宇宙飛船返回地球要經歷黑障區,是什麼意思?

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近些年世界空間技術發現比較迅速,上個世紀就可以做到載人航天飛行了,而我國這些年也是奮起直追,先後發射了天宮系列等先進的航天設備,而在宇宙飛船設計中,有一種技術卻令科學家比較頭疼,這就是黑障效應,那麼這到底是一種什麼現象呢?有什麼危害?

在飛行器完成自己的任務返回地球時,因為速度的原因,下降到一定的高度會出現一種無法和地面通訊的現象,這種現象就被稱為是黑障現象。這是一種大氣層獨特的現象,產生的原因是因為在以極快的速度返回時,航天器需要和大氣摩擦來快速減速,這個時候有一面正對空氣,會把動能轉化為熱能,產生大量的熱量,航天器的材料都經過特殊的製作,哪怕這個時候溫度會高達兩千度,也不會融化外殼,但是這個時候會因為高溫產生等離子層,這是因為激波的作用和壓縮空氣的效果,等離子體會屏蔽電磁波,從而會使用過電磁波通信的航天器產生短暫的失聯現象,這就是所謂的黑障。

黑障大概發生在距離地面三十五到八十公里的地方,目前還沒有很好的方法去消除黑障,不過也有一些應對方法,比如改良通訊裝置的信號發射功率,或者把裝置安裝在影響最小部位,通過發射毫米波,激光這些黑障影響比較小的信號等。不過,因為黑障時間比較短,而且這個時候基本不會出現太大的問題,所以黑障現象並不是太嚴重的影響。


水鏡曉先生


黑障區的主要特點,就是這個階段高溫等離子體鞘和電磁波相互作用,使得電磁信號無法有效傳遞,而導致航天器失去聯繫。


黑障常見於返回式航天器在返回大氣的過程中。返回艙要利用空氣減速,所以以阻力大的一面面對疾風,emmm,面對空氣。

這時空氣被返回艙壓縮,溫度升高。就好像氣缸裡的氣體被壓縮會升溫一個道理。返回艙在這個時候把動能轉化掉,就可以減速了。但是這時的溫度極高,周圍的空氣最高達到兩千攝氏度,周圍空氣電離形成等離子體,通信就中斷了。這時就叫再入體進入了黑障區。

速度降低,脫離黑障之後就可以恢復通信了。隨著空氣密度越來越大,再入體的速度也越來越低。這時才適合打開降落傘著陸。
解決這個黑障區失去聯繫的方法也有很多,改變通信方式,或者改變天線位置到等離子鞘薄弱的地方。今後有了更好的火箭,還能讓返回艙提前減速,不用經歷高速接觸大氣的過程,也就沒黑障了。

目前有些超高音速武器裝備也面臨黑障問題。


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宇宙飛船返回地球的時候要經過黑障,其實是因為宇宙飛船的外表和大氣層經過劇烈摩擦產生了電離,這個是可以阻礙電磁波的傳播的。在飛船經過黑障區的時候是沒法進行任何通訊聯絡的。


宇宙飛船從外太空返回地球過程中必須經過與大氣層的摩擦,在這過程中會對飛船的姿態進行調整。另外,在宇宙飛船的表面會附著一層用於燒蝕的物質。用來帶走因為與大氣劇烈摩擦產生的熱量。同樣這些物質也會影響電磁波的傳輸。

目前,世界上能夠建造宇宙飛船的國家不是很多除了傳統的俄羅斯,美國中國之外,目前還有歐洲和日本。其中俄羅斯的建造水平最高,目前,國際空間站的人員運輸基本上依靠俄羅斯的宇宙飛船來進行。



宇宙飛船經歷黑障區是非常危險的一個時間段。因為這個階段的時候,任何無線電通訊都已經失效。地面人員對面對飛船是缺乏任何控制手段的。


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國際上為了避免電磁干擾,分配給航天測控通訊網的頻段集中在S,C等波段,而宇宙飛船和射程8000公里以上的洲際導彈再入大氣層的速度超過10馬赫最高可達30馬赫,導致嚴重的氣動加熱,飛船導彈前端溫度超過2000度,形成高溫等離子體包裹頭部和側面,等離子體能吸收一定帶寬的電磁波,其吸收中心頻率與自身電子濃度1/2次方成正比。

整個再入過程,隨著飛船高度降低,飛船速度越來越慢,大氣密度越來越高,等離子體中電子濃度先增加後減少,其電磁波吸收範圍覆蓋從幾兆赫茲到X波段,正好將整個航天測控常用波段全覆蓋進去。因此在一分多鐘存在等離子體的時間裡,航天測控網無法收到飛船遙測信息的,只能是利用存儲器將導彈飛船內部傳感器數據儲存起來,待飛出黑障區(一般2萬米以下高度等離子體濃度很低了,不能吸收S頻段以上電磁波了,也就是黑障消失通訊恢復),然後大流量快速發送給地面站,就是延時轉發。

但對於高超音速飛行器,比如WU14這種,全程大氣層內飛行,黑障持續十幾分鍾到半小時,延時轉發數據量太大,帶寬也不夠用,所以只能採用能穿透黑障的電磁波頻率進行實時測控通訊,比如Ka波段,只有Ka以上波段可以保證不受黑障影響的。


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實際上要說到這一點的話,就得提到美國人的一款導彈,也就是他一種實驗型的超高速導彈,這種導彈它的速度可以達到十幾倍音速,做到真正的一小時打擊全球。

但是美國人在這一項導彈上面的研究一直是處於一種失敗的狀態,為什麼十幾倍音速的飛行會導致導彈的周邊和周圍的空氣會摩擦的很熱,這會使得周邊產生大量的等離子體。

我們知道信息之間的傳輸,比如說手機和無線電之間的傳輸都是依靠著就是存在於空氣中的這些電子信號,但是這些等離子體由於輸入了大量的能量,會吸收這些東西,這樣的話,對於導彈的控制就沒有辦法通過外部對它進行控制了。

這是一個很蛋疼的問題,為什麼?飛機的姿態,他需要地面參照物,他不可能僅僅只依靠陀螺儀來穩定自己的飛行姿態,他需要通過天上的GPS或者是地面對於他飛行姿態的矯正,如果說任憑他自己飛行的話,這顆導彈將會飛出什麼樣的軌跡來,根本就沒有辦法預料到 所以在超高速的環境之下,缺乏地面的有效控制,以後,這種飛行器極有可能出現那種空中不受任何約束,然後自己失去了作戰指令以後一頭扎向大地。

我們說到航天飛行器所經歷了這一個區域,也就是黑障區的話也是面臨相同的問題。航天器經過外太空進入大氣層的時候會和大氣層內的大氣反產生摩擦,並且航天器它本身速度特別快,所以等離子體包括旁邊比較發燙的氣體,會包裹著航天器,讓地面對航天器之間的聯繫,包括對於航天器整個飛行姿態的矯正都沒有辦法傳輸到航天繫上面,(今日頭條漩渦鳴人yy首發於悟空問答)所以說這一段區域,我們是沒有辦法聯繫航天器的或者是上面的宇航員的。

在這個區域高熱的氣體可能會對本身航天器內部的人員或者儀器產生損害。與此同時,劇烈的摩擦也有可能造成航天器在空中會解體,更要命的一個問題就是航天器所要選擇的著陸地點是預先規定好的,比如說人煙稀少,或者是是陸地不要是海洋,如果說航天器降落錯了地方,比如說掉到水裡面去了,或者是掉到海里面去了,經歷過那麼一段漫長的顛簸期的宇航員是沒有任何力氣去抵抗這種情況的,也就是說,航天器掉到海里,面對宇航員來講,基本上是九死一生。

除此以外,航天器的飛行姿態沒有辦法矯正或者是航天其他最後的時候,他的緩著陸的指令沒有發出的話,也可能造成航天器直接撞到地面上,這樣的話,整個航天器就可能會拍扁,或者是宇航員遭到劇烈衝擊,產生生命危險。

所以說如何解決航天器在這一段降落期間的指令輸入問題,是各國載人飛行的重要課題。


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