SpaceX利用天基中继技术解决“黑障”问题
2024年3月14日星舰第三发（S28）利用星链实现了发射过程大部分弧段，特别是再入返回黑障区的遥感图像传输和遥测数据接收，使人们第一次能够看见航天器进入大气层时由极端高温和压力产生的橙黄色等离子体光环围绕在飞行器周围。
航天器重返地球大气层时会产生“黑障”，造成无线电信号通信中断。引起“黑障”的主要原因是高速返回的航天器对周围稠密空气压缩，如下左图所示，形成激波和高温，致使大气发生分解和电离，飞行器周围电子密度大幅增加，从而在飞行器周围形成电离气体层，称为“再入等离子体鞘套”，无线信号能量被等离子体吸收而产生衰减和随机相移，导致通信中断。下右图画出了一个典型航天器再入时在一定飞行高度和速度情况下持续约13分钟的黑障区间。
下表是我国载人飞船再入“黑障”区时接收S测控信号的结果统计，可以看出，返回舱再入时，“黑障”的影响从80km高度开始到40km结束，整个过程遥测信号中断5分半钟。
“黑障”期间，由于通信中断，地面失去了对飞行器的状态掌握和控制能力，是一直没有解决的技术难题，为此，国内外对消除“黑障”的方法进行了大量研究，提出了改变飞行器气动结构、亲电子物质注入、磁开窗、引入交叉电磁场等措施，但这些手段很多都停留在理论研究阶段，技术复杂、实现难度大，多年的理论分析和飞行试验结果表明：提高通信频率、合理选择天线安装位置和通信路径是解决“黑障”最简单和有效的措施。
理论分析表明在一定电子密度条件下，信号工作频率越高，等离子体对信号的衰减越小。下图是信号衰减与电子密度和工作频率的截止关系图，画出了UHF、S、X和Ka工作频率产生衰减对应的电子密度值，可以看出信号频率越高，出现衰减概率越小，例如在电子密度1012时，UHF、S、X已经开始衰减，而Ka需要在电子密度大于1013时才开始衰减。
美国在上世纪60至70年代进行了飞行器再入大气层的无线衰减试验（RAM），在RAM-Cl再入试验中，在弹头上同时安装UHF（220MHz）、C（5700MHz）和X（9200MHz）波段的三副天线，所记录的通讯信号开始中断时，飞行器的高度分别为80km、54km和40km，信号结束中断的高度在23-22km之间，最高频率的X信号中断的时间明显小于C和UHF频段。
航天器返回大气层时，大气层的高速摩擦使飞行器表面材料及周边大气电离，产生大量带电粒子附着于飞行器表面，形成的等离子体鞘套从前到后可以分为驻点区、中间区和尾部区。其中驻点区的特征表现为高压高温气体有一薄边界层与再入航天器分离，并以激波层为界，驻点区发生的电离最严重，产生的等离子体浓度也最高；中间区的气体处在化学不平衡状态，且等离子体浓度也较驻点区低；尾部区的电离主要是由通过邻接于该区域的斜激波的气体引起的，等离子体电子密度的分布很大程度上取决于冲击角及航天器的精确形状，尾部区的等离子体浓度要大大低于中间区，因此同样的工作频率下，天线安装在驻点区或者中间区，等离子体会阻断通信信号，但如果安装在尾部区，通信就有可能不受影响，或者影响很小。
上图是在航天器表面不同的位置（从前到后2.5m、4.5m、6m和8.5m处）计算出的向外标称距离的电子密度分布计算结果，由图可以看出，靠近航天器前部的电子密度值最大且分布变化剧烈；靠近尾部的天线电子密度值最小、分布稳定，其值比安装在其它部位天线的电子密度低1～2数量级。
另外，同样一个部位，航天器的迎风面和背风面的离子分布也不一样，上图是欧洲高级再入演示器（ARD）试验中返回舱在61.5km高度时等离子频率分布，图中尾部迎风面的等离子密度为1.349×109cm-3、背风面为6.261×108cm-3，表明同样是尾部，背风面的等离子密度比迎风面小得多。欧洲的另一个再入试验结果也证明了这点：当再入速度为22.4马赫的条件下，飞行器迎风面电子密度为1013以上，但飞行器背风面的电子密度约为1012。我国载人飞船从85km降至35km过程中，飞船的前部电子密度变化范围为2×1012～6×1013，飞船的尾部电子密度变化范围为1×1011～2×1012，整个过程飞船尾部的电子密度比前部低近1个数量级。
上图画出了飞行器再入时电离气体的分布和基于天基网和地基网通信的传输路径，可以看出电离气体主要集中在飞行器底部的迎风面，地面通信传输路径要穿过飞行器底部密集的电离层到达飞行器，因此容易产生链路中断；而天基通信路径到达的是飞行器背风面，所受影响就小很多，因此利用天基测控/通信系统可以有效地解决黑障，例如TDRSS中继卫星系统或星链近地通信卫星系统。
星舰解决黑障的
有利因素和采取的措施
星舰解决黑障的核心思想是基于天基星链星座和中继卫星系统，将通信天线安装在星舰的背风面来解决黑障效应，保持再入过程中卫星通信畅通，具体如下：
当前星链星座有5000多颗卫星在轨，轨道高度大于500km，它采用星间激光链路实现了全球无缝隙覆盖，星舰第三发到达的最大高度只有234km，因此整个飞行过程都在星链星座的覆盖范围内，另外，星链星座采用高频Ku和Ka通信，对解决黑障效应也有一定帮助。
下图画出了星舰以25马赫速度再入的姿态，可以看出在进入黑障区以后，箭体的姿态基本垂直于运行方向，使箭体的一个面始终背对面前方的大气，直到飞出黑障区，这是一个有利的因素。
星舰外形是一个高50米、直径9米的柱体，这个巨大尺寸有助于再入时阻止等离子体包围飞船，如下左图。因此可以将天线放置在没有被等离子体包围的位置，这是一个非常有利的因素；相比之下，一般飞船返回舱呈倒椎体钟形，直径与高度只有约2.5米左右，如右下图，返回时整个舱体基本被等离子体包围，因此各个方向的传输路径都要经过浓密的等离子层。
在上述有利因素的基础上，星舰选择了将星链终端天线安装在星舰的背风面，下左图是2021年5月试验的星舰SN15外形图，一个星链终端天线安装在星舰的背风面；2024年3月星舰第三发S28的星链终端天线增加到4个，它们的安装位置如下右图所示，与SN15相比安装的外形有所变化，但仍然在飞船的背风面。
美国1989年航天飞机重返大气层时，使用TDRS通信，中继终端的天线安装在航天飞机的尾部，解决了“黑障”的影响，整个返回过程通信畅通。这次星舰第三发也加装了TDRS中继终端，利用中继卫星信道传输遥测数据和发送遥控指令。
在星舰升空后的前46分钟，通过星链的传输，我们看到蓬松的白云飘浮在玻璃般的海面上，并在黑暗的太空中平静地看到地球弯曲的肢体。但是在46分钟后，当星际飞船下降到大约100公里的高度时，开始感觉到大气层的存在，随后星舰进入了黑障区，由极端高温和压力产生的鲜红色等离子体光环在飞行器周围发光，下左图是进入黑障区初期图像，此时星舰高度97km、速度26733km/h，1分多钟以后，星舰高度降到85km、速度26759km/h，如下右图所示，这时等离子密度更大、亮度更高。
星舰飞行49分钟后，高度降低到65km、速度25707km/h，星链的图像和TDRS的遥测数据同时消失，说明星舰此时开始解体。事后SpaceX声明发射过程中大部分时段星舰基于星链的互联网通信稳定，TDRS遥测畅通。
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本文转载自“星图测控”，原标题《SpaceX利用天基中继技术解决“黑障”问题》。
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