十年磨一剑  “黑障”破天光

本文转自：中国科学报

十年磨一剑 “黑障”破天光

——记国家重大科研仪器研制项目“临近空间高速目标等离子体电磁科学实验研究装置”

▲临近空间高速目标等离子体电磁科学实验研究装置。

▲团队合影。

受访者供图

■本报实习生 卜金婷 记者 李晨阳

“载人飞船就像被包裹在一个火球里，周围一片火光，时不时会听到一些噼里啪啦的声音……很无助，但唯一能做的只有等待。”

这是航天员在描述载人飞船再入过程，特别是进入“黑障”时的真实感受。所谓黑障，是指航天器再入大气层时会遇到几分钟的通信中断。在这段时间里，航天器与地面控制中心无法取得联系。

“无论是对航天员还是对地面指挥台的工作人员来说，这都是一段非常难熬的时间。”中国科学院院士、西安电子科技大学空间科学与技术学院院长包为民告诉《中国科学报》，“我们希望能在这个阶段和航天员保持联系，知道他们的生理状态、航天器的实时飞行状态等。这对航天事业非常重要，但目前国际上还没有解决这个问题。”

包为民团队在黑障相关领域开展了近10年研究，取得了许多关键性突破，特别是在国家重大科研仪器研制项目的支持下，设计研制出“临近空间高速目标等离子体电磁科学实验研究装置”。团队利用该实验装置开展了黑障地面复现实验、等离子体包覆目标的雷达散射截面测量/合成孔径雷达成像、电磁波/信号在不同等离子体状态下的传输特性实验，验证了等离子鞘套下在线诊断、黑障抑制、新体制通信等关键技术，填补了在地面模拟等离子鞘套环境开展电磁实验研究装置的国内空白。

“黑障”何时不黑？剑指百年难题

黑障是航天领域面临的一大难题。在人类历史上，很多重大航天事故都发生在重返大气层阶段，而在这个阶段，航天器与地面通信失联加剧了风险的不可控性。

当航天器穿越临近空间时，航天器头部的空气会被剧烈压缩，达到几千乃至上万摄氏度。高温使空气电离，形成一层包覆于航天器表面的等离子体，称之为等离子鞘套。这个鞘套就像金属网一样把航天器整个包覆起来，隔绝了航天器和外界的通信，导致航天器无法及时将信息传输到地面控制中心。

“如今人类航天活动越来越频繁，但黑障依旧是航天领域的一块心病，我们希望彻底解决这个问题。”包为民告诉《中国科学报》。

研究发现，不仅在通信领域，雷达探测领域也面临等离子鞘套引起目标探测失效的困扰。解决这一问题，不仅需要在理论上深挖等离子鞘套与电磁波/电磁信号的相互作用机理，揭示等离子鞘套引发的不同电磁效应，而且迫切需要在地面模拟等离子体特征并支撑电磁实验的研究装置。

为此，包为民团队联合浙江大学、中科院合肥物质科学研究院、哈尔滨工业大学、空军工程大学、北京遥测技术研究所等高校和科研单位攻坚克难，从2017年到2022年，成功研制出国内首台高速目标等离子体电磁科学实验专用研究装置。这台装置由三大系统组成，包括高速目标等离子体产生与调控系统、诊断系统和电磁测量系统。

团队成员、西安电子科技大学副教授刘东林介绍，产生与调控系统主要模拟产生等离子鞘套的电子密度和碰撞频率等关键参数，以及等离子鞘套准稳态、宏观动态、细观结构等3种典型特征；诊断系统主要实现对等离子体参数的高精度、高分辨诊断；电磁测量系统实现对等离子鞘套环境下（高温和强干扰）信号空时频极化多维特征的一体化测量。

“如果黑障这个问题解决了，将来航天器的健康状态就能实时监测和控制，航天器就会变得更加安全。”包为民说，“这对我国航天事业，甚至对未来交通出行等与每个人息息相关的领域，都会产生颠覆性影响。”

明知山有虎，偏向虎山行

“只许成功，不许失败。”这是该重大科研仪器研制项目研究人员在立项时就许下的诺言。尽管面临重重挑战，但他们从一开始就做好了啃“硬骨头”的打算。

该实验装置的关键是模拟产生出具有等离子体宽参数范围（电子密度从1×109cm-3至3×1013cm-3，跨4个数量级；碰撞频率从50MHz至50GHz，跨3个数量级）、非均匀（飞行器通信窗口位置等离子鞘套的梯度分布）和高动态参数特征（等离子体参数随时间的涨落变化）的动态等离子体。研究团队采用感应加热的方式将空气加热到上万摄氏度，电离形成等离子体，同时设计出不同线型的耐高温喷管，将等离子体喷射到低气压腔体环境中，突破了等离子体多参数耦合匹配优化的关键技术，提出了集感应耦合、流动剪切、频率可变辉光放电于一体的等离子体动态特征模拟新方法，创新性实现了等离子体的涡旋结构模拟和动态频率调控。

项目首次在地面上实现了从L到Ka频段黑障现象的复现、等离子体包覆目标的RCS测量和SAR成像，提出了低频电磁波和动态自适应的抗黑障通信新方法，并得到了地面实验验证。

团队在研制过程中一边建设一边开展了多方面基础和应用研究，包括缩短Ka频段（30GHz）黑障时间、研制出新型抗黑障一体化低频通信系统等。

记得装置第一次点火的时候，团队骨干成员已对冷却、真空、电路等进行了几天的完整测试，主控人员依次发出“主回路启动”“加热启动”“通入氩气”“增加电压”等指令。看着发生器内慢慢发出了亮光，突然一下子变成了梭子形状，在真空腔体内出现了亮晶晶的长长火炬，团队人员激动地叫了起来：“成功了！成功了！……”一次点火成功的背后，是团队多年的辛勤努力。

如何在等离子体环境下开展电磁实验，则是研究人员面临的又一个关键问题。在等离子体产生的腔体内，既要开展信号通信研究又要进行目标散射研究，同时等离子体达到几千摄氏度高温，这对电磁测量提出了极大挑战。

为了解决上述问题，研究团队从降温和低气压热传导出发，根据水冷和增加传导距离（腔体直径），设计了一个直径7米、长3米，具有高效冷却结构和合理热传导时延的大型真空暗室。这个实验装置不仅在科学设计上颇具难度，就连最基本的运输过程都十分棘手。

“直径7米、重90吨左右的装置，需要整个儿从浙江运到陕西。这个过程中我们遇到了很多困难。比如，高速公路收费站限高限宽，装置无法通过，为此拆掉了3个收费站。”团队成员、西安电子科技大学教授刘彦明说，“运输和安装方案前前后后设计了好几次，最后才成功把装置运到陕西。此外，成功安装也保证了后续整个测试达到了一个很好的水平。”

回忆起各个行业的工作人员为同一个目标奋斗的经历，刘彦明历历在目。“在这个项目实施过程中，技术之外的东西也非常关键。其中任何一个环节被卡住了，都不可能成功。我真切体会到，做一件大事需要各方面同心协力。”

项目顺利结题离不开国家自然科学基金的支持和帮助。“国家自然科学基金委员会对这类重大项目设立了监理专家组。他们不仅在技术方面，而且在财务和管理方面，都给了我们团队很大的帮助。”包为民说。

硕果累累，在创新与协同中培育人才

在项目研制过程中，一批青年人才迅速成为中流砥柱。

刘东林在28岁时加入项目，如今已经35岁。一名科研人员成长的最关键岁月，他都是在这个项目中走过的。

“作为一名年轻科研人员，我有幸亲身参与如此大的项目，获益匪浅。从最初的论证到开展研究，再到最后项目完成，我的科研能力有了很大提升。与各课题老师的协作交流，让我收获了很多。”刘东林表示，前辈们的创新、协同、奉献等精神深深鼓舞着他。

谈及在该项目中的感悟，团队成员、西安电子科技大学教授李小平说：“第一是创新，我们的方案设计、研制思路、实现技术和成果在国内都是独一无二的；第二是交叉，该项目涉及多学科交叉融合，这对我们的知识结构是一个极大锻炼；第三是协同，多个优秀团队相互协作、密切配合，才实现了共同目标。”

“这真正体现了航天系统中广为人知的‘四共同’原则，即‘有问题共同商量，有困难共同克服，有余量共同掌握，有风险共同承担’。”包为民说，“我们要把这些原则融入整个科研过程，并传承下去。”

《中国科学报》：当下科学基金深化改革强调“科研范式变革”，您对此有什么思考和作为？

包为民：我们团队在国家自然科学基金委员会论证立项了“多物理场高效飞行科学基础与调控机理”重大研究计划，以跨域高效智能飞行器为背景，在研究范式方面也做了一些布局，开展智能技术与系统工程融合的范式，实现了技术创新，为进出太空、开发及利用太空资源提供了核心保障。该计划具有典型的学科交叉特色，也是科研范式改革在航天领域的一种新探索。

《中国科学报》：接下来，团队的研究规划是什么？

包为民：基于这个装置，我们可以开展许多以前想做但没条件做的实验研究，如开展理论创新与实验验证；也可以设计更多新实验，发现新的实验现象，总结出新的科学规律；促进新技术不断改进优化。未来，团队将对装置做进一步拓展、提升，扩展到电磁力热交叉领域方面的理论与实验研究，形成跨领域核心竞争力。