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黑障的产生及其消除方法

(2010-09-01 18:11:27)
标签:

黑障

弹道导弹

宇宙飞船

再入大气层

军事

分类: 原创

    当卫星、航天飞船、洲际导弹等空间飞行器以很高的速度再入大气层返回地球时,在一定高度和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。其范围取决于再入体的外形、材料、再入速度,以及发射信号的频率和功率等。黑障区给载人飞船再入返回时的实时通信和再入测量造成困难。   

     黑障是怎样形成的呢?我们知道,所有飞行器返回大气层的时候,飞行速度极高,可以达到音速的十几倍到几十倍。这就是飞行器的前端形成了一个很强的激波。由于飞行器头部周围激波的压缩和大气的粘度作用,使高速飞行的动能大量转化为热能。飞行器表面达到很高的温度时,气体和被烧蚀的防热材料均发生电离。于是,在飞行器的周围形成一层高温电离质,等离子体鞘和电磁波相互作用,从而导致用于通信的电磁波传输衰减或反射,此时,地面与飞行器之间的无线电通信便中断了。

  随着飞行器高度的下降,当速度降低到一定程度时,不再有足够的温度使气体分子电离,等离子体鞘解除,黑障就会消失。黑障区大约出现在地球上空35到80KM的大气层间.宇宙飞船在通过黑障时,船体外壳将达到3000摄式度以上的高温,并因此会丧失与外界的无线电联系.

   国外从50年代就制定了专题计划,在地面试验,理论分析及飞行试验方面进行了大量的工作,基本掌握了黑障的形成原因和消除方法。

   黑障中的等离子体的固有振荡频率可以用公式表示如下

http://s2/middle/4a08b34at8f30774c0591&690

N为每立方厘米内的电子数量。
入射电磁波频率越接近黑障的固有频率,等离子体对电磁波的吸收也越强烈,这是黑障阻断电波传输的主要原因。

      对于射程12000公里以上的洲际导弹和宇宙飞船而言N大约在10的12-13次方以上,其频率大约为9GHz左右。对于射程低于6000公里的弹道导弹而言N小于10的9次方,其固有频率小于300MHz,基本不影响大于3GHz的微波通讯,基本不受黑障影响。因此下文所述解决方案主要针对射程12000公里以上的洲际导弹、飞船、卫星等的再入黑障。

黑障的消除方法:

(1)频率选择必须远离黑障等离子体的固有频率。

      可以选择远大于或者远小于等离子体固有频率的频段通讯,例如毫米波段或者亚毫米波段或者甚低频,但是甚低频通讯带宽太小,亚毫米波受空气衰减较大,因此毫米波段是最有希望的方案。

(2)防热材料的选择

       理论表明:减少防热材料中的碱金属含量,能有效降低等离子体浓度。美国70年代在洲际导弹防热材料中采用碳/酚醛材料取代过去的高硅氧/酚醛材料,主要就是为了减少碱金属的含量。

(3)弹头外形的改进

      试验表明采用锐锥体外形的弹头,形成的等离子体较薄,但是弹头外形是受多种因素考虑折中的结果,特别是洲际导弹追求机动能力,要能够车载,不能做的太长,因此弹头往往采用钝行。

(4)化学方法

      在弹头喷涂亲电子化学物质如WO3或者特氟隆,能使电子密度下降2-3个数量级,是一种非常有效的削弱黑障影响的方法。

(5)施加磁场

        在弹头施加强磁场,可以使等离子体体由各向同性介质变成各向异性介质,从而大幅降低无线电信号的损耗。但是现有的产生强磁场的装置体积太大无法装入弹头,高温超导材料的进展有利于这一技术的应用。

(6)合理选择天线位置。

      将天线装在弹头的尾部或者侧面可以有效避开黑障等离子体。

 

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