社科在线西安电子科技大学空间科学与技术学院 李小平
“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。”这是航天员描述神舟飞船重返地球时，最令人揪心的一段经历。当神舟飞船以极高速度穿越大气层返回地球时，都会面临几分钟的通信中断：地面控制中心无法收到飞船的实时数据，无法知晓航天员的身体状态，也无法对飞船的飞行姿态进行实时调控，飞船就像一座漂浮在大气层中的“信息孤岛”，一切只能依靠预设程序和航天员的应急处置。
这段短暂却煎熬的“失联时刻”，有一个专业名字——黑障。不仅神舟飞船，任何高速穿越大气层的飞行器——载人飞船、货运飞船、弹道导弹等都会遭遇这样的极端困扰。
从上世纪40年代人类开启航天探索以来，黑障一直是困扰全球航天领域的“百年难题”：美国阿波罗登月任务有“死亡4分钟”，俄罗斯联盟号飞船曾在黑障中因失压导致宇航员牺牲， 2020年美国SpaceX的载人龙飞船无法摆脱黑障的影响，即使到了2026年的今天，美国 “阿尔忒弥斯2号”仍然面临返回时黑障6分钟紧张无奈的严酷环境。
人们会疑惑，是什么让强大的无线电信号“失灵”？
制造这场“信息孤岛”的幕后主角，正是今天要介绍的核心——等离子鞘套。当飞行器以高超音速穿越大气层时，其头部剧烈压缩空气，产生几千乃至上万摄氏度的高温，极端高温让空气发生电离，形成一层包裹在飞行器表面的等离子体，这就是等离子鞘套，它像一张致密的“金属网”，将飞行器与外界的电磁信号彻底隔绝。
等离子鞘套是如何形成的？
要理解等离子鞘套，需要先简单科普一个概念：等离子体。它被称为物质的“第四态”，与我们熟悉的固态、液态、气态不同，等离子体是由大量带电粒子（正离子、电子）和中性粒子组成的混合态，兼具导电性和流动性，我们日常生活中看到的闪电、极光，都是等离子体的常见形态。
而等离子鞘套，就是飞行器以超过5倍音速（高超音速）飞行时，其头部表面与空气剧烈摩擦，压缩前方空气，空气被极端高温电离，其中的氮气、氧气等分子会被“烤碎”，分解成原子。随后，原子的外层电子会被高温“撞出”轨道，成为自由电子，而失去电子的原子则变成带正电的离子，最终形成由电子、正离子和少量中性粒子组成的等离子体。这层厚度不均、状态动态变化的等离子体层紧密包覆在飞行器表面，如同给飞行器穿上了一件“等离子外衣”，其厚度通常在几毫米到几十厘米之间。简单来说，等离子鞘套的产生，就是“高速摩擦→极端高温→空气电离→等离子体聚集”的过程，飞行器速度越快、飞行高度越低，空气密度越大，摩擦产生的热量就越多，等离子鞘套也就越厚、电离程度越高。
影响等离子鞘套的关键因素
要研究等离子鞘套的信号特性，首先要了解其典型参数，几个关键参数决定了它对电磁信号的影响程度：
（1）电子密度：指单位体积内自由电子的数量，这是最关键的参数，单位通常为 cm⁻³（每立方厘米）。电子密度越高，对电磁信号的屏蔽能力也越强。再入过程中，等离子鞘套电子密度可在1×10⁹ cm⁻³到1×10¹⁴ cm⁻³内变化，跨度高达4-5个数量级，相当于从“稀疏的电子雾”变成“密集的电子墙”。
（2）碰撞频率：指自由电子与中性粒子、正离子碰撞的频率，单位为Hz（赫兹）。碰撞频率越高，电子的运动越混乱，电磁信号在其中的传播损耗就越大，其范围可从50MHz到50GHz，跨越3个数量级。
（3）鞘套厚度：指等离子体层从飞行器表面向外延伸的距离，受飞行速度、高度影响较大，厚度越大，信号需要穿透的“障碍”就越多。
（4）不均匀性与动态性：等离子鞘套并不是均匀的“薄膜”，而是呈现梯度分布（飞行器通信窗口位置的鞘套密度变化更明显），同时其参数会随时间涨落，属于动态变化的等离子体环境。
等离子鞘套的形成与演化是高速飞行器与大气相互作用的复杂物理化学过程，其电子密度、碰撞频率、厚度及空间分布等核心参数，主要由飞行器飞行状态、飞行器结构与材料特性、再入/飞行区域的大气环境三大类因素共同决定。这些因素通过改变空气压缩程度、气动加热强度、电离效率及烧蚀产物组分，最终决定了等离子鞘套对通信信号的衰减程度和黑障持续时间。
（1）飞行速度：这是最核心的影响因素。速度越快，与空气的摩擦越剧烈，产生的热量越高，空气电离程度就越强，电子密度越高。
（2）飞行高度：大气层的密度随高度变化，高度越低，空气密度越大，摩擦产生的热量越难扩散，等离子鞘套的电离程度越高、厚度越大；反之，高度越高，空气越稀薄，等离子鞘套越稀薄。
（3）飞行器外形：外形越“尖锐”（如导弹弹头），头部空气压缩越剧烈，等离子鞘套主要集中在头部；外形越“平缓”（如飞船返回舱），高温分布更均匀，等离子鞘套也会包覆更多表面。
（4）材料特性：高温下飞行器表面材料熔化、汽化并释放烧蚀产物，其电离能远低于空气分子，会使局部电子密度提升 1~2 个数量级。不同材料影响差异显著，如碳基复合材料会加剧电离，而碱金属掺杂也可提升电子密度。
（5）大气环境：大气层中的湿度、杂质含量等，也会影响空气的电离难度——湿度越大、杂质越多，越容易被电离，等离子鞘套的电子密度也会略有提升。
等离子鞘套如何“干扰”信号？
等离子鞘套是一种极端的电磁环境，就像电磁信号无法穿透金属一样，对信号有屏蔽作用，而且由于它具有流动性、参数跨度大、动态性强等特殊性，电磁信号（如通信信号、雷达信号等）遇到它时，会发生一系列复杂的电磁效应，不仅衰减信号，反射信号，还会调制信号。
我们不必纠结于复杂的公式，只需明白：等离子鞘套就像一个“信号捣乱者”，会通过以下几种方式干扰电磁信号，每一种效应都对应着不同的“捣乱手段”：
（1）透射与反射效应：当电磁信号遇到等离子鞘套时，一部分信号会尝试“穿透”鞘套（透射），另一部分则会被鞘套“反弹”回去（反射），就像光线遇到镜子会反射、遇到毛玻璃会穿透但变模糊一样。
（2）信号衰减效应：即便是能穿透等离子鞘套的信号，也会在传播过程中出现“能量流失”。等离子鞘套中的自由电子会与信号相互作用，吸收信号的能量，导致信号强度不断减弱，最终可能弱到无法被接收——电子密度越高、碰撞频率越高，信号衰减越严重，严重时信号完全阻断。
（3）信号相变与调制效应：信号穿过等离子鞘套后，其相位会发生变化（相变），同时信号的幅度、频率也会被等离子鞘套“改造”（调制），就像我们说话时被杂音干扰，声音变得扭曲、模糊一样。这种效应会导致信号失真，地面控制中心无法准确解读飞船传输的信息。
（4）色散效应：不同频率的电磁信号，在等离子鞘套中的传播速度不同，就像不同颜色的光在水中的折射速度不同一样。这种效应会导致信号的波形被“拉长”或“压缩”，进一步加剧信号失真，尤其是对于宽带信号，色散效应会让信号变得杂乱无章，无法被正常解码。
团队成果入选国家“十三五”科技创新成就展
以上四种效应的强弱随信号频率呈现截然不同的幅度与相位变化规律，这是选择通信频段对抗黑障的核心依据。等离子鞘套的截止频率是一道关键门槛：低于它，信号几乎全反射；接近它，幅度衰减最剧烈、相位变化最大，是黑障通信中断的主因；远高于它，衰减急剧减小、相位变化平缓，信号可基本完整穿透。这正是传统 S、C 波段在黑障区失效，而 Ka 波段、激光通信成为主流突破方向的根本原因。
这些看似抽象的电磁效应，带来的后果十分明显，对于飞行器的测控通信、导航制导、目标探测都具有严重影响：
（1）测控通信领域：等离子鞘套严重时导致通信中断，地面无法实时监测航天器的状态，也无法向航天器发送指令——如果航天器在黑障期间出现故障（如姿态偏差、设备故障），地面无法及时干预，可能导致航天事故；同时，航天员在黑障期间处于“孤立无援”的状态，不仅要承受身体上的不适，还要应对可能出现的突发情况，心理压力极大。
（2）雷达探测领域：等离子鞘套不仅会屏蔽通信信号，还会干扰雷达信号。当雷达信号照射到包覆着等离子鞘套的飞行器时，会被大量反射和吸收，导致雷达无法准确探测到飞行器的位置、速度和姿态，出现“探测失效”的问题。
（3）导航与控制领域：等离子鞘套会屏蔽北斗、GPS等卫星导航信号，使飞行器失去实时高精度的位置、速度与姿态基准，只能依靠惯性导航系统维持飞行。但惯导误差会随时间累积，黑障持续时间越长，定位偏差越大，将严重削弱飞行器的自主控制能力和落点精度，甚至引发飞行失控风险。
随着高超音速飞行器的快速发展，等离子鞘套的干扰问题也越来越突出，成为制约航天飞行器信息技术的重要瓶颈。
中国团队的探索与成果
面对等离子鞘套带来的“黑障难题”，西安电子科技大学测控通信团队从2009年开始，在包为民院士的带领下，开启了十五年的攻坚克难之路——从基础研究到理论创新，从方法提出到技术突破，从装置研制到系统验证，努力破解这个世界级难题，一步步脚踏实地，让“黑障不黑”从梦想走向现实。
2013年，团队牵头承担的国家“973计划”项目“临近空间高速飞行器等离子体鞘套信息传输理论”获批，这是西电首个民口973项目，标志着团队全力聚焦等离子鞘套的核心难题——信息传输。
项目启动之初，团队对等离子体与电磁波相互作用的物理机制认识不清，缺乏等离子鞘套信道模型和信道描述，研究停留在假设与仿真层面，不具备真实鞘套环境的实验验证。包为民院士指出：“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，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。”包院士对黑障问题战略价值的论述，坚定了团队艰难探索自主创新的决心。
团队聚焦等离子体与电磁信号相互作用机制、动态等离子鞘套对通信信号寄生调制机理、等离子鞘套综合信道模型和探测方法、以及通信关键技术等难题，在物理机理和信息传输技术方面取得了重要突破，在国际上首次建立了高速飞行器等离子体鞘套信道模型，提出了物理信道感知协同处理通信方法，实现了“临界黑障区（鞘套较稀薄区域）通得好、严重黑障区（鞘套较致密区域）通得了”的总体目标，项目最终被评为“信息领域仅有的两项优秀项目之一”，为我们后续的研究奠定了坚实的理论和技术基础。
团队面临另一个更大的挑战：如何在地面上真实模拟航天器再入时的等离子鞘套环境？
从需求出发团队试图研制自己的装置，从一代到二代装置他把所过程，终于2016年团队获批国家自然科学基金委员会国家重大科研仪器研制项目，启动了“高速目标等离子鞘套模拟及电磁科学研究”实验方法和仪器研制，实现了西电国家重大科研仪器项目“零”的突破。
联合团队攻克了一个又一个技术难关：首先解决“高温等离子体产生”的问题，采用感应加热的方式，将空气加热到上万摄氏度，使其电离形成等离子体，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中，突破了等离子体多参数耦合匹配优化的关键技术；其次解决“等离子体参数精准调控”的问题，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，能精准模拟出电子密度、碰撞频率跨多个数量级的动态等离子体；特别是解决“高温环境下的电磁测量”问题，设计研制一个直径7米、长3米的大型真空暗室，采用水冷和增加传导距离的方式，实现高效冷却，确保电磁测量能在高温、强干扰环境下正常进行。最终成功研制出了国内首个高速目标等离子体电磁科学实验研究平台，能模拟等离子鞘套的3种典型特征，实现对等离子体参数的高精度诊断和信号空时频极化多维特征的一体化测量，填补了国内在地面模拟等离子鞘套环境开展电磁实验研究装置的空白。
2021年，在建党百年之际，我们研制的“临近空间高速目标等离子体电磁科学实验研究装置”及等离子体鞘套反射测量装置，成功入选国家“十三五”科技创新成就展，2022年，项目顺利通过验收。
依托实验平台，我们首次在地面上实现了从L到Ka频段黑障现象的复现，完成了等离子体包覆目标的雷达散射截面测量和合成孔径雷达成像，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。取得了一系列实用成果：提出动态自适应的抗黑障通信新方法，通过自适应调频算法，实时调整信号频率，匹配等离子鞘套的动态变化，缩短了Ka频段（30GHz）黑障时间；提出了低频电磁波和抗黑障一体化低频通信系统，利用等离子体对特定低频信号的“透明窗口”，让信号能顺利“穿透”黑障。
更让人欣慰的是，在团队负责人李小平教授、刘彦明教授的带领下，在项目研制过程中，一批青年骨干迅速成长、勇挑重担。团队培养出了国家级青年人才谢楷教授、白博文教授，省部级领军人才石磊教授、杨敏教授等杰出青年学者，形成一支富有活力的省级创新团队，平均年龄不足 40 岁，刘东林副教授28 岁投身项目攻关，36 岁已成长为仪器装置研制的核心骨干。团队全体成员以青春赴使命，以坚守破难题，脚踏实地深耕等离子鞘套基础研究与关键技术攻关，努力让航天器返回更安全、更可靠，让 “黑障” 不再成为制约我国航天事业发展的心头之患。
等离子鞘套研究的发展与前景
随着航天事业的快速发展，以及高超音速技术的不断突破，等离子鞘套的研究不再局限于“解决黑障通信”，而是逐渐延伸到更多领域，其研究成果将对航天、国防、民用等多个领域产生深远影响，未来的发展前景十分广阔。
（1）航天领域：未来，随着黑障通信技术的成熟，将广泛应用于载人飞船、货运飞船、深空探测器等航天器，提高航天任务的安全性和可靠性；同时还将助力深空探测任务，比如火星采样返回、木星探测等，解决深空环境中信号传输的难题，让地面能更精准地接收深空探测器的实时数据，为科学探索提供支撑。
（2）国防领域：利用等离子鞘套对雷达信号的屏蔽和干扰特性，降低装备被雷达探测到的概率，实现“隐身突防”，提升突防能力；突破等离子体的屏蔽干扰，实现对高超目标的精准探测，形成“攻防兼备”的技术体系。同时，等离子鞘套的主动调控技术，可起到“隐真示假”作用，提升装备的生存能力。
（3）民用领域：等离子鞘套的相关技术将逐步走进日常生活，带来多领域的革新。在航空领域，利用等离子鞘套的调控技术，降低飞行时的空气阻力和气动加热，提升飞行速度，缩短跨洲际飞行时间；在新能源领域，研发高效清洁的等离子体发电技术，助力“双碳”目标实现；在材料领域，利用等离子鞘套的高温特性，可开展新型耐高温、耐腐蚀材料的制备与改性；在医疗领域，等离子体技术可延伸出新型消毒、灭菌手段，研发更安全、高效的医疗消毒设备。
（4）前沿交叉领域：等离子鞘套的研究还将推动多个交叉学科的发展，比如量子通信领域，可利用等离子鞘套的电磁调控特性，解决量子信号在大气中传输的衰减、失真问题，提升量子通信的稳定性和传输距离；，结合等离子鞘套的动态参数变化，通过人工智能技术，实现对复杂电磁环境的实时感知和调控；空间天气领域，可通过研究等离子鞘套与高层大气的相互作用，完善空间天气预警体系，为卫星运行、航天发射提供更精准的环境预警。
从神舟归航的“失联时刻”到地面实验平台的建成，从理论突破到成果落地，等离子鞘套的研究之路，是一代代科研工作者脚踏实地、攻坚克难的探索之路。它不仅致力于破解困扰全球航天领域的“黑障难题”，更将触角延伸到国防、民用、前沿交叉等多个领域，为科技强国建设注入强劲动力。未来，随着研究的不断深入，等离子鞘套的神秘面纱将被进一步揭开，其技术成果也将持续赋能各行各业，让航天更安全、技术更先进、生活更便捷，而我们团队也将继续坚守初心、深耕细作，在探索极端电磁环境的道路上，书写更多属于中国科研的精彩篇章。
