黑障现象
黑障现象是一种发生在大气层的特有现象,当航天飞船、洲际弹道导弹等飞行器在返回地球的途中,以极高的速度进入大气层时,在一定高度和时间内,飞行器周围会与大气层发生剧烈摩擦,温度剧增,导致气体分子与飞行器表面被烧蚀的材料均发生电离,因而产生激波而出现的现象。
形成原因是飞船返回地球时不断产生的电离气体包裹在飞船周围,形成等离子体鞘套,对电磁波产生吸收衰减、折射、反射、散射等效应,导致飞船内部与外界的无线电通信异常乃至中断。
2023年6月4日,神舟十五号载人飞船成功着陆东风着陆场,中国已经在载人飞船返回穿越黑障区跟踪测量难题上取得重大突破。10月31日,神舟十六号三名航天员返回东风着陆场。返回途中听不到返回舱内航天员的声音,因为飞船进入了“黑障区”,飞船内部与外界的无线电通信异常乃至中断。
原理特征
形成因素
飞船返回地球时,会与大气层发生剧烈摩擦,温度剧增,导致气体分子与飞船表面被烧蚀的材料均发生电离。这些不断产生的电离气体包裹在飞船周围,形成等离子体鞘套,对电磁波产生吸收衰减、折射、反射、散射等效应,导致飞船内部与外界的无线电通信异常乃至中断,这就是所谓的黑障现象,这段过程也被称为黑障区。
高度范围
飞船返回离地80公里到40公里这段范围里,飞船进入黑障区,无线电通信中断。飞船上发生什么情况地面无法知道,这个阶段最为紧张。黑障区是航天器返回舱等再返回大气层后无线电信号中断的飞行区段,给实时通信和测量造成困难。
现象消除
随着飞行器高度的下降和速度降低,到达一定程度时,飞行器表面的温度不足以使得气体分子电离,等离子体层解除,黑障现象也会逐步消失。
黑障风险
飞行器在返回途中会进入黑障区,这时返回舱与地面控制中心会失去联系,同时,飞行器与大气层产生摩擦会形成上千摄氏度的高温,这段期间内危险系数最高,航天员需要采取防热措施,来隔绝高温。此外,返回舱的结构也会遭到破坏,航天员必须穿着航天服经历黑障区。
相关研究
消除方法
20世纪50年代起,就有了黑障及其消除方法的相关研究。其中包括设计理想的再入体外形以及在其表面喷涂可以消除带电粒子的材料来减弱等离子鞘的形成;此外还包括改良通信与测量的方法和设备,如提高信号的频率和功率,将天线安装在等离子鞘最薄的位置等。还有一种设想是通过毫米波或激光穿透等离子鞘来解决。
跟踪监视
飞船穿越黑障区时,只能依靠雷达和光学设备进行跟踪测量,能否在此期间稳定跟踪飞船,不论是对出黑障后的飞船测控引导,还是及时预报飞船落点都极为重要。
中国突破
2023年6月4日,神舟十五号载人飞船成功着陆东风着陆场,科技人员对其在穿越黑障区时的稳定跟踪,表明中国已经在载人飞船返回穿越黑障区跟踪测量难题上取得重大突破。酒泉卫星发射中心敦煌测控区任务区间涵盖了飞船返回进出黑障区的全过程,是实现飞船在黑障区稳定跟踪的核心力量。
2023年10月31日,神舟十六号三名航天员返回东风着陆场。7时50分左右,总台直播的背景声比较“安静”,听不到返回舱内航天员的声音,直到“发现目标”,才再次从返回舱内传来航天员的声音。这是因为飞船进入了“黑障区”,飞船内部与外界的无线电通信异常乃至中断。
参考资料
“发现目标”到底发现什么?这句话的背后是重大突破!.今日头条.2023-10-31
“发现目标”到底发现什么?这句话的背后是重大突破!.今日头条.2023-10-31
我国载人飞船黑障区跟踪测量取得重大突破.今日头条.2023-10-31
飞船进入黑障区无线电通信将中断.中国政府网.2023-10-31
“发现目标”到底发现什么?这句话的背后是重大突破!.上观新闻.2023-10-31