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哈工大研究能保持通讯交流的大气层飞行器
作者:澳门皇冠    来源:皇冠体育    2019-12-23 06:15

  通过匹配通讯天线与飞行器超音速等离子鞘层的共振,研究者们提出了一种新方法能够使重返大气层的飞行器与地面保持通讯交流。

  如艺术家概念中所描绘的阿波罗指挥舱,当太空飞船进入大气层时,包裹它的等离子鞘层会切断飞行器与地面的通讯联络信号。(NASA)

  电影《阿波罗13》讲述了1970年登月任务失败后,3名宇航员最终成功重返地球的故事。在影片的结尾部分,飞船重返地球进入大气层时被高温离子气体所环绕,中断了与位于休斯顿的美国国家航空航天局太空飞行指挥中心的通讯联系。当飞船控制台发出的讯号始终无人应答时,每一秒钟都是煎熬。

  这个剧情不只是好莱坞电影制作团队创造出来的桥段,阿波罗13号的通讯中断比预想的时间还要长,这更添悬念,但即使是常规的通讯中断也会带来焦虑和恐慌,因为这样一来,地面就无法得知或者控制飞船的位置和状态。

  “重返地球的飞行器一旦通讯中断,你唯一能做的就是祈祷,”哈尔滨工业大学的物理学者高孝天说。

  为了解决这一问题,高和他的同事江滨浩提出了一种与重返大气层的飞船保持联络的新方法。该方法也可被用在其他的超音速飞行器上,比如未来的军用飞机和弹道导弹。在本周由美国物理联合会出版的《应用物理杂志》中,他们探讨了这一新方法。

  超音速飞行器之所以会出现通讯中断的现象,是因为当它以超过声速5倍以上的高速度飞行时,会被一层高热的离子气体包裹,这层气体被称作等离子鞘。这种等离子鞘在绝大多数的情况下都会反射电磁波信号,切断飞行器与外部的联系。但是,在某些特殊的情况下,等离子鞘却能实际地增强通讯天线的电磁辐射。

  高和他的同事认为通过重新设计通讯天线,便有可能在常规的超音速飞行中复制这种特殊情况。研究者们先是分析了以往的实验,发现这种特殊的信号增强是源于等离子鞘和周围空气之间的电磁波共振。研究者们于是提出了在常规的通讯天线外另加一种“匹配层”的方法来实现在常规的超音速飞行条件下的共振状态。

  匹配层的工作原理更像天线电路中的电容器--一种储存电能的电子元件,高解释说。而等离子鞘,则更像电感器,能够阻止通过它的电流发生变化。当电容器和电感器配对工作时,就可以形成共振电路。一旦共振形成,能量便在二者之间稳定无损耗地交换,就像真正的电容器和电感器在电路里工作的那样,”高说。“其结果是,电磁辐射波将能穿透匹配层和等离子鞘继续传播,仿佛它们不存在一样。”

  为了形成共振,匹配层和等离子鞘层的厚度必须小于传播信息的电磁波波长,所以如果天线频率过高,该方法将不起作用,高说。

  在飞行过程中,等离子鞘层的性质会发生改变,但是高和他的同事都认为如果匹配层是由电磁性质可随着电信号而改变的材料制成,那么它就能够跟得上等离子鞘层的改变。

  “我们不必具体地知道等离子鞘层的性质,但我们需要知道这些性质的变化范围。匹配层的调整是由自动控制系统来实现,因此我们只需要知道要调整范围以确保整个系统能够正常工作,”高说。

  该研究组并不是第一个试图解决飞船通讯中断问题的科学团队,但他们的方法却优于其他方法。比如,相较其他的诸如通过施加磁场控制等离子层中的电子,或者向等离子层中注入液体以减少电子密度等方法来说,产生匹配层的所需要在飞船上配备的仪器重量轻很多。“匹配层”方法还不依赖于飞行器的形状,因此不会消耗更多的能量,也能适应等离子鞘层的变化。

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