在國家973計劃的支持下，西安電子科技大學聯合相關單位，開展了對臨近空間高速飛行器「黑障」問題的研究攻關。

2003年10月16日5時35分，北京航天指揮控制中心成功向正在太空運行的「神舟」五號載人飛船發送返回指令，我國首次載人航天任務進入了返回階段。6時04分，「神舟」五號飛船載著航天員楊利偉再入大氣層，飛船處於「黑障」階段， 6時07分，搜救直升機收到飛船返回艙發出的無線電信號，飛船衝出「黑障」區。中國第一位宇航員楊利偉在自傳《天地九重》一書中，回憶了歸途中載人飛船重返大氣層時所經歷的驚心動魄一幕：遭遇強烈的過載和振動、看見燒得通紅的舷窗、不斷剝落的碎片。飛船發出的信號始終無法到達地面控制中心，地面無法得知或者控制飛船的位置和狀態。在「黑障」階段，每一秒鐘都是煎熬，唯一能做的就是等待。

「黑障」一般出現在臨近空間（距地面20到100公里的空域），當飛行器以高超聲速飛行時，對大氣產生劇烈壓縮與摩擦，將飛行器的動能轉換為熱能，高溫使氣體分子被激發電離，形成一個包覆于飛行器表面的等離子體，稱為等離子鞘套（見圖1）。等離子鞘套是一種特殊的複雜電磁環境，嚴重時導致飛行器測控、導航和通信長時間中斷，即「黑障」。「黑障」現象會出現在臨近空間所有以高超聲速飛行的飛行器上，如美國的太空梭、俄羅斯聯盟號飛船、臨近空間高超聲速飛行器等。

臨近空間處於航空和航天結合部，是人類尚未完全認知和主宰的領域。臨近空間高超聲速飛行器具有飛行速度快、巡航時間長和全球快速到達等優點，是廉價可靠進出空間的重要手段，其巨大的科技、經濟價值及軍事應用潛力受到了各國的高度關注，以美國、俄羅斯為代表的科技強國都在比肩搶跑，爭奪戰略制高點。但是，「黑障」問題是繼「聲障」和「熱障」之後的又一世界性難題，嚴重製約臨近空間開發戰略的發展。

西安電子科技大學研究團隊在國家973計劃項目首席科學家呂躍廣院士的帶領下，面向國家發展重大需求，從導致「黑障」的源頭著手，探索等離子鞘套特性及其與電磁波的相互作用機理，研究等離子鞘套下信息傳輸的理論與方法，為構建臨近空間高速飛行器測控、導航和通信的信息支撐體系奠定理論基礎。

多學科交叉的前沿科學問題

為了實現等離子鞘套下可靠信息傳輸的目標，項目團隊以多學科交叉研究為創新之源，深入流體、等離子體、電磁等物理機理的基礎問題，沿著「認識信息傳輸新環境」「發現信息傳輸新規律」「提出信息傳輸新方法」的總體路線（見圖2），重點研究3方面科學問題。

圖2 總體研究框架

科學問題之一是認識等離子鞘套動態特性，提升對信息傳輸環境的認識。研究等離子鞘套隨飛行器姿態、流場湍流、壓力脈動和燒蝕等多種緊耦合隨機因素的變化規律，揭示高速流體中等離子鞘套動態性的形成機理和演化過程；探索等離子鞘套動態特性的建模和數值求解方法，解決多物理化學過程耦合的時-空多尺度數值計算問題，提升對等離子鞘套環境和分佈的物理認識。主要由浙江大學、中國空氣動力研究與發展中心聯合開展研究。

科學問題之二是探索電磁波與動態等離子鞘套的相互作用機理及其複雜介質特性，提升對電磁波傳播規律的認識。建立動態等離子鞘套模型、電磁波傳播與散射模型，揭示電磁波與動態等離子體非線性作用機理，研究色散、非線性、有耗的等離子鞘套複雜介質中電磁波傳播的時、頻、相位變化特性與散射特性，解決電波傳播和通道統計時間從載波（納秒）到通道特性（秒）之間的大時間跨度計算問題。探索等離子鞘套下電波傳播特性的干預機制和方法。主要由西安電子科技大學和哈爾濱工業大學聯合開展研究。

科學問題之三是探討動態等離子鞘套通道特性及適應動態等離子鞘套通道環境的信息傳輸理論與方法。等離子鞘套嚴重時，信號產生高達幾十分貝的衰減，信噪比極低，通道容量趨於零，特別是等離子鞘套強動態特性造成信號幅度、相位變化劇烈，使得傳統基於波形和能量的檢測處理方法失效。因此在低通道容量、高動態通道變化的情況下，研究動態等離子鞘套下的信號傳輸特性，建立動態等離子鞘套空時頻多域通道模型，提出動態等離子鞘套下的信息傳輸理論與方法，對解決「黑障」具有重要的理論意義與極高的應用價值。由清華大學、西安電子科技大學和北京臨近空間飛行器系統工程研究所聯合開展研究。

目標：通得了，通得好

傳統意義上對「黑障」機理的認識，是通信信號能量被阻擋導致的「通不了」；研究發現導致「黑障」的另一重要原因是：等離子鞘套中流場的隨機湍動，使通信信號在穿透等離子體繞流場時發生了附加調製效應，即使在信號強度足夠的條件下，也有可能因此而導致解碼失敗，即所謂的「通不好」，加劇了「黑障」現象。為實現可靠信息傳輸的目標，從兩條路線展開研究（見圖3）：

圖3 總體技術路線

「通不了」時通過物理干預尋找通信窗口，探索干預等離子鞘套傳播特性的機制，改變等離子體特性，降低等離子的導電能力，另外改善電波傳播特性，減少電波與電子的作用，從微觀機理尋求突破。利用干預手段，尋找通道窗口，實現從「通不了」向「可能通」的轉變。「通不好」時尋找通信新方法，探索空時頻多域協同理論，建立空時頻多域并行通道，提出自適應通信有效方法，通過多域協同充分利用通道資源和高維調製編碼實現可靠信息傳輸。

湧現一批原始創新成果

等離子鞘套信息傳輸環境認識從形成機理、計算方法和實驗觀測方面同時並進。針對等離子鞘套複雜流動特性，發展了跨流域、高精度和時空一致性的等離子繞流場求解方法，獲得了典型外形飛行器時間和空間尺度上較為精細的非定常流場數據和等離子鞘套動態數據（見圖4）。基於大渦模擬計算方法，發展了湍流、激波/邊界層干擾及波系相互干擾、流動分離等複雜流動的數值計算方法，建立求解相對應的等離子鞘套參數分佈動態模型。利用高解析度陰影成像、光譜測量、瞬態壓力與熱流測量、靜電探針測量等多種測試手段相互融合，對激波管縮比模型等離子鞘套特性進行了綜合動態觀測。通過小型化陣列靜電探針研發，在激波管設備上實現了等離子體電子溫度與電子密度分佈動態測量，實現了業界最高的診斷速度，高分辨觀測高速激波等離子體演化過程。

圖4 典型飛行器等離子鞘套的穩態及動態分佈

等離子體與電磁波相互作用機理研究從微觀機理到宏觀特性開展研究。提出帶限分形函數描述等離子體鞘套介電參數起伏特徵的方法，獲得燒蝕產物、剝離顆粒對電磁傳播和散射的影響規律，形成一套電波傳播計算方法以及電磁散射截面的快速求解方法，發展了動態等離子體鞘與電磁波相互作用系統理論。提出了基於時變磁場的等離子鞘套局部削弱方法，在「磁窗」結構的基礎上引入動態磁場、構造一種將等離子體向周圍排開的新型結構，其產生的磁場按照所設定的規律隨時間變化。提出了基於小反射理論和互補媒質的等離子鞘套增透方法，利用異向介質構造波阻抗變換匹配器，有效降低等離子體對電磁波產生的反射損耗，從而在一定程度上緩解「黑障」。

動態等離子鞘套通道研究沿動態參數、傳播特性到通道建模路線開展。提出了動態等離子鞘套動態物理參數描述方法和基於湍流結構函數得到電子密度抖動方差的方法，建立了一種廣義高斯函數的電子密度動態物理參數數學模型，經過統計和分析得到了等離子鞘套空時頻通道數學模型。提出了一種基於CAZAC周期循環的通道測量演算法，在地面實驗中得以驗證。

在傳統「通不了」的情況下，提出利用低頻電磁波近場效應穿透等離子體鞘套進行關鍵信息傳輸的新方法。考慮磁/電偶極子天線近場區的電場、磁場分量之間的比例與遠場波之間的差異，分別研究磁偶極子和電偶極子近場區的波阻抗特性，根據等離子內部帶電微觀粒子在磁場、電場下具有的不同運動模式，分別闡明了磁/電偶極子天線近場波與等離子作用的主要物理過程和機理，揭示了兩種近場波傳播特性與平面波之間差異的本質原因。對相關理論進行了驗證實驗（見圖5），實驗表明在等離子鞘套高電子密度狀態下，這時傳統遙測頻段已處於嚴重黑障狀態下，低頻波的磁場分量仍保持低衰減，有望提供最低限度的可靠通信保障。利用低頻波的磁場分量是解決再入「黑障」的一種可能途徑，目前西安電子科技大學正在牽頭論證再入飛行的實驗驗證方案。

在解決「通不好」問題上，獨闢蹊徑提出了物理測量和自適應通信的多種創新方法。針對等離子鞘套通道的強時變性和非平穩性的難題，提出通信系統收發聯合處理的設計思路，發端將物理測量與通信信號方法相結合，收端削除通道動態性的自適應處理技術（見圖6）。在發送端利用反射波與透射波的動態變化高度相關性反演通道動態信息，引入基帶相位補償和發射功率調整的自適應策略，減緩鞘套動態抖動對通信傳輸的影響，突破了收端反饋通道狀態的傳統方法局限。針對通道的高動態和非平穩性，提出了利用接收信號統計信息的自適應方法，以動態軟信息計算逼近通道容量。

圖6 等離子體鞘套測量與通信協同傳輸的原理和性能

提出利用駐波檢測和自適應碼率穿透等離子鞘套再入通信方法（見圖7），研究發現，在v/ωp<0.3條件下，天線駐波和等離子體電波衰減之間存在明顯的負相關特性，藉助兩者物理特性上的負關聯性，通過檢測發射天線埠處駐波變化來預知等離子鞘套引起的通道容量衰落，啟動自適應通信機制。實驗結果表明，通信系統對等離子密度的耐受極限至少提高了一個數量級，意味著即使等離子體密度達到黑障臨界值10倍以上，仍能在維持保持最低信息速率的條件下保持連續通信。上述自適應方法的引入，共同改善動態等離子鞘套下「通不好」的狀態。

圖7 自適應再入通信系統圖

綜上所述，西安電子科技大學聯合相關研究單位，開展了臨近空間高速飛行器等離子鞘套信息傳輸關鍵科學問題的研究，在等離子鞘套穩態和動態特性模型建立及數值求解方法、電磁波與動態等離子鞘套相互作用機理及電磁波傳播與散射模型與計算、等離子鞘套下電波傳播特性的干預機制和方法、動態等離子鞘套通道特性及空時頻多域通道模型、適應動態等離子鞘套通道環境的信息傳輸理論與方法方面取得了重大突破。研究成果對解決「黑障」問題具有重要的理論意義，並具有良好應用前景，為臨近空間高超聲速飛行器發展提供信息領域技術支撐，具有重大的經濟效益和社會效應。

專家簡介——李小平、劉彥明、謝楷：西安電子科技大學空間科學與技術學院教授、博導。

編輯：悅智網 小智