黑障區(qū)是一種發(fā)生在大氣層的特有現(xiàn)象，當(dāng)航天飛船、洲際彈道導(dǎo)彈等飛行器在返回地球的途中，以極高的速度進(jìn)入大氣層時(shí)，在一定高度和時(shí)間內(nèi)，飛行器周圍會產(chǎn)生等離子體，并吸收、反射無線電，使得飛行器與地面的通信聯(lián)絡(luò)會嚴(yán)重失效，甚至發(fā)生通訊完全中斷的情況。這期間產(chǎn)生的高溫以及通訊中斷會威脅到航天員的安全，一般發(fā)生在地球上空35～80公里間。
針對黑障區(qū)存在相關(guān)研究，并得出可以使用提高載波頻率、凈化防熱材料中的有害物質(zhì)、提高發(fā)射功率等方式來克服黑障現(xiàn)象。
現(xiàn)象分析
產(chǎn)生機(jī)理
當(dāng)飛行器在近空間高速飛行時(shí)，它與空氣會發(fā)生巨大的摩擦和擠壓，隨即導(dǎo)致溫度迅速升高到2726℃以上，進(jìn)而引起大氣分子的電離，使得原本呈電中性的分子轉(zhuǎn)化為了帶正電荷的離子。同時(shí)，自由電子遇到了這些帶正電荷的離子時(shí)會重新恢復(fù)成中性分子。上述兩種過程的速率相等時(shí)，被電離的大氣在飛行器周圍會產(chǎn)生一定厚度的等離子體，稱之為“等離子鞘套”。而包裹返回艙的等離子鞘套（等離子體層）會吸收、反射無線電波（電磁波），實(shí)際是一個(gè)等離子電磁波屏蔽層，造成信號衰減，對信號的傳輸產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時(shí)射頻信號完全中斷。這即為黑障現(xiàn)象，在產(chǎn)生黑障現(xiàn)象的區(qū)域稱為黑障區(qū)。
現(xiàn)象消除
隨著飛行器高度的下降和速度降低，到達(dá)一定程度時(shí)，飛行器表面的溫度不足以使得氣體分子電離，等離子體層解除，黑障現(xiàn)象也會逐步消失。
風(fēng)險(xiǎn)
返回艙在返回途中會進(jìn)入黑障區(qū)，這時(shí)返回艙與地面控制中心會片刻失去聯(lián)系，同時(shí)，返回艙與大氣層產(chǎn)生摩擦?xí)纬缮锨?a href="/hebeideji/2453979970497911809.html">攝氏度的高溫，這段期間內(nèi)危險(xiǎn)系數(shù)最高，航天員需要采取防熱措施，來隔絕高溫。此外，返回艙的結(jié)構(gòu)也會遭到破壞，航天員必須穿著航天服經(jīng)歷黑障區(qū)。
影響因素
黑障區(qū)的范圍與再入體的形狀、表面材料、進(jìn)入速度，以及發(fā)射信號的頻率和功率等有關(guān)，此外離子鞘套的形成還與飛行角度、防熱材料和環(huán)境大氣的密度有關(guān)。
相關(guān)研究
自20世紀(jì)50年代起，科研人員就開展了黑障及其消除方法的相關(guān)研究。其中包括設(shè)計(jì)理想的再入體外形以及在其表面噴涂可以消除等離子的材料來消除或減弱等離子鞘；此外還包括改良通信與測量的方法和設(shè)備，以減弱黑障區(qū)的影響，如提高信號的頻率和功率，將天線安裝在等離子鞘最薄的位置等。還有一種設(shè)想是通過毫米波或激光穿透等離子鞘來解決再入通信中斷問題。
1960年代，美國展開了一系列包括Project Fire、Project Asset、Project RAM等的試驗(yàn)，其中，NASA Langley研究中心負(fù)責(zé)的Project RAM(Radio Attenuation Measurements)試驗(yàn)從理論和試驗(yàn)兩個(gè)方面研究了等離子鞘套對再入飛行器通信系統(tǒng)的影響，并探討了減輕通信中斷的方法。該項(xiàng)目中采用了多種減輕通信中斷的方法，包括選用不同的外形以及注水等，美國航空航天局在相當(dāng)程度上掌握了再入帶電粒子鞘套的特性以及減少通信中斷的方法。
相關(guān)事件
2023年6月4日，神舟十五號載人飛船清晨成功在東風(fēng)著陸場著陸，其在穿越黑障區(qū)時(shí)被科技人員穩(wěn)定跟蹤，這表明中國在載人飛船返進(jìn)入黑障區(qū)時(shí)難以跟蹤的難題上取得了重大突破。測控區(qū)技術(shù)專家吳剛表示多家科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合，根據(jù)黑障區(qū)航天器雷達(dá)回波信號的特點(diǎn)，不斷改進(jìn)目標(biāo)信號檢測與跟蹤技術(shù)，現(xiàn)已經(jīng)具備了在黑障區(qū)中穩(wěn)定跟蹤飛船的能力。
參考資料 >
新知丨航天器返回地面有哪些關(guān)鍵環(huán)節(jié).觀察者.2023-06-06
小明問嫦娥丨半彈道式跳躍回 大氣層上“打水漂”.今日頭條.2023-06-05
我國載人飛船黑障區(qū)跟蹤測量取得重大突破.今日頭條.2023-06-05