字多事更大！官宣我国载人飞船黑障区跟踪突破：究竟有什么用处？

新华网6月4日报道，神舟十五号载人飞船返回舱于6月4日6时33分成功着陆东风着陆场，科研人员对其在穿越黑障区时的稳定跟踪，表明我国在载人飞船返回穿越黑障区跟踪测量难题上取得重大突破。

黑障区稳定跟踪：到底是什么技术？

笔者看到的第一个反应就是难道黑障区的通信的难题解决了吗？并且社交媒体上很多大佬都在往这方面引导，比如某社交媒体巨佬就评论点赞加转发，其转发文本是这样写的：

黑障从此不再黑！！！

这位大佬本来就是科学与科普的博主，这社交媒体上有几十万粉丝，这篇博文一发就直接引爆了评论区，粉丝纷纷留言推波助澜，笔者“精选”了几条，看看大家是怎么理解的：

留言1：核弹头再入段控制技术
留言2：已实现黑障区全过程无死角跟踪通信，全球领先
留言3：疑似是高超音的计算下放了

看着博主的说法和粉丝的留言，各位是不是会认为黑障区的通信问题已经解决了？笔者仔细研究了下新华网发表的报道描述，发现这个方式和大家理解的大相径庭，因为更详细的文本是这样写的：

飞船穿越黑障区时，只能依靠雷达和光学设备进行跟踪测量，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任务区间涵盖了飞船返回进出黑障区的全过程，是实现飞船在黑障区稳定跟踪的核心力量。
据敦煌测控区指挥长曾强介绍，在神舟十五号载人飞船返回时，他们确定了“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。

大意说的是返回飞船在黑障区时由于等离子体包裹船体，这层等离子体是一层带电粒子、会吸收电磁波的等离子鞘，这是航天器在极高超音速下的激波导致的高温形成的，等离子鞘反射、吸收，引起无线信号强度衰减，并出现偏折、延时、相移等效应，降低飞行器测控通信性能，导致作用距离缩短，误码率增大及信噪比下降等。情况严重时电磁波传输完全中断。

飞船上的电磁波无法向外传输，外界的也无法向内传输，就像一个“黑洞”一样把电磁波给吸收了，黑障就由此得名。

而目前测测控技术已经达到了能跟踪黑障区的技术，优化黑障区雷达跟踪方案，完善多云天气下光学跟踪策略求精，简单地说就是黑障时由于高温，可以用红外与光学辅助跟踪，但在云雾遮蔽时雷达就成了唯一的方法。

并且飞船穿越黑障时的轨迹非常关键，因为在黑障消失之后飞船的高度就已经在50~40千米左右了，很快就会着陆，因此黑障区精准跟踪可以提高着陆点预报的精度，能提供更快的搜救服务，所以这个意义还是非常大的。

神舟十五返回落点预报：版权为微博巨佬PhilLeafSpace所有

黑障是怎么产生的？

飞船从近地轨道上返回时会经历一个从7.8千米/秒的减速到零的过程，而完成这个减速过程就是地球的大气层，在这个过程中会产生极端的高温，对飞船的防热与通信等都提出了非常严格的要求！

不过别以为这大气层不好，要笔者说其实这个大气层挺好，要不然就得用燃料来减速，用多少燃料加速到7.8千米/秒，就得用多少燃料把它减速至0，要是地球没有大气层，那么返回时燃料携带就海了去，人类载人航天事业估计就没那么容易完成了。

飞船返回时是在300多千米高度开始的，先进行减速，再抛掉轨道舱，此时飞船就会进入所谓的再入走廊，由于速度下降，高度会随着轨迹的延伸递减，在145千米高度抛掉推进舱，在100~90千米时再入大气层。

黑障就是从此时开始的，飞船在进入大气层时速度仍然是超过7千米/秒，此时正确的姿态应该是飞船大底朝前略微有一些迎角，大约在90~80千米高度时其稀薄的大气层就会对飞船产生一个极高超音速的激波，激波压缩空气会导致产生的温度，沿着激波方向掠过飞船表面，这就是“空气摩擦产生高温”说法的来历。

这个激波导致的高温会将空气分子电离，同时也让防热大底的材料烧蚀并电离，这些电离的原子与游离电子会沿着激波高速流过飞船表面后飞向后方，呈现一个圆锥状包裹飞船，头部最为密集，尾部最稀疏，从90~80千米的高度开始，这些等离子体的密度就会导致通讯断断续续直至完全中断，要到50~40千米高度时由于空气密度增加、速度下降等原因，电离条件渐渐不足，这就是出黑障了。

之后就是“自由落体”、到大约10千米高度开引导伞、减速伞和主伞，之后在4千米高度抛掉防热大底，最后在距离地表1~2米时在伽马射线高度计的控制下开启反推火箭实现软着陆。

既然电磁波都无法穿透：那么又是如何跟踪的呢？

有网友形容等离子体像一个法拉第笼，但事实上又不完全是，因为这是一层导电的等离子体，并且这层等离子体是变化的，有一定的“厚度”，会产生非常奇妙的性质，会对电磁波产生吸收衰减、折射、反射、散射等非常有趣的效应，因此摸清楚这层物质的性质，就能利用它进行跟踪了。

早在2006年时西安卫星测控中心的几位工程师就在《测控与通信》上发表过一篇标题为《雷达和USB在黑障区对返回舱捕获跟踪分析研究》的论文，详细分析了黑障区对反射和应答式的跟踪影响，并研究返回舱在出黑障时目标信号的衰减与返回舱在黑障区高度与速度之间的关系，发现主要影响的是等离子体的浓度，从100千米到40千米处变化如下：

这个科研团队计算出了不同电子浓度下的信号特征，针对这个因为等离子体包裹的飞船变化RCS制定了针对性的跟踪程序，设置更宽容的捕获信号范围，并在扫描的波束宽度与方位以及俯仰角等都做了进一步的优化，另外这项研究将跟踪分成了三段：

• 1、大于90千米高度：雷达跟踪返回舱本体信号；
• 2、90~50千米高度：雷达跟踪的是等离子鞘的反射信号；
• 3、低于50千米高度：雷达继续跟踪返回舱本体信号；

经过一系列的针对性方案处理后，当时这个方法就可以在目标出地平线后即可被跟踪，当天线迎角大于4°时系统即可转位自动跟踪，在测试的三次任务中这个方法都获得了成功，并且在出黑障后，从等离子鞘信号转为本体信号的追踪时间从此前的39秒缩短为11秒。

简单地说就是我国在黑障阶段的雷达跟踪技术早已获得了突破，不知道目前为何再次放出这个“重大突破”的消息，社交媒体上多位航天大佬也指出了这一点，那么一个2006年就已经突破了消息，为何在2023年还会再次“重大突破”一次呢？官媒肯定不会那么矫情，一定有啥事情捂着没说吧！

另一个猜测：突破黑障区通信了吗？

社交媒体上被误导的网友们猜测的“突破黑障区”通信也不是不可能，因为从黑障区形成的原理突破黑障完成通信还是存在可能的，比如在2022年8月30日，《南华早报》就以“中国团队声称在高超音速飞行中“高度可靠”的通信”为标题报道了中国在高超音速造成的“等离子体放电”中实现了稳定通信，取得了高超音速通信的突破。

《南华》引用的是中国运载火箭技术研究院和空间物理重点实验室合作发表的论文《临近空间高速飞行器测控关键技术分析与总结》，首席科学家李彬在论文中表示，该技术可以让地面控制人员在高超音速飞行器以超过20倍的音速在高空飞行时与它保持持续联系。

这是什么概念？大约6千米/秒，此时已经处在了黑障状态下，那么是什么技术能让黑障中的航天器保持和地面联系呢？

阻断通信的是一层极薄的带电粒子形成的等离子鞘，保障通信的关键就是降低这层等离子鞘的“浓度”，让黑障对通信的影响降到最低，为此李彬的科研团队提出了多种方式降低等离子体浓度，可以让通信的电磁波通过，目前有如下几种降低等离子体浓度的方法：

• 1、飞行器气动外形从钝头改为尖头（高超飞行器已经这样操作，返回飞船无法改变）；
• 2、用目前的烧蚀端头改为“发汗”冷却端头，降低温度并且还能释放亲电子物质；
• 3、降低防烧蚀材料中的碱金属浓度，这种材料在高温下容易电离；
• 4、天线位置布置在飞行器后部，此处等离子体浓度最低；

李彬的团队使用了这几种方式改善通信，比较关键的是第2种，这种亲电子的液体在尖端蒸发后可以捕获电子降低等离子体浓度，再由布置在飞行器尾部的Ka波段的通信天线的电磁波可以穿透等离子鞘建立通信。

李彬的团队同时表示，这个通信系统需要地面站、卫星和海上船只组成的高频通信网一起来解决这个问题，目前中国已经建立了这种覆盖全球的通信网络。另外使用Ka波段的通信方式以及上述的黑障通信方法，可以在0.8秒内建立起通信，这个技术实在太厉害了，妥妥的黑障通信技术。

李彬的研究团队在论文中还详述了完成这个通信的卫星以及地面系统天线等多个要求，本文没必要如此深入笔者就不过多论述了，但就算是上文几个描述，各位应该也知道了我们不仅突破了技术，而且还完成了验证，目前全球卫星通信网已经可以支撑这种操作，各位知道这个可以用来干啥呢？

答案是很明显的，完全可以给高超音速武器测控引导，这是非常有可能的，比如射程2500千米的DF-17最大速度可达4.5千米/秒，射程达到了5000千米的DF-27最高速度可达6.4千米/秒，前者速度达到了14马赫左右，后者已经到了19马赫，两者在再入大气层初段速度很高，此时需要用这种黑障通信的技术来保持通信。

DF-17在进入大气层滑翔后，随着距离的增加，速度会逐渐降低，弹体内部的雷达和其他传感器可以接任这项工作，最有可能的是主动雷达制导，在搜索到敌方的航母或者巡洋舰等目标后直接锁定攻击。

另一个需要引导的则是DF-21D和DF-26这种打击航母的弹道导弹，前文所述的DF-17和DF-27这种高超音速滑翔武器还可能采用惯性制导+主动雷达来完成打击，但DF-21D和DF-26的弹头就比较需要这种通信方式来完成打击了。

《南华早报》的描述挺有趣的，中国已经完成了高超音速通信网络的建设，可以对地球上任何地方的目标进行情报收集或精确打击，并且还将允许指挥官随时按下“终止按钮”来终止任务。

另外笔者在搜索黑障通信时找到了国内不下10篇论文，都是研究各种状态下突破高超音速形成的等离子体通信的技术，最新的就是李彬团队的文章，早期的可以追溯至2016年，看来已经是全面开花了。