航天器再入如何克服“黑障”？

所谓“黑障”，是指再入航天器（包括中远程弹道导弹弹头，返回式卫星，宇宙飞船，航天飞机，登月返回仓及行星探测器等等）在返回地球或进入行星大气层时，发生的无线电通讯中断现象。虽然它的“知名度”要比高速飞行器研发过程中所碰到的“声障”和“热障”小很多，但人们想必记得：1969年7月24日，美国阿波罗11号登月飞船在返回地球时的电视实况广播，宇航员的画面中断了十多分钟；2008年，我国的神舟七号返回时，也有约4分钟的语音通讯和无线电跟踪的中断。而这次嫦娥五号返回器也碰到了通讯中断的情况。显然，这是一个棘手的技术难题。于是，人们套用突破声速和解决热防护时“声障”和“热障”的称谓，将它称之为“黑障”。

“黑障”虽然不像声障和热障那样可能直接造成航天器的毁坏，但它确确实实是航天器研发中的一个“障”。通讯中断往往发生在再入飞行过程中的关键时刻，由于各种飞行信息无法通过遥测系统及时传送到地面，供实时和事后分析处理，因而妨碍了航天器的改进设计和定型工作的完成；此外，语音通讯和数据传输的中断，也可能影响载人飞船的安全和造成军用导弹弹头的末制导和电子对抗能力的缺失。因此，“黑障”对再入航天器的研制，试验和使用都将造成严重的后果。

要克服“黑障”，首先必需弄清“黑障”是怎样产生的。

我们知道，当再入航天器高速进入大气层时，由于激波和粘性的作用，周围气体温度迅速升高（可达几千甚至上万度），这样就会导致气体分子离解和电离；此外，防热层烧蚀时，又有一些容易电离的杂质进入，从而使航天器周围形成一个由电子、正负离子和中性粒子组成的“等离子鞘”。无线电波由航天器中发出或由外部进入，都要经过这个“鞘”。正是它们的相互作用，决定了无线电通讯的不同状况。

无线电波是电磁波的一种。当无线电波通过等离子鞘时，在电磁场的驱动下，其中的自由电子会发生振动，其振动频率叫做等离子体频率，它与等离子体中电子的数密度（即单位体积中电子的个数）的平方根成正比。当无线电波的频率大于等离子体频率时，无线电波会顺利通过（衰减很小），无线电通讯畅通；当无线电波的频率等于或小于等离子体频率时，无线电波或从等离子鞘表面反射回来，或衰减严重地通过，无线电通讯中断或损耗严重。因此，解决通讯中断（或克服“黑障”）的方向已经明确——提高无线电波的频率；降低等离子体的频率（亦即降低等离子体中的电子数密度）。

提高无线电波的频率，受通讯器件和原有测控站以及远洋测量船上设备的限制，因而潜力很小，且代价很大。因此，人们将克服“黑障”的努力主要放在降低等离子体的频率，或者说，降低等离子鞘中的电子数密度之上。

精心设计飞行器的气动外形和选择合适的天线安装位置，可以降低整个等离子鞘或天线安装处等离子鞘的电子数密度；减少防热材料中容易电离的杂质（如碱金属）和添加亲电子物质（如卤族元素）是降低等离子鞘中电子数密度的极有效手段。上述手段的综合运用可大大减轻通讯中断（例如，将中断时间减至最小和降低电波通过“鞘”时的衰减）。但是，这还不能彻底解决问题。于是，人们又研究了一些辅助手段。例如，对于无线电遥测信号的“记忆重发”（即在进入黑障期间将飞行信息压缩记录下来，待出黑障区后再迅速发出）；对无线电跟踪和语音通讯的“超前等待”（即从飞行轨道预测的出黑障处等待，在出黑障时恢复跟踪和通话）等等。对于这次“嫦娥五号”返回器上发生的“黑障”，工程师们除了在进入黑障区前提前发送指令外，还采用光学经纬仪和单脉冲雷达对返回器进行跟踪，用以精确确定着陆地点。这样一来，人们就可以将“黑障”的影响降至最小，或者说将“黑障”影响克服了。当然，随着科技的进一步发展，人们肯定会有更好的解决办法。