当航天器再入大气层时可能发生的令人沮丧的通讯中断，曾在太空时代的早期引发了一些紧张时刻——也许最令人难忘的是在受损的阿波罗 13 号任务期间。但这种现象也可能影响到美国空军目前正在考虑的新型飞机和武器系统的通讯，空军希望找到突破通讯中断的方法。
这个问题 возник 在于，当高速飞行器加热前方空气时，会将其电离成等离子体，从而阻挡无线电传输。这类似于飞机达到马赫数 1 并突破音障时产生的冲击波。对于再入航天器和高超音速飞机，等离子体冲击边界形成于约马赫数 10 的速度。航天飞机避免了通讯中断，因为航天器宽阔的底部在尾随的等离子体羽流中留下了一个开放区域，使得通讯和遥测数据能够通过卫星网络中继到地球。但较小的飞行器完全被等离子体吞没。
这引起了空军的担忧，空军计划开发飞行系统，可能包括高超音速导弹、侦察飞行器，甚至可能达到马赫数 10 以上的载人飞行器。“我们在测试和评估领域的标准范式是，我们有一个空中飞行器，地面上有人，并且有遥测数据流下来，以便人们可以监控飞行器，”爱德华兹飞行测试中心的查尔斯·H·琼斯研究员解释道。除了切断测试飞行器与地面之间的联系外，等离子体通讯中断还会阻止有时在测试飞行器偏离航向时必需的自毁信号。
支持科学新闻事业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保未来能够继续讲述关于塑造我们当今世界的发现和构想的具有影响力的故事。
另一个关键的担忧涉及卫星导航信号。“军方正变得越来越依赖 GPS 系统，”马里兰大学航空航天工程师、前空军首席科学家马克·刘易斯指出。琼斯对此表示赞同，他在空军科学研究办公室 (AFOSR) 2006 年在波士顿赞助的关于通讯中断问题的会议的最终报告中写道：“接收 GPS 是我们最需要找到解决方案的最关键能力……GPS 也是最困难的问题，因为它固有的信号很弱。”
琼斯一直是这个问题上的一种呼声。“马赫数 10 的设计目前还不太常见，”他指出，因此“对很多人来说，这不是一个紧迫的问题。” 但是，随着他所谓的“等离子音速”马赫数 10 领域中新的更高速度概念开始出现，这种现象正引起越来越多的关注。
2006 年的会议揭示了不乏可能的解决方案。构想包括设计飞行器的外形，以最大限度地减少由此产生的等离子音速鞘套；在前缘前端构建一个“空气尖钉”，使其突出到等离子体外部；寻找可能不受电离影响的频段；干脆用极其强大的发射器强行突破；以及使用亲电子注入，这意味着将一种去电离物质（最可能是水）分散到等离子体鞘套中以破坏它。更奇特的想法包括使用高功率激光器或弹射一系列微型中继设备，类似于漂流瓶中的信息。
尽管所有提出的解决方案在理论上都是可行的，但刘易斯指出，“接下来的问题是，从工程角度来看，它们是否实用？” 例如，注水构想实际上早在 1960 年代的“双子座”计划期间就尝试过。但一个可操作的版本将需要携带过多的水才能实用。
然而，亲电子注入的一种变体可能是一个强有力的竞争者，即使用由烧蚀材料制成的隔热罩，该材料会汽化自身的一部分并使等离子体去电离。“就工程解决方案而言，这似乎是最简单的，”琼斯说。与此同时，刘易斯认为自己是“一个坚定的不可知论者。我们有很多途径可以探索，我认为我们仍然处于应该将所有这些途径都摆在桌面上的阶段。” 琼斯指出，最有可能需要结合多种技术才能满足所有预期的应用。
到目前为止，琼斯表示，唯一真正的共识是“我们没有足够的实验数据来验证任何模型。” 为研究许多人认为的长期问题而提供的资金一直难以获得。尽管计算流体动力学和风洞实验可以提供重要的线索，但实际的解决方案可能需要实际的飞行测试，而这很昂贵。
无论如何，工程师们都必须克服等离子体通讯中断，才能迎来高超高超音速（或等离子音速）世界。考虑到一辆以每小时 10,000 英里以上的速度行驶的失控飞行器的危险性，琼斯说“我不想要一辆我无法通讯的、可能已武装的马赫数 15 的自主飞行器”时，绝不是在开玩笑。
注：本文最初以“冲破等离子体”为标题印刷。