飞行器通信黑障的原理与消除方法

吕殿君，王小辉，詹景坤，祝树生，解春雷（中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京，100076）



飞行器通信黑障的原理与消除方法

吕殿君，王小辉，詹景坤，祝树生，解春雷
（中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京，100076）

飞行器以超高声速在临近空间飞行或再入大气时，由于气动加热导致其表面及周围空气产生热电离，将形成等离子体鞘套，反射或衰减通信信号，发生通信中断现象，即通信黑障。本文介绍了飞行器通信黑障现象产生的原理和影响，分析了目前消除通信黑障的主要方法。在实际应用中，需综合考虑性能指标，合理选择不同方法，才能最大限度地解决通信黑障问题。

黑障；等离子体；消除方法

0　引言

临近空间飞行器和载人返回飞船与地面、在轨卫星之间存在多种通信方式，如GPS导航定位、遥测等，如果发生通信黑障，相关信号的实时传输将受到干扰或中断，对飞行器的实时控制和安全性带来严重影响。因此研究飞行器通信黑障的产生原因并找出相应解决方法，对于临近空间飞行器研制和载人航天任务的顺利实施都具有重要意义。

1　通信黑障的产生原理及影响

飞行器在大气层高速飞行时，与大气发生剧烈摩擦，同时大气受到强烈挤压，在飞行器前缘形成一道弓形激波，使飞行器周围温度急剧增加。高温高压引起大气分子和部分烧蚀材料电离，形成由大量正离子、自由电子以及部分中性粒子组成的高温离子化气体状物质，称为等离子体。等离子体以一定的厚度包围在飞行器周围，形成鞘状包裹物，称为等离子鞘套。等离子鞘套的形成与飞行器的形状、速度、飞行攻角、防热材料和大气密度有关。等离子鞘套会吸收和反射电磁波能量，由此导致信号强度衰减，通信质量下降。等离子鞘套中的自由电子对信号衰减起主要作用。

等离子鞘套中自由电子密度决定了等离子体频率的大小，其关系式为

上式中，fp为等离子体频率（Hz），ne为电子密度（电子数/ m3），q为电子电荷量（C），me为电子质量（kg）。当通信频率flink低于等离子体频率时，通信将会减弱甚至中断；反之则能正常通信。即正常通信条件为

对式（2）做适当变形，可得到临界电子密度和通信频率之间的关系。

式中，flink为通信频率（Hz），ne，cyit为临界电子密度（电子数/cm3）。式（3）表明，每一通信频率都对应着一个临界电子密度值，当天线附近的实际电子密度低于这个临界值时，该频段通信便不会受影响。表1列出了常用通信频段相对应的临界电子密度值。

表1　不同通信频段对应临界电子密度

由表2可以看出，通信频率越高，其对应的临界电子密度越大，因而在飞行器其他参数条件不变的情况下，高频段比低频段发生黑障现象的可能性更小。

当黑障现象发生时，电磁波穿越等离子鞘套时的信号衰减总量（dB）为

式中，zp为等离子鞘套厚度（m），λ为通信波长（m）。由式（1）和式（4）可以看出，当通信频率确定时，电子密度大小决定了信号是否衰减及衰减量的大小。图1给出了不同频段穿越单位厚度等离子鞘套时信号衰减量A/zp（dB/m）和电子密度之间的关系。

图1　单位厚度信号衰减量与电子密度关系

当飞行器天线接收信号时，入射电磁波不仅将受到等离子鞘套的吸收，部分还会被反射。造成反射的原因主要有：在自由空间和等离子体鞘套的界面上，波阻抗的不连续性；在等离子体层内部，等离子体密度的不连续性。电磁波的不断反射和吸收的叠加，使得到达天线的信号强度变得极其微弱，通信质量严重下降甚至中断，以至于产生通信黑障现象。

2　国内外研究现状

美国从1960年开始投入了大量人力物力，实施了一系列大规模飞行试验，其中Project RAM（Radio Attenuation Measurements）是由美国航空航天局（NASA）Lang-ley研究中心负责的大规模再入研究项目。该项目从1961年持续到1970年，从理论和试验两个方面研究了等离子鞘套对再入飞行器通信系统的影响，探讨了消除通信中断的方法，共进行了8次飞行试验，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。试验采用了多种消除通信中断的方法，包括选用不同的外形以及注水等，通过测量信号衰减和天线阻抗来验证其效果。通过Project RAM试验，NASA在相当程度上掌握了再入等离子鞘的特性以及减少通信中断的方法，但是这些试验数据是涉密信息，很少能从公开文献中获得。

我国从20世纪80年代开始“通信黑障”研究，进行了大量地面试验，积累了一定的知识和经验，研究工作主要集中于等离子体鞘形状、结构及特点，等离子体鞘中电子密度分布的计算和建模，等离子体的反射系数和透射系数的计算，以及消除等离子体的物理、化学手段等方面，但中断问题并没有完全解决。如中国科学院力学研究所、中国西南电子技术研究所等单位开展了再入通讯可行途径的地面试验等。我国新一代航天飞行器在大气层中飞行时间长、速度快，为了保障飞行器的飞行安全以及落点的精度，迫切需要开展消除“通信黑障”技术研究。

3　通信黑障消除方法及可行性分析

目前消除通信黑障的潜在方法主要有以下几种：改变飞行器气动结构、亲电子物质注入、磁开窗、引入交叉电磁场、采用高频通信等。下面对各种方法进行介绍并分析不同方法在应用上的可行性。

3.1改变飞行器气动结构的方法

飞行器的气动结构对等离子体鞘套的形成有显著影响，可以通过飞行器头部的结构形状变化来实现空气动力学形状的改变。对于头部为尖锥结构（相对于钝体结构），其等离子体鞘套的厚度将变薄，从而减弱通信黑障效应。相关飞行试验表明：当以6.3 km/s的速度穿过地球大气层时，头部为尖锥结构的飞行器没有出现通信黑障现象。

改善防热材料也是一种减轻“黑障”效应的技术手段。防热材料中的碱金属和碱土金属杂质，其电离电位低，高温下极易电离，因此降低杂质含量、改善材料特性可在一定程度上提高通信质量。

图2　向等离子体流场中注入物质

表2　三种形态添加物比较

3.2亲电子物质注入的方法

等离子体对电磁波的衰减能力主要由其电子密度决定，因此通过减小电子密度则可使较低频率的电磁波穿过等离子体鞘套。数值模拟和试验研究均表明：通过向等离子体流场中注入亲电子物质，可有效减小等离子体鞘套中的电子密度，如图2所示。

液态和气态物可通过喷嘴直接注入等离子鞘套，固态可采用一定的装置气化后再注入。从表2可以看出，固态物难于喷射和输送，而气态物穿透性差，且易于分解，因此液态是一种比较理想的亲电子物质。液体能从极细的喷嘴喷出，在高超声速下很容易穿透电离层，亲和效果好。例如，H2O可有效降低流场的温度，使得化学平衡向低温方向移动，加剧电子和正离子的复合，从而减小电子密度。SF6分子具有较强的极化性，可增强与自由电子作用时的长程吸附能力；同时，SF6分子和亚稳态阴离子具有较长的自分离寿命，可通过碰撞和辐射达到稳定，因此具有较宽的谐振带和较强的电子吸附能力。CCl4在高温条件下均具有较强的电子亲和力，有利于吸附电子，从而减小等离子体密度。

3.3磁开窗的方法

在飞行器天线附近引入外磁场，使电磁波的传播方向与磁力线方向平行，可有效改善通信黑障问题。当流场中的电子作切割磁力线运动时，在洛伦兹力的作用下作螺旋运动，从而改变电磁波的传播模式，只有圆极化波能在其中传播。左、右旋圆极化波对应的等离子体的相对介电常数分别为

其中ωg为电子的回旋共振频率。由于左、右旋圆极化波在磁化等离子体中的传播特性不同，入射的左、右旋圆极化波将经历不同的衰减，通常左旋圆极化波衰减的幅度要比右旋波低1个数量级以上。同时，对低于等离子体角频率的入射左旋电磁波，其透过等离子体鞘套的能力也将显著改善。因此，可引入外磁场，利用左旋圆极化波来实现通信黑障的减弱甚至消除，如图3所示。

图3　天线磁开窗示意图

3.4引入交叉电磁场的方法

在飞行器天线附近引入交叉电磁场，一方面该交叉场导致流经该区域的自由电子和离子发生Hall漂移，以减小微波信号传播路径上的电子密度，从而降低对电磁波的衰减。另一方面，附加的电场会对等离子体鞘套流场中的电子和离子产生相反方向的作用力。如果电场方向为沿着带电粒子的流动方向，如图4所示，则正离子被加速、自由电子被减速，且电子减速效应更显著，从而使两者复合的概率增大，有利于减小电子密度。同时，与磁开窗机理类似，磁化等离子体中波的传播特性将发生改变。

图4　交叉电磁场的引入

3.5提高发射功率和入射波频率的方法

在等离子体鞘套衰减相同的情况下，增大飞行器的发射功率，可相应增加透射信号的强度。但为避免天线击穿，发射功率不能超过一定的范围。超高声速飞行器通常采用的狭缝天线，所允许的最大发射功率为从VHF波段的20W到S波段的100W。随着频率的升高，天线的最大发射功率增大。同时，随着入射电磁波频率的升高，对应传播截止的等离子体临界密度相应增大。因此，对应一定分布的等离子体鞘套，提高入射波的频率可有效降低信号衰减。但随着频率的升高，由大气和雨造成的衰减将会增大。例如，工作在14 GHz的卫星电视系统，在暴雨天气里会丢失同步信号，从而使得电视信号恶化。在实际的应用中，通信频率通常不超过10GHz。

3.6利用Raman散射通信的方法

基于Raman散射的通信，是指将作为泵浦源的高频强电磁波和信号载波同时通过等离子体这一非线性媒介，利用两波相互作用所产生的后向散射Stokes波来实现通信的一种技术手段。但该方法存在许多不足。例如，等离子体中的碰撞衰减、等离子体参数的非均匀性都会对这一过程产生显著影响；同时，所需泵浦波的强度非常高。为了在等离子体中产生明显的非线性效应，需要电场强度达到105V/m的量级，对于工作在S波段的狭缝天线，对应的功率约为80kW。

3.7不同黑障消除方法可行性分析

对于改变飞行器气动结构的方法会导致飞行器所携带的有效载荷减少，而由空气动力学加热所引起的烧蚀将更为严重。

虽然注入亲电子物对克服“黑障”效果明显，但实际采用时还需考虑注入物质的存储、腐蚀、液体晃动等问题，存在一定的技术难度，目前工程上还没有正式投入使用。

磁开窗的方法需考虑磁场在远离磁体空间上的快速衰减特性，要达到显著提高左旋圆极化波透射性能的目的，所需的磁场强度相当大。考虑到飞行器表面的高温会超过永磁体的居里温度，因此通常需要采用通电线圈来产生磁场。而产生如此强的磁场所需的线圈以及配套的电源，又会对飞行器造成极大的负担，弊端明显。

引入交叉电磁场具有磁开窗的优点同时在电场的作用下还能够促进电子和正离子的复合，进一步减少自由电子，因此是一种极具应用前景的通信黑障消除方法，但是这种方法但主要技术

难点是强磁场的产生，需要复杂的设备，增加了飞行器重量。另外实际应用中还需要解决设备功耗、天线防电磁干扰、低温冷却技术、常温超导技术等工程问题。

提高发射功率和入射波频率受到天线击穿、能源供应等一系列问题的限制，不适合单独使用，可结合其他方法，达到完全消除通信黑障的目的。

一般情况可以根据实际应用需求，选择不同的方法组合，如提高发射功率和入射波频率与引入交叉电磁场方法可以结合使用，适当提高发射功率可以减小附加电磁场带来功耗问题。

4　结语

通过以上介绍可以看出，通信黑障对飞行器的控制和安全具有重要影响。尽管解决通信黑障问题的技术措施多种多样，但每一项都有自身的不足和局限性，并不能单独、完全地解决问题。在实际应用中，需综合考虑目标性能，合理选择方式方法，多种技术措施结合使用，才能最大限度地提高通信质量。

［1］ Shi L，Guo B L，Liu Y M，et al.Characteristic of plasma sheath channel and its effect on communication［J］.Progress in Electromagnetics Research，2012，123：321-336

［2］ Hartunian R A，Stewart G E，Fergason S D，et al.Cause and mitigations radio frequency（RF）blackout during re-entry of reusable launch vehicles，ATR 2007（5309）-1［R］

［3］ 孙鉴，黄进武.空天飞机的测控通信技术［J］.电讯技术，2007， 47（1）： 48-52.

［4］ 近空间飞行器测控与信息传输技术［M］.成都：电讯技术编辑部， 2007

［6］ 崔平远，窦强，高艾. 火星大气进入段通信“黑障”问题研究综述［J］.宇航学报，2014，35（1）：1-12.

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

吕殿君（1988-），男，汉族，黑龙江人，硕士，哈尔滨工业大学毕业，工程师，主要研究方向：飞行器电气系统总体设计。