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中国航天,攻克黑障,全程可控

2025-10-10

在我们的日常生活中,最让人心烦的时刻之一,莫过于正在进行一通重要电话时,信号突然中断。

那种瞬间的失联感,足以让人焦虑。

现在,请您将这种焦虑感乘以一万倍,就能稍微体会到过去几十年里,全世界航天工作者在等待航天器返回地球时的心情。

一个承载着宇航员生命和国家荣耀的航天器,以肉眼无法捕捉的速度冲向地面,却在最关键的几分钟里,从所有雷达屏幕上凭空消失,音讯全无。

地面指挥中心能做的,只有紧握拳头,对着沉默的屏幕祈祷。

这个让航天器暂时“失明、失聪”的神秘现象,就是困扰了全球航天界长达八十年的技术天堑——“黑障”。

美国和前苏联,这两个曾经的航天超级大国,投入了难以估量的资源,经历了无数次尝试,最终都未能彻底攻克它。

然而,历史在2023年被改写,当中国神舟飞船返回舱发出了一声清晰的“243”应答信号时,全世界的同行都明白,这道曾经被认为无法逾越的屏障,被中国人用智慧和毅力跨过去了。

要理解这项突破的伟大之处,我们首先得弄清楚这个“黑障”究竟是什么。

它听起来很神秘,但原理其实并不复杂,核心就是因为航天器返回地球时的速度太快了。

当返回舱从数百公里高的太空轨道,以超过音速二十倍(约每秒7.9公里)的惊人速度冲入地球大气层时,它就像一颗高速飞行的子弹撞上了一堵厚实的墙。

返回舱前方的空气来不及散开,被急剧压缩,温度在瞬间会飙升到数千甚至上万摄氏度,这个温度比太阳表面的温度还要高。

在如此极端的高温下,空气中的氮气、氧气等分子结构被破坏,原子外的电子被剥离出来,形成了一团包裹着整个返回舱的高温等离子气体。

这团炽热的、不稳定的气体云,就是“黑障”的真面目。

它的物理特性,就像一个致密的金属罩子,能够强烈吸收和反射无线电波。

地面指挥中心发出的任何指令信号,都无法穿透这层“罩子”;同样,返回舱想要向外发送自己的位置、状态等遥测数据,也全都被死死地屏蔽在里面。

这就造成了在穿越大气层的几分钟到十几分钟内,航天器与地面彻底失联,变成了一个在宇宙中“盲飞”的孤岛。

这段时间,地面无法进行任何干预,只能被动等待,每一秒都充满了巨大的不确定性和风险。

面对这个棘手的难题,美国和苏联作为航天领域的先行者,曾进行过几十年的艰苦探索。

苏联的科学家们曾设想过一种方案,叫做“喷流扰动技术”。

通俗地说,就是在返回舱上安装一个装置,在进入黑障区时,向等离子体云喷射特殊的液体或气体,希望能在这个严密的“罩子”上强行“冲”开一个短暂的缺口,让通信信号能够趁机溜出去。

这个想法虽然很有创意,但在实际应用中却困难重重,不仅增加了返回舱的复杂性和重量,而且那个“缺口”也极不稳定,通信效果难以保证。

而美国则尝试了多种技术路径,比如利用强磁场在等离子体中“拧”出一个通道,让电磁波通过,这被称为“等离子体窗口”;或者尝试给返回舱外壳进行特殊冷却,以减少等离子体的产生。

这些方案在理论上听起来都有一定的可行性,但要将如此复杂、高能耗的设备集成到寸土寸金的航天器上,工程难度和技术风险都太大了。

最终,经过反复的试验和论证,两大航天强国都选择了妥协。

他们承认“黑障”在现有技术条件下是无法彻底消除的,只能想办法去适应它。

他们的策略是,通过优化返回舱的气动外形,尽量缩短黑障持续的时间,同时为返回舱预设好一套完整的自动飞行程序,让它在这段“失联”的时间里依靠自身的计算机和传感器自主飞行。

这就像是让一位司机在进入一条漆黑的隧道前,设定好方向盘角度和车速,然后就只能期望隧道里没有任何意外发生。

这种做法虽然无奈,但在当时已经是最好的选择,但也意味着他们默认接受了这段时间内潜在的巨大风险。

中国航天的科研人员在面对这个世界级难题时,展现了与众不同的东方智慧。

我们没有选择与这堵坚不可摧的“火墙”进行正面硬碰,而是换了一个思考角度:既然无法将整堵墙推倒,那么我们是否能在这堵墙上找到一条极其微小的缝隙,哪怕这条缝隙只能存在零点几秒,只要能让一丝信号透出来,就足够了。

带着这个朴素而大胆的想法,中国航天科技集团五院503所等单位的科研团队,开始了长达十余年的攻关。

他们没有捷径可走,只能依靠最扎实的办法。

他们在实验室里建造了能够模拟黑障环境的设备,日复一日地制造出“人造等离子体火球”,然后用各种不同频率、不同角度的电磁波去进行海量的测试。

这项工作枯燥且漫长,就像是在一片嘈杂的噪音中,试图分辨出某一个特定频率的微弱声响。

经过成千上万次的失败和数据分析,他们终于发现了一个规律:在某个特定的甚高频(VHF)频段,当信号以一个极其精确的角度入射时,确实有一部分极其微弱的能量能够穿透等离子体云的屏蔽。

这个发现,为解决黑障通信问题撕开了一道关键的口子。

接下来的工作,就是将这个理论发现转化为可靠的工程应用。

科研人员们像雕刻艺术品一样,一毫米一毫米地调整返回舱上通信天线的形状、材料和安装位置,每一个微小的改动,都需要进行复杂的电磁仿真计算和大量的地面模拟试验,最终才找到了那个能够稳定捕捉到“缝隙”信号的最优方案。

然而,仅仅能让信号“漏”出来还不够,如何能在广阔的天地间,准确地“接”住这个比萤火虫的光还要微弱、持续时间不到一秒的信号,是另一个巨大的挑战。

这就需要一个强大而高效的系统工程来支撑。

2023年6月4日,当神舟十五号飞船返回地球时,一张早已部署好的“天罗地网”悄然启动。

在地面,分布在着陆场周边的多个大型测控雷达站同时开机,像不知疲倦的哨兵一样扫描着天空;在空中,由运输机和直升机组成的空中测量梯队盘旋待命;在太空,中国的北斗导航卫星系统也参与进来,提供高精度的定位支持。

这是一个陆、海、空、天一体化的协同作战体系。

当返回舱进入黑障区后,整个系统根据预先计算好的弹道数据,对信号可能出现的空域进行“重点盯防”。

当那个携带着“243”识别码的微弱信号,如同一颗转瞬即逝的流星划过天际时,被这张大网上的多个节点同时捕捉到。

后台的超级计算机在毫秒之间就完成了信号的校验、解码和定位解算,精确地计算出了返回舱的实时位置和飞行状态。

因此,当指挥大厅里响起“243”的报告声时,它代表的不仅仅是通信的恢复,更是中国航天强大系统整合能力和精准测控能力的集中体现。

它意味着,我们的航天员回家之路,再也没有了那段令人揪心的“盲飞”时刻,从出舱到落地,全程都在地面人员的“注视”之下。

这项成就的背后,没有惊心动魄的奇迹,只有一代代航天人甘坐冷板凳,十年磨一剑的坚持与奉献,是中国科研人员用实干和智慧,一步一个脚印,最终走通了这条别人未能走通的道路。

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