臨近空間高超聲速飛行器黑障問題研究綜述

龔 旻，譚 杰，李大偉，馬 召，田冠鎖，王暕來，孟令濤

(中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

0 引 言

當(dāng)飛行器以馬赫數(shù)10以上的速度在大氣層內(nèi)飛行時(shí)，由于強(qiáng)激波壓縮和高速摩擦作用使空氣中的氧分子和氮分子存在不同程度的離解和電離等化學(xué)反應(yīng)，在飛行器周圍形成一層一定厚度的等離子體，稱為等離子體鞘套。電磁波穿過等離子體鞘套時(shí)能量會(huì)被吸收、散射和反射，造成信號(hào)幅值衰減、相位畸變，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致信號(hào)傳輸中斷，即產(chǎn)生黑障現(xiàn)象。黑障現(xiàn)象將導(dǎo)致飛行器衛(wèi)星定位中斷、通信數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)фi、測(cè)控信號(hào)丟失、人在回路的任務(wù)規(guī)劃以及控制指令傳輸中斷等嚴(yán)重問題，因此解決黑障問題顯得極為迫切。黑障問題的發(fā)現(xiàn)源于20世紀(jì)60年代美國的阿波羅太空計(jì)劃[1]。半個(gè)多世紀(jì)來，國內(nèi)外研究者針對(duì)黑障問題開展了大量研究工作，取得了一些可喜成果，但離徹底解決該問題仍有較大差距。從整體上看，黑障問題研究大致可劃分為三個(gè)階段：1)第一階段，主要通過飛行實(shí)驗(yàn)來研究等離子體鞘套對(duì)通信中斷的影響以及相關(guān)的消除方法。20世紀(jì)60至70年代，美國空軍和航空航天局通過烈火項(xiàng)目[2]、無線電衰減測(cè)量(Radio attenuation measurement, RAM)項(xiàng)目[3]、水星項(xiàng)目[4]、雙子座項(xiàng)目[5]和開拓者項(xiàng)目[6]等探索和驗(yàn)證了消除黑障問題的手段和方法。2)第二階段，黑障問題研究主要集中在數(shù)值仿真和地面實(shí)驗(yàn)研究等方面。20世紀(jì)80至90年代，由于測(cè)量手段的局限性以及飛行實(shí)驗(yàn)的高成本，且測(cè)量獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)仍遭受質(zhì)疑，美國沒有對(duì)通信中斷進(jìn)行專門的飛行實(shí)驗(yàn)。針對(duì)洲際彈道導(dǎo)彈通信需求，美國開發(fā)了等離子體流場模擬以及電波傳輸效應(yīng)計(jì)算程序[7]。在實(shí)驗(yàn)方面，Chadwick等[8]在激波風(fēng)洞中開展了L頻段電磁波傳輸特性影響的實(shí)驗(yàn)研究，獲得了電磁波在等離子體作用下的相位移動(dòng)和衰減數(shù)據(jù)。(3)第三階段研究工作主要集中在電磁波與等離子體相互作用的機(jī)理模型以及更為優(yōu)化的黑障消除技術(shù)。1998年，歐洲航天局(European space agency, ESA)進(jìn)行了大氣層再入驗(yàn)證器(Atmospheric reentry demonstrator, ARD)飛行實(shí)驗(yàn)[9]，驗(yàn)證了不同工作頻段、天線布局以及中繼措施條件下黑障引起的電波損耗，為研究電磁波與等離子體作用機(jī)理積累了可靠數(shù)據(jù)。近年來，隨著美國常規(guī)快速全球打擊計(jì)劃的提出以及以HTV-2和AHW為代表的臨近空間高超聲速飛行器的深入研究[10]，國內(nèi)外對(duì)黑障問題的關(guān)注度持續(xù)上升，一大批新的理念、技術(shù)和材料等被廣泛探索。

臨近空間高超聲速飛行器全程在大氣層內(nèi)滑翔或跳躍飛行，具備很強(qiáng)的突防能力，是目前高超聲速領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)軸對(duì)稱飛行器相比，其面臨更加嚴(yán)苛的裝填空間和重量限制以及防隔熱方面的約束；另外，由于等離子體流場分布特性復(fù)雜、動(dòng)態(tài)變化范圍大、等離子體鞘套產(chǎn)生的時(shí)間長，使得等離子體鞘套對(duì)信息傳輸?shù)挠绊懹l(fā)嚴(yán)重[11]。20世紀(jì)70年代形成的黑障消除技術(shù)，如磁窗法和親電子物質(zhì)注入等方式需要附加的設(shè)備過重、體積龐大，給飛行器設(shè)計(jì)帶來極大復(fù)雜度。因此，亟需開展更加工程實(shí)用化的黑障消除技術(shù)研究。

黑障問題涉及等離子體物理學(xué)、高超聲速空氣動(dòng)力學(xué)、電磁學(xué)和通信等多個(gè)學(xué)科內(nèi)容，國內(nèi)外有關(guān)黑障問題的研究內(nèi)容甚為寬廣。本文主要從等離子體與電磁波相互作用機(jī)理、等離子體流場和電磁波傳播數(shù)值模擬、黑障地面實(shí)驗(yàn)以及黑障消除技術(shù)等方面總結(jié)相關(guān)學(xué)者的研究成果。

1 黑障現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)理

1.1 等離子體鞘套形成機(jī)理和基本特征

飛行器在高超聲速飛行過程中，由于激波強(qiáng)烈的壓縮作用和黏性滯止效應(yīng)，使飛行器周圍特別是激波層內(nèi)的空氣溫度明顯升高，氣體之間產(chǎn)生離解、復(fù)合、置換和電離等復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，形成等離子體鞘套。圖1描述了典型航天飛行器在不同高度和速度區(qū)間下的空氣熱力學(xué)特性[12]。可以看出，在高空高馬赫數(shù)條件下，等離子體流場為典型熱化學(xué)非平衡流動(dòng)，此時(shí)分子和原子的能量模式不能采用單一溫度來描述，氣體內(nèi)能模式由平動(dòng)溫度、轉(zhuǎn)動(dòng)溫度、雙原子組分的振動(dòng)溫度和電子溫度這四種不同的溫度來描述，不同模式的能量之間還將產(chǎn)生能量交換過程，即能量松弛過程。另外，氣體組分模型需要選用7組分或11組分模型，若考慮防熱材料燒蝕，需要采用更多的組分模型。

圖1 不同飛行高度和速度條件下空氣熱力學(xué)特性[12]Fig.1 Air thermodynamic properties of different flight height and velocity[12]

等離子體鞘套分布特征與氣動(dòng)外形和飛行工況密切相關(guān)，它呈現(xiàn)不均勻的空間分布。圖2給出了歐洲過渡實(shí)驗(yàn)飛行器(Intermediate experimental vehicle, IXV)和平面型高超聲速軌道再入巴士(Plane-shaped hypersonic orbital entry bus, PHOEBUS)等離子體頻率分布[13]?？梢钥闯?，由于采用正攻角飛行，背風(fēng)面等離子體頻率比迎風(fēng)面低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，這表明從背風(fēng)面方向通信要比迎風(fēng)面方向容易得多。另外，與IXV飛行器相比，細(xì)長體PHOEBUS飛行器等離子體頻率較低，具有更好的通信能力。臨近空間高超聲速飛行器氣動(dòng)外形與PHOEBUS類似，其端頭半徑較小，以中等攻角飛行，60 km以上電子數(shù)密度較低，產(chǎn)生黑障效應(yīng)的可能性不大。但另一方面，由于其采用滑翔彈道，因此黑障現(xiàn)象有可能持續(xù)更長的時(shí)間。

圖2 等離子體頻率云圖(80 km, Ma 25; 單位GHz)[13]Fig.2 Plasma frequency contours (80 km, Ma 25; Unit GHz)[13]

1.2 等離子體中電磁波傳播機(jī)理

等離子體由自由電子、離子等帶電粒子以及中性粒子(原子、分子等)組成，宏觀上呈現(xiàn)準(zhǔn)中性。電磁波在等離子體中傳播宏觀上表現(xiàn)為電磁波的吸收、散射、反射等現(xiàn)象，傳播特性與等離子體的電子密度、特征頻率和碰撞頻率相關(guān)。主要表現(xiàn)為：1)電磁波衰減與等離子體電子密度成正相關(guān)；2)當(dāng)電磁波頻率低于等離子體頻率時(shí)，電磁波會(huì)迅速衰減或產(chǎn)生全反射，引發(fā)黑障現(xiàn)象。當(dāng)電磁波頻率高于等離子體頻率時(shí)，電磁波可低損耗地在等離子體中傳播；3)電磁波頻率、等離子體頻率和碰撞頻率接近時(shí)，電子振蕩共振和碰撞共振共同作用，等離子體對(duì)電磁波表現(xiàn)為吸收特性；4)當(dāng)?shù)入x子體層厚度與電磁波波長可比擬時(shí)，電波衰減符合薄層修正模型，但目前對(duì)薄層現(xiàn)象的機(jī)理說法不一[14]。

電磁波傳播特性與等離子體鞘套參數(shù)及分布特性緊密相關(guān)。Mather等[7]研究了飛行工況對(duì)等離子體鞘套空間分布及電波傳播特性的影響，印證了優(yōu)化天線布局緩解黑障問題的可行性。趙漢章等[15]研究了電磁波在電子密度呈正態(tài)分布的等離子體鞘套中的傳播，推導(dǎo)出了反射系數(shù)、透射系數(shù)表達(dá)式。近年來，諸多學(xué)者開始關(guān)注等離子體鞘套動(dòng)態(tài)特性對(duì)電波傳播的影響。文獻(xiàn)[16-18]針對(duì)等離子體鞘套黑障效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)深入研究，利用理論方法和實(shí)驗(yàn)方法分析了電子密度變化、壓力波動(dòng)等時(shí)變特性對(duì)等離子體鞘套衰減特性的影響，并對(duì)任意入射的不同極化波傳輸特性進(jìn)行了討論，研究表明等離子體動(dòng)態(tài)特性不僅會(huì)使信號(hào)衰減產(chǎn)生波動(dòng)，同時(shí)伴隨調(diào)制效應(yīng)。另外，等離子體衰減不僅包括頻率變化而引起的變化，還包括極化電流、等離子體湍流導(dǎo)致的非線性效應(yīng)。

1.3 等離子體鞘套信道特征

等離子體鞘套信道特征包含幅度衰減造成的大尺度衰落和由于動(dòng)態(tài)特性引起的小尺度衰落，其中動(dòng)態(tài)特性是研究等離子體鞘套信道特征的關(guān)鍵。

早在20世紀(jì)70年代，國外在RAM-C遙測(cè)數(shù)據(jù)中就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幅度和相位的抖動(dòng)變化，幅度抖動(dòng)可達(dá)25 dB，相位抖動(dòng)偏移嚴(yán)重時(shí)可達(dá)200°[3]。1999年，Ohler等[19]研究了動(dòng)態(tài)等離子體引起信號(hào)幅度和相位調(diào)制的物理機(jī)理[19]，通過等離子體尾焰的通信實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，等離子體動(dòng)態(tài)特性會(huì)引起通信信號(hào)頻譜彌散，并在載波功率譜上產(chǎn)生寄生頻率分量。此后，Yao等[20]又對(duì)等離子體鞘套電子密度的動(dòng)態(tài)多尺度特征進(jìn)行了深入研究，得到了動(dòng)態(tài)環(huán)境下電磁波幅度和相位的統(tǒng)計(jì)模型。石磊等[21]提出了一種考慮動(dòng)態(tài)等離子體鞘套的高超聲速飛行器信道建模方法，將等離子體鞘套引起的相位偏移定義為信道小尺度衰落特征。賀國龍等[22]通過仿真研究后指出，電磁波在等離子體鞘套中傳播時(shí)，幅度服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，相位服從瑞利分布。

不同的調(diào)制信號(hào)在等離子體鞘套中傳播時(shí)，表現(xiàn)出不同的信道特征。楊敏等[17]采用大面積輝光放電等離子體發(fā)生裝置研究了動(dòng)態(tài)等離子體鞘套對(duì)調(diào)頻信號(hào)的影響機(jī)理。研究表明，雖然在載波頻率大于等離子體截止頻率的情況下，電磁波衰減會(huì)顯著降低，但等離子體鞘套的動(dòng)態(tài)特性會(huì)導(dǎo)致寄生調(diào)制效應(yīng)，使星座圖產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致信號(hào)檢測(cè)判決裕度降低。Lv等[23]采用激波管實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)建了時(shí)變等離子體測(cè)試環(huán)境，同樣發(fā)現(xiàn)了星座圖旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，而相比相位調(diào)制信號(hào)，脈沖調(diào)制和頻率調(diào)制信號(hào)具有更高的信息可達(dá)率。嚴(yán)匡武等[24]針對(duì)存在多徑衰落的脈沖編碼調(diào)制/調(diào)頻的再入遙測(cè)系統(tǒng)，分析了雙徑模型的幅度失真、延遲失真、信道衰減因子、碼速率等對(duì)接收機(jī)帶來的影響，認(rèn)為延遲失真與信道衰減因子的共同作用將改變接收機(jī)性能邊界，該文為工程中合理設(shè)計(jì)再入遙測(cè)系統(tǒng)提供了參考。

研究等離子體鞘套信道特征的難度主要在于動(dòng)態(tài)特性影響下的小尺度衰落建模，而小尺度衰落建模的關(guān)鍵在于等離子體鞘套真實(shí)的功率延遲譜和多普勒功率譜的獲取。目前，等離子體鞘套信道模型的研究并不完善，仍需要進(jìn)一步深入研究。

2 黑障現(xiàn)象仿真研究

鑒于利用飛行實(shí)驗(yàn)獲取等離子體鞘套參數(shù)的代價(jià)過于高昂。近年來，隨著CFD、CEM以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬逐漸成為研究等離子體鞘套特征參數(shù)和電磁特性的主要手段。本節(jié)從等離子體流場和電磁波傳播特性數(shù)值模擬兩個(gè)方面，對(duì)相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行綜述及分析。

2.1 等離子體流場數(shù)值模擬

高超聲速飛行器周圍的等離子體流場分布特性，決定了等離子體鞘套的等效電磁參數(shù)，是相關(guān)研究的前提和基礎(chǔ)。20世紀(jì)80年代末，Candler等[25]采用7組分模型首次實(shí)現(xiàn)了RAM-C Ⅱ飛行實(shí)驗(yàn)等離子體流場數(shù)值模擬，結(jié)果表明7組分模型與飛行實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好；另外，單個(gè)統(tǒng)一的振動(dòng)溫度可以近似描述振動(dòng)能非平衡效應(yīng)，但文中提到振動(dòng)-電子能交換模型有待進(jìn)一步完善。Scalabrin等[26]采用7組分雙溫度模型對(duì)RAM-C Ⅱ飛行器流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，認(rèn)為溫度模型和擴(kuò)散系數(shù)是造成計(jì)算結(jié)果差異的主要原因之一。高鐵鎖等[27]比較分析了兩種典型化學(xué)模型對(duì)電子數(shù)密度的影響，相對(duì)于Dunn-Kang模型，總體上Park模型與飛行測(cè)量數(shù)據(jù)較為一致。另外，Andrienko等[28]的研究結(jié)果表明，對(duì)于高空強(qiáng)熱化學(xué)非平衡流動(dòng)，采用Park模型和Treanor-Marrone離解優(yōu)先模型得到的電子數(shù)密度分布與飛行測(cè)量結(jié)果吻合較好。

近年來，Kim等[29]考慮了電子能非平衡效應(yīng)(Te≠Tv)，認(rèn)為在高超聲速強(qiáng)非平衡條件下，電子溫度對(duì)通信黑障預(yù)測(cè)起重要作用。Farbar等[30]在Kim等工作基礎(chǔ)上，對(duì)RAM-C和Stardust飛行器流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，認(rèn)為電子能非平衡效應(yīng)將顯著改變電子數(shù)空間分布與量級(jí)。郝佳傲[31]采用描述電子能非平衡的三溫度模型，結(jié)合11組分化學(xué)反應(yīng)模型，對(duì)多種高溫?zé)峄瘜W(xué)非平衡流場開展了數(shù)值模擬，結(jié)果表明三溫度模型的預(yù)測(cè)效果更好。

對(duì)于臨近空間高超聲速飛行器，其飛行剖面包含了整個(gè)滑移流區(qū)及部分過渡流區(qū)域，存在顯著的稀薄氣體效應(yīng)。邵純[32]采用包含高階本構(gòu)關(guān)系的簡化常規(guī)Burnett(Simplified conventional burnett, SCB)方程和N-S方程，開展了跨流域環(huán)境下的等離子體鞘套數(shù)值模擬分析研究。結(jié)果表明，進(jìn)入滑移過渡流域后，稀薄效應(yīng)對(duì)等離子體流場的作用顯著增強(qiáng)，SCB方程得到的頭部等離子體鞘套更厚，自由電子濃度更高。

通過上述分析，可以看出：對(duì)于高空強(qiáng)熱化學(xué)非平衡流動(dòng)，振動(dòng)離解模型和電子能非平衡效應(yīng)對(duì)電子數(shù)密度影響較大，采用三溫度模型和Treanor-Marrone離解優(yōu)先模型可以獲得更準(zhǔn)確的電子密度空間分布；另外，為了真實(shí)全面獲得高超聲速飛行器等離子體分布特性及特征參數(shù)，熱化學(xué)非平衡與稀薄氣體耦合效應(yīng)對(duì)電子密度的影響需要進(jìn)一步深入研究。

2.2 電磁波傳播數(shù)值模擬

從20世紀(jì)60年代開始，國外研究者就對(duì)等離子體中電波傳播特性開展了大量數(shù)值模擬研究，根據(jù)方法原理可以分為兩大類：一類是理論方法，主要有解析法、分層方法、傳輸線方法、WKB(Wentzel-Kramer-Brillouin)方法[33]，另一類是全波方法，主要以時(shí)域有限差分(Finite difference time domain, FDTD)方法[34]為代表。

解析法求解等離子體中的波動(dòng)方程，得到波的反射系數(shù)、透射系數(shù)等參數(shù)，是求解等離子體中電波傳播特性最精確、最具有明確物理意義的理論方法[35]。分層方法是在解析方法的基礎(chǔ)上，將等離子體層的法向空間分布用離散的等離子層來近似，通過求解各層分界面處的反射場和透射場，疊加得到法向非均勻分布的等離子層反射和透射特性。傳輸線方法則是采用二端口網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)的形式等效分層等離子體介質(zhì)，只需求解二端口網(wǎng)絡(luò)的傳輸系數(shù)，通過將壓力等參數(shù)與傳輸線方程耦合，可以得到不同參數(shù)變化對(duì)電波傳播特性的影響[16,36]。WKB方法適用于介質(zhì)緩變的非均勻介質(zhì)，即可以將此介質(zhì)看作細(xì)小的多段均勻介質(zhì)來處理，適合分析等離子體鞘套對(duì)電磁波的作用特征和規(guī)律[37-38]。綜合來看，這類方法主要用于研究一維等離子體反射、透射機(jī)理，不適用于復(fù)雜氣動(dòng)外形。

全波方法在解決復(fù)雜等離子體分布中具有優(yōu)勢(shì)，目前FDTD方法是求解色散介質(zhì)中電磁場問題的重要方法。等離子體特性可用一個(gè)與頻率相關(guān)的介電常數(shù)來描述，將介質(zhì)本構(gòu)關(guān)系通過FDTD方法離散，與麥克斯韋方程組耦合求解。為提升計(jì)算效率、降低計(jì)算資源需求，無條件穩(wěn)定的FDTD方法被引入到色散媒質(zhì)的求解中[34]，但數(shù)值色散誤差有所增加。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提升，工程實(shí)踐中采用CFD與CEM相結(jié)合求解多學(xué)科耦合復(fù)雜問題已成為研究熱點(diǎn)[39]，其中CFD-FD2TD混合方法仿真結(jié)果與飛行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有良好的一致性。

通過對(duì)以上仿真方法優(yōu)缺點(diǎn)的對(duì)比分析，可以看出：在飛行器方案論證初期可采用WBK等理論方法進(jìn)行電波傳播特性的快速預(yù)測(cè)；在工程研制階段，可采用FDTD方法對(duì)實(shí)際工程外形等離子體鞘套中的電波傳播特性進(jìn)行精細(xì)模擬。

3 黑障現(xiàn)象地面實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)方法是研究黑障現(xiàn)象最為直接準(zhǔn)確的途徑。在研究初期，美國、俄羅斯等國相繼組織了大量飛行實(shí)驗(yàn)來研究黑障效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理及消除技術(shù)。然而飛行實(shí)驗(yàn)因其成本高、數(shù)據(jù)獲取量低，逐漸被地面實(shí)驗(yàn)所取代。

3.1 等離子體地面模擬方法

根據(jù)產(chǎn)生等離子體的工作原理可以將等離子制備和研究設(shè)備分為熱等離子體實(shí)驗(yàn)設(shè)備和冷等離子體實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

3.1.1熱等離子體實(shí)驗(yàn)設(shè)備

激波風(fēng)洞/激波管、電弧風(fēng)洞和感應(yīng)耦合等離子體風(fēng)洞通過產(chǎn)生比較接近真實(shí)飛行狀態(tài)的流場或溫度來激發(fā)等離子體，是開展黑障研究常用的實(shí)驗(yàn)手段。下面對(duì)其工作原理進(jìn)行簡要介紹。

激波風(fēng)洞/激波管采用高壓氣體破膜的方式產(chǎn)生超高聲速激波，壓縮實(shí)驗(yàn)段內(nèi)的氣體從而產(chǎn)生高溫等離子體，其電子密度可以達(dá)到1013/cm3[40]。但激波風(fēng)洞穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間很短，一般為幾毫秒至百毫秒，難以進(jìn)行天線特性測(cè)量、通信系統(tǒng)驗(yàn)證等需要長時(shí)間持續(xù)的實(shí)驗(yàn)。另外，其實(shí)驗(yàn)重復(fù)性較差。

電弧風(fēng)洞利用正負(fù)電極放電產(chǎn)生的大功率電弧將空氣加熱至高溫高壓狀態(tài)，能夠提供長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的高焓等離子體射流。但由于流場存在金屬銅離子以及其它電極粉末污染，在一定程度上改變了等離子體的電波傳播特性。

感應(yīng)耦合等離子體風(fēng)洞采用感應(yīng)加熱的方式產(chǎn)生純凈的、長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的高焓等離子體射流。常規(guī)條件下，電子數(shù)密度范圍為1010/cm3～1013/cm3，碰撞頻率范圍為109Hz～1010Hz，是開展等離子體對(duì)電磁波傳輸特性影響研究的理想設(shè)備[41]，其主要的不足是難以產(chǎn)生大面積等離子體。

3.1.2冷等離子體實(shí)驗(yàn)設(shè)備

近年來，冷等離子體源模擬設(shè)備因其小型化、可控性、成本相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，在電波傳播特性研究中被大量采用。謝楷等[42]利用低氣壓輝光放電原理在地面產(chǎn)生了大面積、長時(shí)間穩(wěn)定持續(xù)、密度可控的等離子體。但受放電機(jī)理的制約，其電子密度上限為2.5×1011/cm3左右，碰撞頻率小于108Hz，難以模擬中低空條件等離子鞘套。

螺旋波等離子體源是近年來發(fā)展起來的一種新型射頻放電等離子體源[43]，其利用一種特定的環(huán)繞于玻璃或石英管外壁的天線激發(fā)起磁化等離子體中的一種右旋極化波共振，可以非常有效地通過朗道吸收加熱電子，產(chǎn)生高密度等離子體(可達(dá)1014/cm3)，其主要缺點(diǎn)是存在靜磁場問題。

3.2 等離子體診斷技術(shù)

等離子體診斷技術(shù)主要包含侵入式和非浸入式兩種方式。浸入式診斷技術(shù)最典型的應(yīng)用是靜電探針，該技術(shù)利用導(dǎo)電針尖測(cè)量等離子體的伏-安特性曲線，進(jìn)而推算出電子溫度、密度、能量分布、空間電位等參數(shù)，因其具有結(jié)構(gòu)簡單、測(cè)量范圍寬、空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，其測(cè)量結(jié)果長期扮演標(biāo)準(zhǔn)值的角色，在飛行和地面實(shí)驗(yàn)中廣泛應(yīng)用[44-45]。然而這類方法需浸入等離子體內(nèi)部，對(duì)探針的防熱和強(qiáng)度要求較高，不適合在長時(shí)間氣動(dòng)加熱環(huán)境下應(yīng)用。非浸入式診斷技術(shù)主要有微波診斷和光譜診斷。微波診斷法利用電磁波與等離子體相互作用時(shí)的幅度和相位變化來診斷近似均勻等離子體電子密度等參數(shù)，廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室理論研究中。但受發(fā)射天線波束寬度限制，該方法的空間分辨率不高。光學(xué)診斷法利用光的折射特性、輻射特性對(duì)等離子體參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，典型應(yīng)用有激光干涉診斷、光譜診斷等。這類診斷方法儀器設(shè)備復(fù)雜，目前只在地面實(shí)驗(yàn)中被采用，飛行實(shí)驗(yàn)中鮮有應(yīng)用[14]。

3.3 地面實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從20世紀(jì)90年代開始，國內(nèi)外研究人員借助各類等離子體產(chǎn)生裝置，針對(duì)通訊中斷問題開展了大量實(shí)驗(yàn)研究。馬平等[40]在粉末激波管中開展了X波段和Ka波段電磁波傳輸特性實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中，通過控制起始?jí)毫蜌怏w配分比，產(chǎn)生了電子數(shù)密度范圍為7.0×1010/cm3～9.8×1014/cm3等離子體。實(shí)驗(yàn)得到的電磁波透射率隨電子密度和碰撞頻率的變換規(guī)律與FDTD計(jì)算結(jié)果基本一致。謝楷等[46]利用輝光放電裝置研究了L頻段和S頻段電磁波在等離子體中的衰減特性。其中，等離子體厚度為18 cm，直徑30 cm，電子數(shù)密度最大達(dá)到2×1011/cm3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：L,S頻段電波持續(xù)產(chǎn)生了黑障現(xiàn)象(30 dB以上的衰減)。另外，等離子體薄層條件下的電波傳播特性與經(jīng)典理論基本相符，未觀測(cè)到明顯的薄層效應(yīng)。馬昊軍等[41]在感應(yīng)耦合等離子體風(fēng)洞上研究了電子數(shù)密度范圍為7.0×1010/cm3～1.0×1013/cm3、等離子體碰撞頻率在10 GHz量級(jí)的等離子體對(duì)2.6 GHz～40 GHz不同頻率電磁波傳輸特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著等離子體射流電子數(shù)密度的升高，發(fā)生明顯衰減現(xiàn)象的頻段增寬；另外，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)電子數(shù)密度大于1×1012/cm3時(shí)，薄層理論相比經(jīng)典理論與實(shí)測(cè)結(jié)果更加吻合。

需要指出的是，從臨近空間高超聲速飛行器黑障問題研究的需求來看，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)手段產(chǎn)生等離子體的空間和時(shí)間尺度不足，需要進(jìn)一步發(fā)展地面設(shè)備以產(chǎn)生長時(shí)間、體積足夠大(包覆飛行器表面)以及電子數(shù)密度足夠高的等離子體鞘套環(huán)境。另外，有必要發(fā)展能夠復(fù)現(xiàn)H=40 km～90 km,Ma=10～25飛行環(huán)境的超高速大型激波風(fēng)洞，以全面準(zhǔn)確地獲得飛行器等離子體流場分布特性，為建立準(zhǔn)確的等離子體鞘套信道模型提供支撐。

4 臨近空間高超聲速飛行器黑障消除技術(shù)

從20世紀(jì)60年代開始，人們就開始研究并提出了數(shù)十種黑障消除技術(shù)，從機(jī)理上可將其劃分為以下四類：一是改進(jìn)飛行器自身設(shè)計(jì)以降低流場中的電子密度，如氣動(dòng)成形法和彈道優(yōu)化等；二是通過外加設(shè)備減小天線附近的電子密度，如親電子物質(zhì)注入、磁窗法等；三是補(bǔ)償或抵消等離子體鞘套對(duì)通信鏈路的衰耗，如高功率法、高頻法、激光法等；四是采用“迂回戰(zhàn)術(shù)”繞過黑障問題，如中繼法、存儲(chǔ)法等。但由于黑障問題的復(fù)雜性，但目前為止還未獲得普適意義上的工程實(shí)用解。

4.1 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

與傳統(tǒng)鈍頭型航天器相比，臨近空間高超聲速飛行器在氣動(dòng)布局、彈道特征和防隔熱系統(tǒng)等方面存在較大差異，因此有必要對(duì)已有黑障消除技術(shù)進(jìn)行深入評(píng)估分析，為后續(xù)工程設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。本文從工程實(shí)用性角度，參考前人的評(píng)估方式[47]，結(jié)合臨近空間高超聲速飛行器的特點(diǎn)，根據(jù)以下十項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)目前已有的黑障消除技術(shù)進(jìn)行評(píng)估。

1)所需空間和重量：容積率對(duì)飛行器有效載荷裝填空間和升阻比影響較大；飛行器重量增加則影響分離點(diǎn)速度，造成射程能力損失。

2)熱環(huán)境適應(yīng)性：臨近空間高超聲速飛行器面臨嚴(yán)重的氣動(dòng)加熱問題，黑障消除裝置能否正常工作是需要重點(diǎn)考慮的因素。

3)功率需求：發(fā)射功率的增大會(huì)帶來重量、空間和成本的問題。

4)通信質(zhì)量：是否滿足測(cè)控區(qū)間數(shù)據(jù)捕獲以及傳輸速率的要求。

5)對(duì)現(xiàn)有通信基礎(chǔ)設(shè)施的改變：如果要求新建專用基礎(chǔ)設(shè)施，代價(jià)將巨大。

6)實(shí)驗(yàn)充分性：理論模型是否經(jīng)過地面和飛行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

7)是否解決GPS問題：能否確保GPS信號(hào)正常接收。

8)能否單獨(dú)解決問題：有的方法只能起到輔助作用，不能單獨(dú)解決問題。

9)近期工程可實(shí)現(xiàn)性：是否有近期可能實(shí)現(xiàn)的工程解。

10)遠(yuǎn)期前景：某些關(guān)鍵技術(shù)突破后，工程應(yīng)用前景較好。

4.2 評(píng)估結(jié)果和分析

本文采用層次分析法，綜合考慮飛行器設(shè)計(jì)、空氣動(dòng)力學(xué)、防熱材料、電磁場、通信、導(dǎo)航制導(dǎo)等專業(yè)的需求，對(duì)現(xiàn)有主要的黑障消除技術(shù)進(jìn)行了定性評(píng)估，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，燒蝕材料法、氣動(dòng)成形法、高功率法、低頻法、親電子液體注入和三波作用法由于重量、空間、防熱和功率等方面的原因，工程實(shí)現(xiàn)性較低；高頻法、中繼法和駐波檢測(cè)技術(shù)成熟，可滿足臨近空間高超聲速飛行器不同通信需求；磁窗法和激光法具有近期工程可實(shí)現(xiàn)性，而固體物質(zhì)噴射技術(shù)、天線匹配技術(shù)和太赫茲技術(shù)在將來具有較強(qiáng)的應(yīng)用潛力。下面對(duì)表1的結(jié)果進(jìn)行說明和討論。

4.2.1工程實(shí)現(xiàn)性較低的方法

在工程設(shè)計(jì)過程中，黑障消除技術(shù)受到諸多限制，如載荷重量、升阻比和防隔熱約束等，不能為了解決通信問題而影響主要任務(wù)的完成。

1)燒蝕材料法：在飛行器防熱材料中增加一定的金屬氧化物，當(dāng)防熱材料燒蝕時(shí)，金屬氧化物進(jìn)入等離子體中與部分電子進(jìn)行中和從而達(dá)到降低電子密度的效果[48]。該技術(shù)的主要缺點(diǎn)是難以對(duì)防熱材料燒蝕速率進(jìn)行精確控制，工程實(shí)現(xiàn)難度很大。

2)氣動(dòng)成形法：采用尖銳的氣動(dòng)外形或逆向噴流技術(shù)可以有效降低激波強(qiáng)度，減小等離子體鞘套厚度[49]。但尖銳的頭部使飛行器容積率降低，影響有效載荷裝填空間，并帶來嚴(yán)重的氣動(dòng)加熱效應(yīng)，防熱設(shè)計(jì)難度極大；另外，噴流技術(shù)只在高空低動(dòng)壓條件下具有較好效果，所以氣動(dòng)成形法只能作為一種輔助手段與其它技術(shù)配合使用。

表1 黑障消除方法定性比較Table 1 Qualitative comparison of approaches for mitigating communications blackout

注：表中“1”為較差，“2”為中等，“3”為較好。

3)高功率法：增大發(fā)射功率可增加發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度。但考慮器件的擊穿電壓，發(fā)射功率不能無限制增大；另外，在目前的通信頻段，功率提高無法彌補(bǔ)等離子體鞘套帶來的衰減，同時(shí)功耗和重量的增加均是總體設(shè)計(jì)不能承受的負(fù)擔(dān)[47,50]。

4)低頻法：當(dāng)電磁波頻率遠(yuǎn)低于等離子體頻率時(shí)，等離子體衰減系數(shù)明顯降低，因此采用低頻率進(jìn)行無線信號(hào)傳輸理論上是可行的[51]。但該方法無法得到較高的碼速率，而且天線口徑較大，無法適應(yīng)臨近空間高超聲速飛行器有限空間約束。

5)親電子液體注入：在等離子體鞘套中注入親電子液體，促進(jìn)電子與離子重新組合，降低電子密度，將有效改善黑障問題[5]。但臨近空間高超聲速飛行器黑障持續(xù)時(shí)間可能達(dá)數(shù)十分鐘。液體注入帶來大量的設(shè)備和液體重量，并增加系統(tǒng)復(fù)雜度，給總體設(shè)計(jì)帶來極大的難度。

6)三波作用法：理論研究表明，基于等離子體的固有特性，在熱等離子體條件下，利用作為激勵(lì)源的強(qiáng)電磁波、通信電磁波信號(hào)和等離子體振蕩波三種波之間的相互作用，可產(chǎn)生另一頻率的斯托克斯波穿過等離子體[52]。該方法的優(yōu)點(diǎn)是能有效解決衛(wèi)星導(dǎo)航問題，但存在高功耗和高復(fù)雜度問題，同時(shí)大幅增加設(shè)備重量。

4.2.2目前工程實(shí)用方法

工程實(shí)用的黑障消除方法是指經(jīng)過飛行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，或成熟度較高可以推廣到工程應(yīng)用的方法，本小節(jié)介紹高頻法、中繼法和駐波檢測(cè)技術(shù)。

1)高頻法

等離子體鞘套中的電波傳播特性表現(xiàn)出高通特性，采用高于等離子體頻率的波段通信是克服黑障效應(yīng)的有效措施[53]。目前Ku，Ka波段無線通信系統(tǒng)已經(jīng)在型號(hào)研制中得到應(yīng)用。2005年ESA充氣再入和降落技術(shù)驗(yàn)證器使用了Ka頻段，整個(gè)返回過程無線電信號(hào)只中斷了幾秒鐘[54]。對(duì)于細(xì)長體氣動(dòng)外形，其等離子體頻率低于鈍頭型航天器，因此，采用高頻法更容易消除臨近空間高超聲速飛行器黑障現(xiàn)象。此外，采用相控陣體制提高天線增益，并選擇低損耗頻率窗口，可以有效減輕大氣及云雨對(duì)電磁波的損耗。

2)中繼法

中繼法不試圖直接減弱或消除等離子體鞘套的難題，而是利用等離子體鞘套空間分布不均勻的特點(diǎn)，將電磁波從鞘套較弱的方向傳遞至中繼站或中繼衛(wèi)星，再傳輸至地面，避開直接對(duì)地面?zhèn)鬏攷淼木薮笏p。美國航天飛機(jī)重返大氣層時(shí)，使用中繼衛(wèi)星通信系統(tǒng)，有效克服了黑障問題。此外，ESA飛行實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明，受等離子體鞘套影響，GPS和遙測(cè)鏈路出現(xiàn)了不同程度的通信中斷現(xiàn)象，而S頻段中繼鏈路沒有產(chǎn)生通信中斷[9]。

臨近空間高超聲速飛行器一般以10°左右攻角飛行，其背風(fēng)面電子密度較低，如果在飛行器背風(fēng)面安裝S頻段天線，在我國中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的配合下，可以在一定程度上解決通信中斷問題，但是鏈路損耗較大。目前有效的方式是結(jié)合高頻法(Ka波段)和中繼法的優(yōu)勢(shì)，保障全程高速數(shù)據(jù)通信。需指出的是，臨近空間高超聲速飛行器可能存在大范圍的橫向機(jī)動(dòng)，采用Ka頻段中繼時(shí)，需采用相控陣體制，保證波束鎖定中繼衛(wèi)星。

3)駐波檢測(cè)技術(shù)

近年來，謝楷等[55]提出了駐波檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)通過檢測(cè)天線駐波比的變化，感知等離子體鞘套產(chǎn)生并反演電子密度，遙測(cè)系統(tǒng)利用檢測(cè)信號(hào)可在黑障區(qū)自適應(yīng)調(diào)整傳輸速率，達(dá)到確保關(guān)鍵遙測(cè)數(shù)據(jù)得以順利傳輸?shù)哪康?。該技術(shù)雖然犧牲了通信速率，但給出了一種主動(dòng)感知電波傳播特性，控制數(shù)據(jù)傳輸速率的黑障規(guī)避措施，且可以與現(xiàn)有遙測(cè)系統(tǒng)兼容。更重要的是以天線作為等離子體診斷設(shè)備解決了靜電探針這類浸入式診斷方法在飛行器上應(yīng)用時(shí)的熱環(huán)境適應(yīng)性問題，為飛行器等離子體鞘套特性感知提供了新手段，在工程上具有良好的應(yīng)用前景。

4.2.3近期可能實(shí)現(xiàn)的工程實(shí)用方法

磁窗法和激光通信技術(shù)雖然目前在工程應(yīng)用上存在一定難度，但其關(guān)鍵技術(shù)有望在5～10年取得突破，具有較好的近期工程應(yīng)用前景。

1)磁窗法

通過外加磁場人為的調(diào)整飛行器表面電子分布，使自由電子在洛倫茲力的作用下作螺旋運(yùn)動(dòng)，改變電磁波在等離子體鞘套內(nèi)的傳播特性，使低于等離子體頻率的右旋電磁波穿過等離子體鞘套，這種方法已在RAM飛行實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。采用永磁體形成磁窗，可以簡單易行地構(gòu)建一個(gè)被動(dòng)黑障消除裝置，有研究者將永磁體與天線進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)[56-58]，在解決防熱問題的同時(shí)實(shí)現(xiàn)GPS頻段電波損耗降低。該方法的主要問題是需要產(chǎn)生較大的磁場強(qiáng)度(約1 T上下)，重量開銷較大，但未來可通過磁介質(zhì)材料減重進(jìn)一步增強(qiáng)磁窗法的工程實(shí)用性。

近年來，利用磁窗和靜電收集的消除系統(tǒng)(正交磁場法)在地面實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬中得到了廣泛驗(yàn)證[59-60]。該方法通過外加正交電場和磁場，使電子和離子發(fā)生霍爾漂移效應(yīng)，同時(shí)利用外加電場的充電效應(yīng)加速電子和離子復(fù)合，使陰極區(qū)域電子密度降低，以達(dá)到在較低磁場強(qiáng)度條件下降低傳播損耗的目的。2013年，Stenzel等[61]提出了利用脈沖電流產(chǎn)生時(shí)變磁場的正交磁場法，進(jìn)一步降低了對(duì)磁場強(qiáng)度的需求。相比傳統(tǒng)的磁窗法，這類方法對(duì)磁場強(qiáng)度的需求較小(幾千高斯量級(jí))，具有較好的工程實(shí)用前景。

2)激光通信技術(shù)

激光在等離子體鞘套中可以低損耗的傳播，被認(rèn)為是解決黑障問題的有效手段[57,62]。但未來須在以下幾方面進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)：(1)高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的對(duì)準(zhǔn)技術(shù)尚需解決；(2)高超聲速飛行條件下的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)對(duì)收發(fā)性能的影響尚需解決；(3)受大氣湍流等大氣效應(yīng)的影響，激光鏈路的建立和通信仍存在困難。雖然飛行器激光通信技術(shù)應(yīng)用還面臨諸多困難，但依舊是未來解決黑障問題的重要手段。

4.2.4未來具有工程應(yīng)用潛力的方法

近年來，隨著美國登陸火星計(jì)劃的提出以及臨近空間高超聲速飛行器的深入研究，諸多學(xué)者進(jìn)行了黑障消除新技術(shù)的探索和實(shí)驗(yàn)，為未來工程上解決黑障現(xiàn)象提供了新的途徑和方法。其中固體物質(zhì)噴射技術(shù)、天線匹配技術(shù)和太赫茲技術(shù)具有較好的遠(yuǎn)期工程應(yīng)用前景。

1)固體物質(zhì)噴射技術(shù)

近年來，Gillman等[63]研究了采用固體親電物質(zhì)消除黑障效應(yīng)的方法，通過陰極斑點(diǎn)弧噴射金屬氧化物來吸附電子，降低電子密度從而緩解黑障效應(yīng)。采用固體物質(zhì)噴射技術(shù)相比傳統(tǒng)的親電液體注入方式有效降低了附加設(shè)備重量，同時(shí)，這種方式可以利用外加磁場對(duì)固體粉末拋撒進(jìn)行有效控制，在未來具有較好的應(yīng)用前景。目前這種消除技術(shù)還處在實(shí)驗(yàn)室階段，需要在飛行器上開展應(yīng)用研究。

2)天線匹配技術(shù)

相關(guān)研究表明，在天線與等離子體層之間增加一層特殊材料可以實(shí)現(xiàn)天線與等離子體鞘套的阻抗匹配，可在特定頻點(diǎn)產(chǎn)生傳輸增益，從而實(shí)現(xiàn)黑障現(xiàn)象的消除[64]。該類方法為無源技術(shù)，不增加飛行器重量和空間負(fù)擔(dān)、無額外功耗。但現(xiàn)階段該方法的發(fā)展受限于材料本身的特性、介電常數(shù)調(diào)控技術(shù)以及匹配層會(huì)引入相位誤差的補(bǔ)償技術(shù)。

3)太赫茲技術(shù)

太赫茲頻段介于毫米波與光頻之間，具有強(qiáng)穿透性、高帶寬、高速率等優(yōu)勢(shì)，是近年來通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[65-66]，也是未來解決黑障問題的可能手段。然而目前太赫茲技術(shù)的實(shí)用還需要解決器件發(fā)射功率的瓶頸，并建立太赫茲在等離子體鞘套中的信道模型。

5 結(jié) 論

黑障問題經(jīng)過50余年的研究，已經(jīng)形成大量研究成果。目前，黑障現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)理逐漸被揭示，相關(guān)數(shù)值模擬方法趨于成熟并得到廣泛應(yīng)用，等離子體實(shí)驗(yàn)覆蓋能力逐漸提升，黑障消除技術(shù)逐步走向工程實(shí)用。但目前對(duì)于臨近空間環(huán)境下等離子體鞘套特性和電波傳播規(guī)律的認(rèn)知仍存在明顯不足。臨近空間高超聲速飛行器黑障問題機(jī)理復(fù)雜且涉及多學(xué)科耦合優(yōu)化，加之飛行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匱乏，使得徹底解決該問題任重而道遠(yuǎn)。在后續(xù)黑障問題研究中，有如下幾點(diǎn)建議：

1)進(jìn)一步發(fā)展考慮熱化學(xué)非平衡流動(dòng)、防熱材料燒蝕和跨流域的多物理場耦合數(shù)值模擬方法和相應(yīng)的軟件工具，以全面準(zhǔn)確地獲得真實(shí)飛行環(huán)境下的等離子體流場分布特性和特征參數(shù)。

2)加強(qiáng)臨近空間高超聲速飛行器機(jī)動(dòng)飛行過程中等離子體鞘套參數(shù)動(dòng)態(tài)特性及其電波傳播特性的研究。發(fā)展高精度非定常等離子體流場數(shù)值模擬方法，創(chuàng)新相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法和測(cè)試手段，建立有效的動(dòng)態(tài)等離子體信道模型。

3)關(guān)注等離子體鞘套相關(guān)參數(shù)診斷技術(shù)，加強(qiáng)測(cè)量裝置在飛行條件下的力/熱環(huán)境適應(yīng)性分析研究。充分利用各種飛行實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，搭載直接測(cè)量或非浸入式測(cè)量設(shè)備，不斷積累飛行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證各種計(jì)算模型、仿真代碼及實(shí)驗(yàn)室場景。

4)黑障消除技術(shù)應(yīng)朝著更加工程化和實(shí)用化的方向發(fā)展，并形成一套行之有效的設(shè)計(jì)規(guī)范和實(shí)現(xiàn)流程，為高超聲速飛行器不同使用模式下的導(dǎo)航、通信、測(cè)控、探測(cè)等無線系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)提供多種實(shí)現(xiàn)手段和方法。