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有望缓解航天通信黑障问题

  当飞船重返地球大气层时,电磁波信号会被屏蔽,飞行器与外部联系被切断,这就是所谓的“黑障”现象。西安电子科技大学空间科学与技术学院李小平教授带领的研究团队,日前提出一种与重返大气层的飞船保持连续通信的新方法,并且在地面原理性实验中得到验证。这一通信方式有望缓解通信“黑障”问题,而且也可被用在超音速飞行器上。探讨这一新方法的研究论文《利用驻波检测和自适应码率穿透等离子鞘套的再入通信方法》已经发表在美国物理联合会出版的《应用物理学杂志》2016年第1期上。

  “飞船重返地球大气层时,因剧烈的摩擦被数千摄氏度高温气体所环绕,这样的高温足以使空气电离而变得具有导电性,这层包裹于飞船表面的电离气体被称作‘等离子鞘’,就像一个密封的金属罐一样,绝大多数的情况下都会屏蔽电磁波信号,切断飞行器与外部的联系,这就是‘黑障’现象。”中国科学院院士包为民解释说:“飞船发出的讯号始终无法到达地面控制中心,地面也就无法得知或者控制飞船的位置和状态。在‘黑障’阶段,每一秒钟都是煎熬,航天员唯一能做的就是等待。”

  实际上,包括美国的航天飞机、俄罗斯联盟号飞船在内的所有返回式航天器,从外太空重返大气层的航程一直是风险最大的阶段。许多重大的航天事故,比如阿波罗13号飞船故障、联盟11号飞船泄漏、哥伦比亚号航天飞机解体,都发生在再入大气层的阶段,而再入阶段与地面的通信失联,更是加剧了风险的不可控性。

  据了解,从上世纪70年代起,许多科学家和工程师曾提出过数十种不同的方法设想,但大多受限于实际飞行器载荷重量、尺寸、电力负荷等工程限制而未能实现,“黑障”至今仍是航天领域的未解难题之一。

  “严格地讲,等离子屏蔽效应引起的‘黑障’现象并不是信号的彻底中断,而是信道容量小于通信系统的信息量的结果。”西电科大谢楷副教授介绍说:“让飞船的通信系统来自动适应等离子鞘套信道的变化,是我们团队提出的缓解‘黑障’的一种新思路。”

  不同于以往的思路,诸如通过施加强磁场约束等离子层中的电子,或者向等离子层中喷入降温液以减少电子密度等物理方法,西电科大研究团队提出了利用驻波检测和自适应码率穿透等离子鞘套的再入通信方法。在研究论文对驻波负相关特性的物理机理和数学原理进行了阐述,设计了完整的自适应通信系统并进行了原理性实验验证。

  实验结果表明:通信系统对等离子密度的耐受极限至少提高了一个数量级。换句话说,即使等离子体密度达到“黑障”临界值10倍以上,仍能在维持最低信息速率的条件下保持连续通信。研究团队提出的新方法不依赖于对等离子层的物理干预,也不需要携带对等离子层的探测设备,因此完全无需增加任何特殊载荷。

  据悉,近年来,李小平教授带领的研究团队一直致力于解决等离子鞘套下测控通信领域的基础理论与关键技术问题,获得了国家重点基础研究计划项目支持。此前,研究团队还提出了可用于地面模拟等离子鞘套的新型等离子源,成功进行了地面“黑障”的连续再现,发现了等离子体鞘套环境下一系列特殊的电磁物理效应,并给出了等离子鞘套信道的框架及信道容量估计方法。这些前期的基础研究工作为取得阶段性的突破奠定了基础。

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