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人类飞行器运行共有三大障碍:音障,热障和黑障,其中音障和热障早在20世纪中叶就已经被突破,唯独剩下黑障,老美和欧洲苦苦研究80年都没有结果。
然而就在去年,我国成功实现了对神舟十五号载人飞船返回舱穿越黑障区的稳定跟踪,标志着我国在黑障这一困扰世界80年的难题上取得了重大突破。
那么究竟什么是黑障?黑障问题的成功解决,又意味着什么呢?
什么是黑障?黑障又叫黑障区,是发生在大气层的一种特有现象。
当卫星、航天飞船、洲际导弹等空间飞行器以极高的速度(7-12km/s)再入大气层返回地球时,会与地球上空35到80千米的大气层产生剧烈的摩擦并产生高达2000摄氏度的高温。
这个高温能将飞行器表面的烧蚀材料以及气体分子电离成等离子体,并在飞行器周围形成一层等离子鞘,它会与电磁波相互作用,导致用于通信的电磁波传输衰减或反射,使得飞行器在一定时间内与地面通信联络会严重失效,甚至完全中断,这就是黑障。
一般情况下黑障区会持续5分钟,随着飞行器高度的下降,在大气摩擦下其速度也会下降,等到摩擦产生的温度不足以使气体分子电离时,黑障就会消失。
黑障区有多危险?黑障对于飞行器的影响主要有两方面:高温和信号中断。
飞行器进入黑障区时的温度大概在2000摄氏度左右,如此的高温对于飞行器而言是个极大的考验,不仅飞行器外表要装涂耐高温烧蚀材料,内部的航天员也要身穿宇航服采取防热措施,稍有不慎就可能导致整个返回舱的解体。
如果说高温还可以靠飞行器表面的烧蚀材料抵御,那因高温产生的信号中断就真的是世纪难题了。
飞行器穿越黑障区的五分钟被称为黑色五分钟,飞行器和地面的一切通讯信号都会中断。此时地面指挥中心无法定位飞行器,无法与航天员取得联系,也无法了解飞行器内情况,更无法对飞行器进行远程控制,我们能做的只有等待飞行器顺利穿越黑障区,祈祷飞行器的自动调整功能不出意外。
自载人航天活动开展至今,已经有22名航天员牺牲,其中有11名航天员都牺牲在返回途中,飞行器在黑障区遇险的状况更是时有发生,为此各国科学家已经苦苦研究了80年。
如何突破黑障?从20世纪五十年代开始,人们就开始研究黑障极其消除方法了,目前可行的思路大概有三种,但都处于未来可期的状态。
神舟十三号突破黑障区
第一种思路是改变飞行器的外形设计,并且在其表面装涂一些特殊材料,来消除或减弱飞行器表面的等离子鞘,以减缓黑障带来的影响。第二种思路是增强并改装飞行器的通信设备,将其接收天线安装在等离子鞘最为薄弱的地方,借此增大与地面的通讯概率。
第三种思路就比较“硬核”了,科学家正在研究用激光或者毫米波,直接穿透飞行器穿越黑障时的等离子鞘,来实现飞行器与地面的联系。
中国实现黑障区稳定跟踪想要实现在黑障区稳定跟踪很难,老美和欧洲苦研80年都没结果,但就在2023年6月4日,中国成功实现了对神舟十五号载人飞船返回舱穿越黑障区的稳定跟踪,完成了人类首次在黑障区内对高超音速物体的精确定位。
至于说我国使用的是哪个技术实现的,目前尚属国家机密,只能说过于先进不便展示。但无论如何,我国对于黑障的突破是事实,其稳定性也在嫦娥六号返回舱两次成功穿越黑障区的过程中得到了验证。
2024年6月25日,嫦娥六号返回舱以最高31马赫的速度冲向地球大气层,高温摩擦产生的等离子鞘屏蔽了嫦娥六号返回舱与地面的通讯信号。对此,中国电科自主研制的多部测量雷达担负了返回区首点截获、黑障区连续跟踪等任务,精准探测到了嫦娥六号返回器在黑障区的飞行轨迹,助力了地面工作人员对于返回舱落点的精准定位,使其可以及时去接应宇航员,节约了很多时间。
中国反导技术再上一台阶我国对于黑障区内高超音速物体追踪技术的突破不仅推动了航空航天事业的发展,更重要的是从此中国的反导技术会再上一个大台阶。
众所周知,洲际弹道导弹是从陆地发射,穿过大气层后,再入大气层进行攻击的,其最快速度能达到20马赫以上。导弹再入大气层时同样会遭遇黑障,同样会在表面形成等离子鞘隔绝电磁波。这就导致了现有的雷达防空系统无法及时且精准的定位到洲际导弹,大大增加了反导难度。
而如今,我们能够精准定位返回舱,就意味着我们也极有可能实现对于洲际导弹在黑障区内的精准定位,这对与我们反导能力的提升是很恐怖的。
参考资料:
我国载人飞船黑障区跟踪测量取得重大突破——新华社
“发现目标”!这个“大难题”已被中国攻克——光明网
人类首次突破黑障,中国反导技术再上一个大台阶——红色文化网
探秘!嫦娥六号安全“回家”靠什么?——光明日报