等离子体会形成通讯黒障

胡杨林

简单来说，“离子态”形成的等离子体鞘套像一个电磁波的“镜子”或“墙壁”，将信号反射或吸收，穿不进去，从而导致通信中断，也就是我们常说的 “黑障”。

一、核心原理：等离子体对电磁波的屏蔽

黑障的本质是等离子体对特定频率电磁波的屏蔽效应。

1、等离子体：

是物质的第四态，由被电离的原子（带正电的离子）和自由电子组成，整体呈电中性，但其中的自由电子是关键。

2、电磁波：

我们用来通信的无线电波、雷达波都是电磁波。它们需要在介质中传播。

3、相互作用：

当电磁波试图穿过等离子体时，会与其中的自由电子发生强烈的相互作用。自由电子在电磁波的电场作用下剧烈振荡。这个振荡过程会消耗电磁波的能量（吸收），同时振荡的电子本身也会辐射出与入射波频率相同的次级电磁波（反射）。

其综合效果就是电磁波无法有效穿透等离子体。

二、黑障的形成步骤

在航天器再入大气层时，这个过程是这样的：

· 第一步：极端高温产生

航天器以极高的速度（例如7-8公里/秒）冲入稠密大气层。其前端的空气被剧烈压缩，动能瞬间转化为内能，产生高达数千甚至上万摄氏度的极端高温。

· 第二步：空气被电离

在这种高温下，空气分子（氮气、氧气等）的原子核和外围电子被“打散”，分离成带正电的离子和自由电子。航天器周围就被这一层高温、发光的电离气体包裹，这就是等离子体鞘套。

· 第三步：自由电子密度是关键

等离子体对电磁波的屏蔽能力，主要取决于自由电子的密度。电子密度越高，能屏蔽的电磁波频率也越高。再入过程中，航天器前方的电子密度可以高达每立方厘米 10^12 ~ 10^16个电子，足以屏蔽从微波到高频无线电波的绝大部分通信频段。

· 第四步：通信中断

航天器的通信天线发射或接收的信号，在穿过这层高电子密度的等离子体鞘套时，被严重衰减、反射或散射，导致地面站无法接收到清晰的信号，航天器也收不到指令，这就进入了持续几分钟到十几分钟的通信黑障区。

三、影响因素与部分解决方案

1、影响因素

频率：电磁波频率越高，越容易穿透等离子体。这就是为什么在某些情况下，毫米波、激光（光通信） 被认为是克服黑障的潜在技术方向。

天线位置与形状：将天线安装在等离子体相对较薄的区域（如飞行器尾部），或采用特殊的流线型天线罩设计，可以减少影响。

2、部分解决方案

主动调控：科学家在研究通过注入冷却剂、施加磁场或电场等主动手段来改变等离子体特性，降低其电子密度，但目前大多处于理论和实验阶段。

遥测数据预测与回传：在进入黑障前，航天器会提前发送关键数据；出黑障后，会快速回传存储的黑障期间数据。

总 结

离子态（等离子体）屏蔽信号形成黑障的根本原因，在于再入产生的极端高温电离了空气，形成了一层包含高密度自由电子的等离子体鞘套。这些自由电子与通信电磁波发生强烈的相互作用，通过反射和吸收效应，阻断了信号的传输路径。

理解黑障不仅是航天工程的关键挑战，也是等离子体物理和电磁学的一个经典应用案例。

附：等离子体定义与形成条件

1. 等离子体：是物质的第四种状态；

2. 形成条件：被加热至极高温度或受到强电场作用；

3. 特征：原子发生电离，电子脱离原子核束缚形成自由电子与带正电离子，能屏蔽通讯信号；

4. 本质：是由自由电子、离子及未电离的中性粒子共同组成的混合体。