神舟十三号经过“黑障区”时，北斗导航，能否给出其位置与速度？

神舟十三号在万众瞩目之下成功于东风着陆场着陆了，听着宇航员们“我已出舱，感觉良好”的回答让大家悬着的心落了地。

神舟十三号

为什么人们会如此紧张呢？原来在神舟十三号返航时会经过“黑障区”，这一阶段非常危险。

那么，什么是黑障区？它是如何产生的？黑障区会产生怎样的威胁？有没有办法解决这个问题呢？

许多了解黑障区的人应该知道，这时会出现短暂的“失联”，而这一失联的时间段就给着陆带来了一定的风险，因此实时定位就显得尤为重要了。

这样说的话，神舟十三号经过“黑障区”时，北斗导航终端能否给出其位置和速度呢？

北斗卫星导航系统模型

黑障区的威胁

飞船返回舱在重回地球时速度很快，在这种情况下返回舱会和大气发生剧烈的摩擦，变成一颗燃烧的“火球”。

在这种情况下，会经过“黑障区”或者是所谓的“黑障现象”。那么，到底什么是黑障区呢？

一般来说，当飞行器在临近空间以马赫数10以上的速度，于大气层内飞行的时候，这时候飞行器的周围会形成一层等离子体，科学家称其为等离子鞘套。

实际上，这层等离子体是因为强激波压缩和高速摩擦的原因，使得空气当中的氮分子和氧分子出现电离或者离解的反应。

返回舱在回地球时会变成一颗“大火球”

许多人可能不理解，这个等离子体会产生怎样的影响，事实上，等离子体的存在会改变电磁波的传播，在这个过程中电磁波会被反射、折射。

而地面与飞行器之间的沟通就要依靠电磁波，在传播功率明显衰减的情况下，飞行器会和地面站点短暂“失联”。

如果在这期间发生了任何的意外，那可真就是“叫天天不应，叫地地不灵”了。

研究显示：

这种情况通常会在距离地面100km到20km高度处，发生通信中断现象，这就是空间飞行器再入过程中的通信黑障现象，距离地面100km到20km的高度也被称为空间飞行器返回大气的黑障区。

地面控制中心的研究员们

返回舱重回地球本来就是具备一定危险性的，再加上发生黑障现象的时候返回舱外部的温度非常高，如果隔热出现了问题，那么舱内的宇航员都会有生命危险。

再者，地面的工作人员需要获得返回舱的着陆位置，才能第一时间到达现场帮助宇航员们出舱。

在这种情况下，黑障就成为了国内外航天研究所一直在研究的问题。

可以说，自从上世纪60年代开始，科学家就通过地面模拟实验等方式试图解决黑障问题，不过情况并不乐观。

地面模拟实验

这时有人会说能用咱们的北斗导航吗？北斗导航终端能否克服黑障问题，确切给出神舟十三号那时的位置和速度呢？

北斗导航终端

首先咱们简单介绍一下北斗卫星系统，该系统是我国为了国家安全和经济社会的发展，独立建设并且运行的全球卫星导航系统。

北斗卫星导航系统的发展其实和中国的探月计划一样，都制定了“三步走”战略。

在2020年时发射了最后一颗组网卫星，也就是北斗三号，至此，北斗三号全球卫星导航系统正式开通。

北斗卫星导航系统

说起来，北斗导航的建成确实是咱们的骄傲，不过也无法在神舟十三号经过“黑障区”的时候提供位置和速度。

它只能在返回舱落地之后，利用导航信号完成“精准定位”，告知地面指挥中心返回舱的位置在哪里，组织救援人员迅速前往现场进行施救。

对于这种情况，其实北京卫星信息工程研究所的人员早已进行了评估研究，得出了北斗导航信号的幅度与飞行器飞行高度以及速度的变化关系。

返回舱落地后，需要北斗导航系统精准定位

具体研究对象就是北斗三代卫星导航系统，其信号带宽与传统的信号相比有所提高，为什么专门说这一点呢？

因为信号的带宽越大，说明它潜在的抗等离子体影响性越高，系统的测距精度就能进一步提升了。

通过模拟研究发现，飞行器各个部位的等离子体对北斗导航终端信号的影响是不一样的。

第一是头部，当飞行速度为12马赫时，透射性还是很不错的，还是有部分能量能够穿透。

但是当飞行速度达到18马赫的时候，透射率就接近于0了。

卫星导航定位

不过在侧边中间的位置，如果飞行速度仍是12马赫，且电磁波是在垂直入射的话，那么此时的等离子体就不会起到任何的阻隔作用。

当速度达到18马赫时，电磁波就无法穿透等离子鞘套了。

研究结果显示，弹头位置北斗卫星信号无法穿透等离子鞘，而在尾部受等离子鞘套影响最小，飞行速度18马赫时对于1.2GHz的B2、B3频段导航信号透射率约为80%，对于1.5GHz的B1频段导航信号透射率约为95%。

可见，虽然北斗导航系统已经非常强悍了，但是在遭遇黑障的时候还是显得有些力不从心。

因此，目前北斗导航终端的主要作用是在飞船返回舱着陆之后迅速锁定其位置，将救援时间进一步缩短。

要知道，救援队抵达返回舱附近的时间越长，就会增加意外发生的可能性。

不过在返回舱位于黑障区的时候，就只能靠宇航员自己了。

说到这，既然人们从上世纪就开始研究解决黑障的方案，到现在究竟有没有得出什么结果呢？

救援必须要快

缓解黑障的技术方法

黑障现象作为航天人心中急于翻越的大山，一直都是科学家关注的对象。

这些年间，对于如何缓解或者消除等离子鞘套的现象，提出了至少14种设想，其中有低频法、激光法、高频法、选择合适再入飞行器空气动力外形、磁窗口法、拉曼散射法等等。

接下来，我们就挑选其中几个给大家详细聊聊，看看这些方法是否可以缓解黑障问题。

中国“航天四老”

首先来说说亲电子物质注入方法，既然电子密度影响了电磁波的作用，那么我们就从这方面入手，向等离子体流场当中注入亲电子物质，使得这一部分的电子和离子重组，最终降低密度。

这样的话，电磁波的作用不就更加明显了吗？

Gillma等提出一种将固体亲电子物质注入等离子体鞘层的方法，在等离子体活性成分的作用下，含有固体亲电子物质的诱导电极会产生负电位，使亲电子物质以气态形式进入等离子体鞘层，可使等离子体鞘层内电子数密度减少2/3。

等离子体鞘的形成

其次就是改变飞行器的外形，从而使得黑障有所缓解的方法。

大家应该都看到过飞船返回舱的外形，其底部是平的，顶部是椭圆形的，看起来就像是一个“铁秤砣”。

实际上这是钝头型，是绝大多数航天器的首选，其迎风面的电子数密度和背风面的差异极大。

当然现在不少科学家提出了“膜面型”，认为它是下一代飞行器的预选方案。

神舟十三号返回舱

最后就是大家比较熟悉的中继法，毕竟咱们的嫦娥四号在登陆月背的时候就用到了中继法。

再者上文的研究也显示，电磁信号在飞行器各个部位的穿透效果是不一样的。

因此中继法主要利用了等离子体的不均匀性，从等离子体角频率比较弱的背风面入手，给予中继卫星系统，建立通信。

不得不说，这种迂回解决失联问题的方法确实看起来很不错。

嫦娥四号

不过科学家认为相较于传统的中继法来说，针对返回舱可能需要使用到二次中继法，即在返回舱和中继卫星之间再加上一个中继站，这样的话就可以节约成本，缩短传输距离。

不知道大家认为哪种方法更加靠谱呢？

期待在无数科学家的努力之下，能为我们的航天英雄增添更多的“安全感”，让他们安然无恙地升空，又毫发无损地返回！