黑障激光通讯飞船返航“黑色五分钟”，黑障究竟是什么？人类为何无法解决？

发布时间 : 2024-10-06

作者 : 小编

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飞船返航“黑色五分钟”，黑障究竟是什么？人类为何无法解决？

神13经历“黑障五分钟”，究竟有多危险？人类真的束手无策吗？

2022年4月16日09时56分，装载着我国三位航天英雄的神舟十三号航空飞船返回舱平稳地降落在中国东风着陆场 ，三位宇航员出舱后均表示感觉良好，这一消息值得全体同胞为之欢呼，要知道，返回舱回归的这一路上可谓是历经磨难，在这“九九八十一难”中，最为危险的就是——“黑障区”，它甚至被称为宇航员返回地球的“黑色五分钟”。

黑障区是什么？

黑障区又叫黑障，关于它的来源是因为航空飞船在进入返程状态后，需要突破大气层，其实相信大家对这个词都并不陌生，但相信大多数人都是“只闻其声不明其意”，其实大气层说白了都是气体，并不至于多危险，只是因为在进入大气层之后，飞行器受到的地球重力产生的牵引力瞬间增大 。

如果在大气层外的真空环境中，飞船速度再快都不会有问题，但是一旦进入大气层，飞船就处于稠密的空气中，我们日常生活在空气中，行动的速度比较慢，所以也不会感觉到空气对身体有什么摩擦力，但是飞船不同，它在进入大气时的初始速度就非常大， 而且在重力的巨大牵引力作用下，飞船会和空气产生强烈的对冲，平时无法感受到的空气就像一颗颗小沙粒一样，密集且源源不断的撞击在飞船表面，造成升温。

另一方面，在飞船进入大气层后，会冲击空气产生激波 ，这种现象导致飞船表面以及附近一定区域内的气体分子进入黏着（粘滞）或者火烧状态 ，它们就粘性不是很大的胶水一样，虽然不会贴合的非常紧密，但也不会轻易被甩掉 ，空气形成的这种环境能够阻碍温度的散发，进而在飞船附近的区域内，形成一个体积庞大的“火炉”（高温区） ，这里的温度高达几千摄氏度。

神舟十三号突破黑障区

但值得注意的是，尽管有如此高温，也不能对飞船造成什么损害 ，因为飞船表面涂有一层烧蚀材料，也就是专门用于在种环境下起火燃烧的材料，这个道理就像是我们烧水，下面的热源可能有几千度，当开水通常情况下，最高只有100度 ，所以说别看表面起火燃烧了，其实是将外界的高温限制在了可控的范围内，再加上效果强大的隔热层，飞船内的宇航员几乎感受不到这个升温 ，而且如果只有高温的话，显然和“黑障”两个字没有什么关系。

真正危险的是，在高温的环境下，虽然飞船毫无畏惧，但气体分子不行 ，它们会在高温中发生反应 ，主要包括分解和电离，所以就会在飞船周围形成一层高温电离质，等离子体鞘（等离子体和器壁或者电极接触时，两者之间产生的过渡区）和电磁波相互作用，就像形成了一个看不见的信号隔绝罩，导致飞行器的通信电磁波传输衰减或者干脆被反射回去，因此，飞船会和地面失去联系，这就是“黑障”现象。

“黑障区”有多么危险？

黑障现象对飞行器的影响很大，远不止局限于太空飞船，还包括卫星、洲际导弹等一系列需要从太空以很高的速度进入大气层的空间飞行器 ，但受影响最为严重的就是在载人航天飞船，首先在这个时段里，航天员和地面的一切通讯信号都会被中断 ，部署的定位雷达也将全部失效，无法捕捉到飞船的位置，指挥中心也不能了解舱体内的具体状况，更没法对飞船进行远程控制了 ，飞船基本上处于完全失联状态，一般情况下，这个状态的持续时间长达五分钟左右，所以也被称为黑色五分钟。

在这段时间里，宇航员只能依靠自己的经验和知识应对有可能发生的所有突发情况 ，不过好在飞行器都具有自动功能，即便失去了联系，飞行器也能自行调整好降落的状态，否则宇航员们面临的危机将更加可怕几个档次。

因为雷达失效，在这五分钟里，地面工作人员无法预测到航天器的降落轨迹，自然也就无法定位它的降落位置 ，也会在一定程度上加大地面搜救工作的难度。

有什么办法可以避免“黑障区”吗？

其实从人类第一次体验到黑障现象的危险之后，就开始研究如何才能消除它，不过很遗憾的是，以人类目前的科技水平还不能完全消除“黑障”现象 。不过人类的研究也并不是一无所获，首先人们设计出了更加理想的飞行器外形，来尽可能削弱黑障的影响，而且还会在飞船表面喷涂一种能够削弱等离子的材料，进而减轻等离子鞘 ，不过这两种方法客观来讲，只能算是聊胜于无 。

真正有效的是人们在飞行器上安装了信号更强的通信设备，而且会将信号发送和接收的装置安装在等离子鞘最薄的地方，人类研发出效果越来越好的雷达等定位装置， 也在很大程度上帮了忙，这两种方法虽然不能完全消除黑障的影响，但确实在很大程度上缩短了黑障的持续时间，不过从某些角度来讲，这属于和“黑障”的正面对抗，显然并不是问题的解决之道。

人们还提出了很多现代科技做不到，但的确具有可行性的设想 ，其中比较具有代表性的就是：利用“毫米波”或者“激光”代替无线电进行通信 ，直接穿过等离子鞘 ，来解决通信中断的问题。

虽然我们目前并不能解除黑障，但好在“黑障五分钟”里，飞船还处于正常下降轨道状态，即使中断通信和定位，一般也不会发生危险，只要降落大空气浓稠到一定程度的区域，阻力就会将飞船的速度降下来，尤其在降落伞打开之后，黑障就会消失。

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飞船返航“黑色五分钟”，黑障究竟是什么？老美苦研80年都没结果

图文 | 脑洞君

编辑 | 脑洞君

«—【·前言·】—»

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。