)等方面存在較大差異，因此有必要對已有黑障消除技術進行深入評估分析，為后續(xù)工程設計提供技術支撐。本文從工程實用性角度，參考前人的評估方式[47]，結(jié)合臨近空間高超聲速飛行器的特點，根據(jù)以下十項標準對目前已有的黑障消除技術進行評估。

1)所需空間和重量：容積率對飛行器有效載荷裝填空間和升阻比影響較大；飛行器重量增加則影響分離點速度，造成射程能力損失。

2)熱環(huán)境適應性：臨近空間高超聲速飛行器面臨嚴重的氣動加熱問題，黑障消除裝置能否正常工作是需要重點考慮的因素。

3)功率需求：發(fā)射功率的增大會帶來重量、空間和成本的問題。

4)通信質(zhì)量：是否滿足測控區(qū)間數(shù)據(jù)捕獲以及傳輸速率的要求。

5)對現(xiàn)有通信基礎設施的改變：如果要求新建專用基礎設施，代價將巨大。

6)實驗充分性：理論模型是否經(jīng)過地面和飛行實驗驗證。

7)是否解決GPS問題：能否確保GPS信號正常接收。

8)能否單獨解決問題：有的方法只能起到輔助作用，不能單獨解決問題。

9)近期工程可實現(xiàn)性：是否有近期可能實現(xiàn)的工程解。

10)遠期前景：某些關鍵技術突破后，工程應用前景較好。

4.2 評估結(jié)果和分析

本文采用層次分析法，綜合考慮飛行器設計、空氣動力學、防熱材料、電磁場、通信、導航制導等專業(yè)的需求，對現(xiàn)有主要的黑障消除技術進行了定性評估，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，燒蝕材料法、氣動成形法、高功率法、低頻法、親電子液體注入和三波作用法由于重量、空間、防熱和功率等方面的原因，工程實現(xiàn)性較低；高頻法、中繼法和駐波檢測技術成熟，可滿足臨近空間高超聲速飛行器不同通信需求；磁窗法和激光法具有近期工程可實現(xiàn)性，而固體物質(zhì)噴射技術、天線匹配技術和太赫茲技術在將來具有較強的應用潛力。下面對表1的結(jié)果進行說明和討論。

4.2.1工程實現(xiàn)性較低的方法

在工程設計過程中，黑障消除技術受到諸多限制，如載荷重量、升阻比和防隔熱約束等，不能為了解決通信問題而影響主要任務的完成。

1)燒蝕材料法：在飛行器防熱材料中增加一定的金屬氧化物，當防熱材料燒蝕時，金屬氧化物進入等離子體中與部分電子進行中和從而達到降低電子密度的效果[48]。該技術的主要缺點是難以對防熱材料燒蝕速率進行精確控制，工程實現(xiàn)難度很大。

2)氣動成形法：采用尖銳的氣動外形或逆向噴流技術可以有效降低激波強度，減小等離子體鞘套厚度[49]。但尖銳的頭部使飛行器容積率降低，影響有效載荷裝填空間，并帶來嚴重的氣動加熱效應，防熱設計難度極大；另外，噴流技術只在高空低動壓條件下具有較好效果，所以氣動成形法只能作為一種輔助手段與其它技術配合使用。

表1 黑障消除方法定性比較Table 1 Qualitative comparison of approaches for mitigating communications blackout

注：表中“1”為較差，“2”為中等，“3”為較好。

3)高功率法：增大發(fā)射功率可增加發(fā)射信號的強度。但考慮器件的擊穿電壓，發(fā)射功率不能無限制增大；另外，在目前的通信頻段，功率提高無法彌補等離子體鞘套帶來的衰減，同時功耗和重量的增加均是總體設計不能承受的負擔[47,50]。

4)低頻法：當電磁波頻率遠低于等離子體頻率時，等離子體衰減系數(shù)明顯降低，因此采用低頻率進行無線信號傳輸理論上是可行的[51]。但該方法無法得到較高的碼速率，而且天線口徑較大，無法適應臨近空間高超聲速飛行器有限空間約束。

5)親電子液體注入：在等離子體鞘套中注入親電子液體，促進電子與離子重新組合，降低電子密度，將有效改善黑障問題[5]。但臨近空間高超聲速飛行器黑障持續(xù)時間可能達數(shù)十分鐘。液體注入帶來大量的設備和液體重量，并增加系統(tǒng)復雜度，給總體設計帶來極大的難度。

6)三波作用法：理論研究表明，基于等離子體的固有特性，在熱等離子體條件下，利用作為激勵源的強電磁波、通信電磁波信號和等離子體振蕩波三種波之間的相互作用，可產(chǎn)生另一頻率的斯托克斯波穿過等離子體[52]。該方法的優(yōu)點是能有效解決衛(wèi)星導航問題，但存在高功耗和高復雜度問題，同時大幅增加設備重量。

4.2.2目前工程實用方法

工程實用的黑障消除方法是指經(jīng)過飛行實驗驗證，或成熟度較高可以推廣到工程應用的方法，本小節(jié)介紹高頻法、中繼法和駐波檢測技術。

1)高頻法

等離子體鞘套中的電波傳播特性表現(xiàn)出高通特性，采用高于等離子體頻率的波段通信是克服黑障效應的有效措施[53]。目前Ku，Ka波段無線通信系統(tǒng)已經(jīng)在型號研制中得到應用。2005年ESA充氣再入和降落技術驗證器使用了Ka頻段，整個返回過程無線電信號只中斷了幾秒鐘[54]。對于細長體氣動外形，其等離子體頻率低于鈍頭型航天器，因此，采用高頻法更容易消除臨近空間高超聲速飛行器黑障現(xiàn)象。此外，采用相控陣體制提高天線增益，并選擇低損耗頻率窗口，可以有效減輕大氣及云雨對電磁波的損耗。

2)中繼法

中繼法不試圖直接減弱或消除等離子體鞘套的難題，而是利用等離子體鞘套空間分布不均勻的特點，將電磁波從鞘套較弱的方向傳遞至中繼站或中繼衛(wèi)星，再傳輸至地面，避開直接對地面?zhèn)鬏攷淼木薮笏p。美國航天飛機重返大氣層時，使用中繼衛(wèi)星通信系統(tǒng)，有效克服了黑障問題。此外，ESA飛行實驗測量結(jié)果表明，受等離子體鞘套影響，GPS和遙測鏈路出現(xiàn)了不同程度的通信中斷現(xiàn)象，而S頻段中繼鏈路沒有產(chǎn)生通信中斷[9]。

臨近空間高超聲速飛行器一般以10°左右攻角飛行，其背風面電子密度較低，如果在飛行器背風面安裝S頻段天線，在我國中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的配合下，可以在一定程度上解決通信中斷問題，但是鏈路損耗較大。目前有效的方式是結(jié)合高頻法(Ka波段)和中繼法的優(yōu)勢，保障全程高速數(shù)據(jù)通信。需指出的是，臨近空間高超聲速飛行器可能存在大范圍的橫向機動，采用Ka頻段中繼時，需采用相控陣體制，保證波束鎖定中繼衛(wèi)星。

3)駐波檢測技術

近年來，謝楷等[55]提出了駐波檢測技術，該技術通過檢測天線駐波比的變化，感知等離子體鞘套產(chǎn)生并反演電子密度，遙測系統(tǒng)利用檢測信號可在黑障區(qū)自適應調(diào)整傳輸速率，達到確保關鍵遙測數(shù)據(jù)得以順利傳輸?shù)哪康?。該技術雖然犧牲了通信速率，但給出了一種主動感知電波傳播特性，控制數(shù)據(jù)傳輸速率的黑障規(guī)避措施，且可以與現(xiàn)有遙測系統(tǒng)兼容。更重要的是以天線作為等離子體診斷設備解決了靜電探針這類浸入式診斷方法在飛行器上應用時的熱環(huán)境適應性問題，為飛行器等離子體鞘套特性感知提供了新手段，在工程上具有良好的應用前景。

4.2.3近期可能實現(xiàn)的工程實用方法

磁窗法和激光通信技術雖然目前在工程應用上存在一定難度，但其關鍵技術有望在5～10年取得突破，具有較好的近期工程應用前景。

1)磁窗法

通過外加磁場人為的調(diào)整飛行器表面電子分布，使自由電子在洛倫茲力的作用下作螺旋運動，改變電磁波在等離子體鞘套內(nèi)的傳播特性，使低于等離子體頻率的右旋電磁波穿過等離子體鞘套，這種方法已在RAM飛行實驗中得到驗證。采用永磁體形成磁窗，可以簡單易行地構(gòu)建一個被動黑障消除裝置，有研究者將永磁體與天線進行一體化設計[56-58]，在解決防熱問題的同時實現(xiàn)GPS頻段電波損耗降低。該方法的主要問題是需要產(chǎn)生較大的磁場強度(約1 T上下)，重量開銷較大，但未來可通過磁介質(zhì)材料減重進一步增強磁窗法的工程實用性。

近年來，利用磁窗和靜電收集的消除系統(tǒng)(正交磁場法)在地面實驗和數(shù)值模擬中得到了廣泛驗證[59-60]。該方法通過外加正交電場和磁場，使電子和離子發(fā)生霍爾漂移效應，同時利用外加電場的充電效應加速電子和離子復合，使陰極區(qū)域電子密度降低，以達到在較低磁場強度條件下降低傳播損耗的目的。2013年，Stenzel等[61]提出了利用脈沖電流產(chǎn)生時變磁場的正交磁場法，進一步降低了對磁場強度的需求。相比傳統(tǒng)的磁窗法，這類方法對磁場強度的需求較小(幾千高斯量級)，具有較好的工程實用前景。

2)激光通信技術

激光在等離子體鞘套中可以低損耗的傳播，被認為是解決黑障問題的有效手段[57,62]。但未來須在以下幾方面進行技術攻關：(1)高動態(tài)環(huán)境下的對準技術尚需解決；(2)高超聲速飛行條件下的氣動光學效應對收發(fā)性能的影響尚需解決；(3)受大氣湍流等大氣效應的影響，激光鏈路的建立和通信仍存在困難。雖然飛行器激光通信技術應用還面臨諸多困難，但依舊是未來解決黑障問題的重要手段。

4.2.4未來具有工程應用潛力的方法

近年來，隨著美國登陸火星計劃的提出以及臨近空間高超聲速飛行器的深入研究，諸多學者進行了黑障消除新技術的探索和實驗，為未來工程上解決黑障現(xiàn)象提供了新的途徑和方法。其中固體物質(zhì)噴射技術、天線匹配技術和太赫茲技術具有較好的遠期工程應用前景。

1)固體物質(zhì)噴射技術

近年來，Gillman等[63]研究了采用固體親電物質(zhì)消除黑障效應的方法，通過陰極斑點弧噴射金屬氧化物來吸附電子，降低電子密度從而緩解黑障效應。采用固體物質(zhì)噴射技術相比傳統(tǒng)的親電液體注入方式有效降低了附加設備重量，同時，這種方式可以利用外加磁場對固體粉末拋撒進行有效控制，在未來具有較好的應用前景。目前這種消除技術還處在實驗室階段，需要在飛行器上開展應用研究。

2)天線匹配技術

相關研究表明，在天線與等離子體層之間增加一層特殊材料可以實現(xiàn)天線與等離子體鞘套的阻抗匹配，可在特定頻點產(chǎn)生傳輸增益，從而實現(xiàn)黑障現(xiàn)象的消除[64]。該類方法為無源技術，不增加飛行器重量和空間負擔、無額外功耗。但現(xiàn)階段該方法的發(fā)展受限于材料本身的特性、介電常數(shù)調(diào)控技術以及匹配層會引入相位誤差的補償技術。

3)太赫茲技術

太赫茲頻段介于毫米波與光頻之間，具有強穿透性、高帶寬、高速率等優(yōu)勢，是近年來通信領域的研究熱點[65-66]，也是未來解決黑障問題的可能手段。然而目前太赫茲技術的實用還需要解決器件發(fā)射功率的瓶頸，并建立太赫茲在等離子體鞘套中的信道模型。

5 結(jié) 論

黑障問題經(jīng)過50余年的研究，已經(jīng)形成大量研究成果。目前，黑障現(xiàn)象產(chǎn)生機理逐漸被揭示，相關數(shù)值模擬方法趨于成熟并得到廣泛應用，等離子體實驗覆蓋能力逐漸提升，黑障消除技術逐步走向工程實用。但目前對于臨近空間環(huán)境下等離子體鞘套特性和電波傳播規(guī)律的認知仍存在明顯不足。臨近空間高超聲速飛行器黑障問題機理復雜且涉及多學科耦合優(yōu)化，加之飛行實驗數(shù)據(jù)匱乏，使得徹底解決該問題任重而道遠。在后續(xù)黑障問題研究中，有如下幾點建議：

1)進一步發(fā)展考慮熱化學非平衡流動、防熱材料燒蝕和跨流域的多物理場耦合數(shù)值模擬方法和相應的軟件工具，以全面準確地獲得真實飛行環(huán)境下的等離子體流場分布特性和特征參數(shù)。

2)加強臨近空間高超聲速飛行器機動飛行過程中等離子體鞘套參數(shù)動態(tài)特性及其電波傳播特性的研究。發(fā)展高精度非定常等離子體流場數(shù)值模擬方法，創(chuàng)新相關實驗方法和測試手段，建立有效的動態(tài)等離子體信道模型。

3)關注等離子體鞘套相關參數(shù)診斷技術，加強測量裝置在飛行條件下的力/熱環(huán)境適應性分析研究。充分利用各種飛行實驗的機會，搭載直接測量或非浸入式測量設備，不斷積累飛行實驗數(shù)據(jù)，驗證各種計算模型、仿真代碼及實驗室場景。

4)黑障消除技術應朝著更加工程化和實用化的方向發(fā)展，并形成一套行之有效的設計規(guī)范和實現(xiàn)流程，為高超聲速飛行器不同使用模式下的導航、通信、測控、探測等無線系統(tǒng)方案設計提供多種實現(xiàn)手段和方法。