本科生科研指南（28）：穿越黑障

當飛行器返回大氣層時，因飛行器與大氣間的劇烈摩擦和周圍氣體的壓縮升溫，其表面的溫度將急劇升高（注一），並進一步導致飛行器材料和空氣的電離，產生等離子體。

當物質處於等離子體狀態時，其物理性質會發生很大的改變，與固態、液態和氣態均不同，並對電磁波產生強烈的吸收和散射作用。

圖一展示了筆者採用高能量聚焦雷射在實驗室中產生的等離子體及其發光的照片（注二）。

因此，當飛行器周圍被等離子所覆蓋之時，飛行器與外部的通信因電磁波被等離子體強烈的削弱而受到嚴重的影響，從而產生通信不暢甚至中斷的現象，簡稱為「黑障」。另外，等離子體對於雷達信號也有很好的吸收作用。

因此，「黑障」是當飛行器從外太空返回時進入大氣層後的重要現象。

圖一 筆者採用高能量聚焦雷射在實驗室中產生的等離子體及其發光

「黑障」在飛行器返回大氣層時廣泛存在。圖二展示了典型的飛行器進入大氣層後其下落高度（左側）和速度（右側）隨時間的變化曲線。

圖中黑色的區域便是「黑障」區。例如，神舟五號飛船的返回艙在進入大氣層以後便發生了「黑障」現象。根據已發布的神舟五號執行任務過程中的重要時間節點（注三），2003年10月16日6時04分，神舟五號飛船進入大氣層後因「黑障」而通信中斷。

後續，隨著飛船的下落速度不斷降低，飛船周圍的等離子體也逐漸變薄。6時07分，搜救直升機收到返回艙的無線電信號並且目視到返回艙，說明飛船已經穿越了「黑障」區域。類似地，神州七號載人飛船也在返回途中碰到過「黑障」區（注四）。

當飛行器穿越「黑障」區時，因其所處的外部環境極其惡劣，存在著很強的事故隱患。例如，1971年6月30日，前蘇聯聯盟11號宇宙飛船返回艙再入大氣層時，因壓力閥門密封性能在分離時被破壞，艙內壓力急劇降低導致三名太空人死亡，教訓慘痛。值得注意的是，不僅飛行器進入地球大氣層時會有「黑障」區，當飛行器進入含有大氣層的其他星球時也會有「黑障」區。

例如，火星探測器「探路者號」、「好奇號」均在進入火星大氣層後遇到過「黑障」現象。

圖二 飛行器進入地球大氣層後的速度及高度隨時間變化示意圖

儘管「黑障」現象持續的時間只有幾分鐘，但其對飛行器的安全卻意義重大。飛行器飛行過程中一般需要實時地將各類重要數據（包括衝擊、振動、熱流、位置、速度等）返回地面控制中心，方便地面控制中心進行數據分析和飛行器的相應調整。

而一旦進入「黑障」區域，飛行器與地面控制中心間的通信聯繫被切斷，地面人員無法實時地了解飛行器的實時狀況，也無法給出有效的操作指令。

然而，因高空大氣中的湍流等的存在，上述失聯對於後續飛行器著陸時的位置精度等等均有很大的影響。

如果著陸地點不佳（例如難以營救的偏遠山區等等），不但極大地增加了後續地面搜救的難度，而且可能對飛行器的安全以及太空人的生命造成一定的風險。

當飛行器降落在地球上時很多事情還方便處理一些。然而，當探測器在火星上遇到「黑障」時，失敗的風險將更高。據統計，人類已經進行的火星探測器著陸實驗的成功率僅為37%（注五）。因此，飛行器穿越「黑障」區域的研究具有重要的意義。

當飛行器穿越「黑障」區域時，可以在以下幾個方面下功夫從而削弱「黑障」的影響。

1、將通信用的天線安裝在等離子體最為薄弱的位置。

2、在飛行器表面適當噴塗可以減少等離子體厚度的塗層。

3、優化飛行器的形狀，從而減弱等離子體的厚度並優化其分布。

另外，雷達對於保障載人航天返回艙的安全具有重要作用。

在神舟七號飛船進入大氣層後的返航途中遇到「黑障」時，通過對雷達跟蹤系統進行一系列優化，其在11秒之內便鎖定了返回艙（注六），為後續的著陸和搜救提供了重要的位置數據。

從「黑障」相關的研發故事中，本科生可以體會以下幾點重要綜合素質。

知識的相通性

從「黑障」形成的原理可知，只要存在大氣層，飛行器在著陸過程中便會遇到「黑障」區域。因此，無論是在地球上著陸還是在火星表面探測的過程中，都會有「黑障」的身影。

因大氣層是由星體的引力而產生的，月球等星體由於質量較小，無法有效地吸附氣體分子，所以一般近似地認為月球沒有大氣層。因此，在月球表面著陸時便不必考慮「黑障」現象。

系統思維

通常，一個重大工程的設計和實施涉及到非常多的環節和因素。這就需要科研工作者不但能夠提升個別局部產品的性能，而且要從系統的視角去審視最終產品的綜合性能指標。

值得注意的是，前蘇聯聯盟11號宇宙飛船事故和多次的火星探測器著陸失敗已為我們敲響了警鐘。系統思維能力需要同學們在本科階段的學習中便要開始深刻領會。

知識間的關聯性

「黑障」現象並非孤立地存在，而是與「熱障」現象等有著極其密切的聯繫。在開展飛行器熱防護的同時，實際上也要考慮「黑障」的影響。

例如，從飛行器表面塗層的設計而言，既要能夠有效地為飛行器提供熱保護，也需要能夠削弱等離子體的形成並抑制其厚度。因此，上述需求對材料的設計提出了更高、更為苛刻的要求。

注釋部分

注一：該現象簡稱為「熱障」。關於「熱障」現象及其防護方法的詳細介紹，請讀者參見筆者的系列博文。本科生科研指南（27）：突破熱障http://blog.sciencenet.cn/blog-352862-1214572.html注二：筆者在實驗室中產生的等離子體是採用高能量的Nd:YAG雷射器通過聚焦透鏡在水中形成的。注三：與神州五號任務執行過程中相關的時間均引自維基百科網站中文版詞條「神舟五號」。注四：引自科學網新聞中心相關報導特寫：神七穿越「黑障」驚心動魄的240秒（副標題：北京航天指揮控制中心目擊側記）http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2008/9/211508.html注五：該數據引自崔平遠等的綜述論文第9頁，如下。崔平遠,竇強,高艾.火星大氣進入段通信「黑障」問題研究綜述[J].宇航學報,2014,35(01):1-12.注六：該數據引自新華網報導，如下。新華網：我國捕捉穿越黑障區神七目標僅用11秒http://scitech.people.com.cn/GB/9599076.html

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