官宣载人飞船黑障区跟踪突破! 网传称黑障通信突破,究竟是真的吗?

一个字多事更大的新闻出现了，6月4日，我国神舟十五号飞船雷霆返回，带着三名航天员成功着陆，但大家的看点却不在此，因为新华网发布了一个让大家有点懵圈的新闻：我国现已具备黑障区稳定跟踪飞船能力，这个不是一直在跟踪吗？为什么现在才突破？

光学与红外都能跟踪：为什么还要弄个雷达跟踪？

与以往的八股文不一样，这次新华网发表的文章长篇大段的介绍了这次“黑障区稳定跟踪”的技术，洋洋洒洒1000多字，把这个事情大致给说明白了：

飞船返回地球时由于极高超音速的激波加热，造成表面极高的温度，这也是飞船返回时拖着一条长长的尾巴的原因，这条尾巴就是飞船烧蚀材料以及大气原子被电离后的“离子尾”，这层导电的物质会反射、吸收、折射电磁波，甚至偏折、延时、相移等效应，直至中断电磁波通信。

此时的雷达跟踪也会变得非常困难，甚至无法跟踪，能否在此期间稳定跟踪飞船，不论是对出黑障后的飞船测控引导，还是及时预报飞船落点都极为重要。酒泉卫星发射中心敦煌测控区确定了“优化黑障区雷达跟踪方案托底，完善多云天气下光学跟踪策略求精”的总体思路，在雷达和光学两个方面形成合力，圆满完成了飞船在黑障区的跟踪测量任务。

光学可以跟踪了，为什么还要弄个雷达跟踪？

飞船返回的黑障阶段，基本和流星穿越大气层没多大区别，人的肉眼都能看到，因此在直播时经常能看到一台望远镜随着火箭起飞与飞船返回跟踪随动，并且会提供红外或者光学跟踪图像，那么问题来了，既然能用光电跟踪设备，为什么还要用雷达跟踪，这不是多此一举吗？

其实还真不是多此一举，因为光电跟踪设备还是具有比较大的局限性，一个是光电跟踪设备对天气有比较高的要求，天气好可以使用，要是遭遇阴天或者多云就白瞎了，红外光电跟踪再强也不能透过云层跟踪。

另一个则是光电跟踪设备只能方位角，无法给出精确的距离数据，跟踪没问题，在火箭起飞阶段这个要求也不高，只需要跟踪设备提供姿态信息辅助即可，因为此时飞行中的火箭可以向外传输姿态与各种数据，并且地面雷达也可以随时给出跟踪数据。

但飞船返回阶段就不一样了，处在黑障中的飞船无法向外传输电磁波，此时飞船就像一个与世隔绝的空间，只能从外部观测到它飞到哪里了，而光电跟踪只能给出方位，无法给出距离，要是没有连续三坐标给出的轨迹也就无法预测落点，这对要求持续追踪并给出准确落点信息预报的返回阶段来看，难以满足需求。

有朋友此时一定有一个想法，加个激光测距不就能知道距离了？这里有一个问题等离子鞘反射激光的效果是否能满足测距需求这是一个问题，但随后出现的问题可能更严重，因为无论是光电还是激光都无法在恶劣天气下使用，比如阴天，白天在环境光照射或者从太阳方向进入大气层时效果都不佳。

相比之下雷达的适应性相对更好，除了某些特殊情况，雷达都能胜任工作，但等离子鞘对会对电磁波产生反射作用外还会折射、吸收，引起无线信号强度衰减，并出现偏折、延时、相移等效应，让雷达难以稳定跟踪。

酒泉卫星发射中心敦煌测控区确定了“优化黑障区雷达跟踪方案托底，完善多云天气下光学跟踪策略求精”解决了跟踪这个难题，显然是下了一番苦功的，这对于准确预报落点意义相当大。

官宣载人飞船黑障区跟踪突破：与黑障通信有什么关系？

其实两者还真没啥关系，不过对等离子鞘的电磁波传播与反射等特性了解之后，确实有助于突破黑障通信，我国近些年来在这方面研究还是挺深入的，笔者在找到了部分关于黑障通信的研究，简单给大家介绍一下：

• 1、雷达和USB在黑障区对返回舱捕获跟踪分析研究
• 2、等离子体风洞中释放二氧化碳降低电子密度 - 物理学报
• 3、飞行器大气再入过程中黑障缓解方法综述
• 4、信号在时变等离子体中的传播特性
• 5、中继法解决临近空间Ka波段通信黑障问题研究
• 6、临近空间高速飞行器测控关键技术分析与总结_李彬

这些文章中除了第一篇是关于黑障区如何用雷达持续追踪的论文外，其他都是讨论如何突破黑障完成通信的内容，其中最关键的讨论焦点就是如何降低造成黑障的等离子鞘浓度，那个实现方法真是八仙过海：

• 一是改进飞行器自身设计以降低流场中的电子密度，比如气动成形法和弹道优化等
• 二是通过外加设备减小天线附近的电子密度，比如亲电子物质注入以及磁窗法等；
• 三是补偿或抵消等离子体鞘套对通信链路的衰耗，比如高功率法穿透或者高频穿透以及使用激光通信等
• 四是采用迂回战术，直接绕过黑障问题比如中继方式等；

第一个飞行器气动外形设计对高超音速流场中的电子密度影响很大，像飞船一类航天器返回时电子密度很高，而尖头气动外形则影响相对比较小，这个导弹的弹头外形具有天然优势，而返回的飞船则很难改善。

第二个方法是使用亲电子的媒介在飞行器前端注入，这些物质会降低电子浓度，从而减少等离子体对电磁波的影响，而磁窗法则是通过磁场将等离子体引导到一旁，开启一个通信窗口。

第三个是暴力穿透型，即以极高功率穿透，这个方法对于飞行器内部穿透比较容易一些，外部穿透难度就比较高了，属于单相型通信，意义也不大；激光通信比较靠谱一些，使用容易穿透离子体鞘的激光波段，但也存在和电磁波高功率穿透类似的问题。

第四个方式是中继方式完成通信，优点是现有设备即可解决，缺点是航天器返回时尾部一定角度内必须要有卫星能完成中继通信。

就目前而言，最接近工程实现的是亲电子媒介以及磁窗法，前者这个方法在《临近空间高速飞行器测控关键技术分析与总结》这篇论文中有很详细的叙述，将亲电子液体注入等离子鞘，减少等离子体密度，并且将天线置于等离子体最薄弱的尾部完成通信，据论文中给出的数据，目前进展相当不错。

而另一个则是磁窗法，这个在飞行器内部的天线位置布置一个强磁场，让流经该处带电等离子体被强磁场偏转，让电磁波可以通过此处完成通信，优点是可以按需布置，缺点是需要发生强磁的设备与电源，但工程实现可能性比较大。

这些方法与这次央视与新华网公布的黑障阶段的追踪都没有关系，不过无论如何，我国在这方面的研究却是越来越深入，对于航天器测控通信，弹道导弹的再入制导等都具有十分重要的意义，所以各位可以关注下，有兴趣的朋友可以按上述论文名称去搜下原文，详细了解下我国研究的进展。