突破黑障通信，顺带破了等离子隐身？这就是高超自由王国的气派

赋明通

“主控人员依次发出主回路启动、加热启动、通入氩气、增加电压等指令，看着发生器内慢慢发出的亮光一下子变成梭子形状，团队人员激动地呼喊起来：成功了！成功了！”，这是我国“临近空间高速目标等离子体电磁科学实验研究装置”首次点火作业时的场景记录，该装置已于去年完成验收工作。

另外还有一件事，就是近日美空军负责人肯德尔对外界披露，近期由B-52H轰炸机挂载发射的AGM-183A高超音速导弹飞行试验再次失败，在加利福尼亚州外海进行的这次飞行试验没有获得有效数据，该型导弹历经5次试射，仅一次成功，期间甚至还有三连败，项目前景已经非常暗淡。
对此，美空军已经表示，由于测试过程中频繁出现问题，即便原型设计阶段工作结束，也不会继续采购AGM-183A高超音速导弹。

B-52H挂载AGM-183A试飞

现如今，美国的高超音速武器项目不可谓不多，但是最终能收获成功的项目却寥寥无几，这又是为什么？
由此笔者不禁联想到六年前在福建厦门召开的“第21届AIAA国际航天飞机和高超声速系统与技术大会”，这是一次对公众颇为低调，但对业界却颇为震撼的大会，标志着世界高超音速飞行研究中心的“东移”，而在更早以前美防务部门就承认，中国在过去十年的高超音速飞行试验是他们的20倍。

在过去美国航空航天界在高超音速飞行领域是当之无愧的手执牛耳者，航天飞机在载人航天以及货运发射领域的大规模应用就是典型案例，除此之外，在上个世纪他们还有X系列验证飞行器用于高超音速飞行研究。

奋进号航天飞机在加州科学中心陈列展示

然而现如今的种种迹象表明，美国在高超音速领域与我们的差距正在越拉越大。
造成这种差距的根本原因在于战略决策，以及由决策导致的资源分配差异问题，我们在高超音速领域属于后来者，但可以用数十倍于对手的投入赢得领先。
前面提到的“临近空间高速目标等离子体电磁科学实验研究装置”是用来做什么的？通俗点说，就是可以用来解决两大战略性技术难题：“黑障通信”与“雷达探测等离子体包覆的隐身目标”。

随着我们的载人航天工程进入空间站时代，每年都有两艘神舟载人飞船发射与两艘神舟载人飞船返回任务，“黑障”也随之成为了各路媒体报道的高频词。
神舟载人飞船的研制初衷就是作为载人天地往返的运输工具，目前掌握这一能力的放眼全球仍然只有3家，这项能力的一个核心技术难点便是载人返回的安全性。

对接于空间站径向端口的神舟载人飞船

在每一次神舟载人飞船返回任务中，返回舱都需要搭载航天员再入大气层，再入速度通常高达22马赫，返回舱与高空大气的高速摩擦过程中迎风面前端空气被剧烈压缩，温度可以达到数千摄氏度，高温又使得空气电离，形成一层包覆于航天器表面的“等离子鞘套”。

飞船返回舱再入大气效果图

等离子体鞘套中具有的大量“自由电子”对电磁的传播影响很大,它所起到的作用就如同隐身飞机一样，对电磁波具有散射作用，从而对高速飞行器的通信和探测造成严重影响，人们将这种通信屏蔽现象称为“黑障”。
载人飞船返回舱返回地球过程分为4个阶段，依次是动力减速段、气动减速段、降落伞减速段、着陆缓冲段，而黑障现象则发生于返回舱依靠自身气动外形与大气阻力进行减速的气动减速段。

返回舱过黑障阶段飞行实拍画面

在经历黑障过程中，不仅舱外温度升高，舱内温度也处于升高状态，而地面无法与返回舱通信，就不能完全掌握返回舱飞行数据以及航天员的生理数据，此阶段目前能做的只有等待，是一段比较煎熬的时段，而这一问题自加加林首上太空以来已经困扰了人类半个多世纪。

黑障过程中航天员通过返回舱舷窗看到的景象

已经建成的“临近空间高速目标等离子体电磁科学实验研究装置”是专门为突破黑障通信技术研制的大型实验装置，投入运行以来在较短的时间内已经在地面实现了从L到Ka频段黑障现象的复现，提出了低频电磁波和动态自适应的抗黑障通信新方法，并得到了地面实验验证。
这套抗黑障通信新方法是怎么验证的呢？
那就是通过“临近空间高速目标等离子体电磁科学实验研究装置”完整复现航天器再入大气黑障阶段的等离子鞘套，并基于这一现象进行通信新方法验证，研究团队采用感应加热的方式将空气加热到上万摄氏度，电离形成等离子体，同时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，提出了等离子体动态特征模拟新方法。

“将空气加热到上万摄氏度高温”，仅这一指标就已经大幅超出了神舟飞船返回舱再入大气的最高温度，甚至也超出了载人登月与载人登火任务中月地再入返回、火地再入返回的温度指标。不得不说，我们的目标真的是星辰大海。
抗黑障通信技术的突破，意味着我们的新一代载人飞船有望集齐当今世界几乎所有的顶尖载人航天技术，该飞船内部居住空间是世界第一大，应用的碳基微烧蚀隔热材料同样是跨代领先产品，还有实现返回舱指哪落哪的自适应预测校正制导技术，返回舱还应用了利于重复使用，且是世界最大推力的安全性极高的单组元无毒无污染发动机，再加上黑障通信，这几乎就是当今人类可以拿出来的最为完美的载人飞船产品。

新一代载人飞船试验船

然而黑障通信技术的突破所服务的目标却远不止于载人飞船，以往人们将航空与航天给出了严格的定义限制，就是100公里以上属于航天，100公里以下空域属于航空，此种限制也是过去人类无法将这两个空间进行有机融合的能力限制，而现在人类将大举进入一个全新的飞行领域：临近空间飞行。
临近空间通常是指20至100公里的高度层，是衔接航空与航天的空域，在这一高度层通常是大部分传统航空器的飞行上限，也是传统航天运载工具无法长时间逗留的空域，但如果能得到更好的利用，不仅可以大幅提升进入太空的效率，也可大幅提升航空飞行效率。

临近空间

在临近空间，因为大气稀薄飞行阻力低更适合高超音速飞行，然一旦进入高超音速飞行，黑障现象就可能出现，尤其是适合航空航天飞行的“跨域飞行器”。比如航天飞机或空天飞机在进行跨域飞行时就需要再入大气层，如果具备黑障通信能力，此类运载工具将更加可控可靠，意味着我们即将进入高超自由王国新阶段。
除此之外，黑障通信还可以帮助具备战斗部末段精确制导功能的弹道导弹，以往只能在飞行速度下降至一定区间突破黑障之后才能开启探测载荷，具备穿透黑障的能力之后，就可以尽早开启探测载荷，从而具备针对高动态时间敏感性目标的精确打击能力。

临近空间无人机

黑障通信研究还有一项利好，就是科学家们发现雷达探测领域也面临等离子鞘套引起目标探测失效的困扰，而“临近空间高速目标等离子体电磁科学实验研究装置”也可对这一课题开展深入研究，就是在等离子环境下开展电磁实验。
其实，这就是探测等离子体的雷达隐身问题，谈到这个事想必大家都不陌生，毕竟等离子隐身也是谈论多年的一个话题，其原理就是等离子体散射雷达发射的电磁波，使雷达无法接收回波，从而实现隐身。

此技术被认为是飞机可不改变气动外形就能实现隐身的新一代隐身技术，但由于传统航空器的等离子发生器的应用难度较大，目前仍然是一种停留在实验室研究层面的技术。
虽然传统航空器等离子隐身仍属于未来选项，但探测等离子体隐身目标却早已是现实需求。
比如高速再入的导弹战斗部、载人飞船再入返回的返回舱、地外天体采样飞船的再入返回舱等目标，雷达对这类包裹着等离子鞘套的目标也存在难以有效探测的问题，未来随着空天飞行器，以及各型高超音速武器的爆发式发展，对等离子体隐身目标的探测需求会更加旺盛。

就如同只有拥有隐身战机才能真正懂得反隐身作战一样，作为全球首屈一指的高超音速装备大国，我们已经将目光转向了下一个领域，既追求能力更强的高超音速装备，又追求针对高超音速装备的探测与拦截能力。
如果依照原设计，“临近空间高速目标等离子体电磁科学实验研究装置”既要开展黑障通信研究，又要进行等离子体目标雷达散射研究，而等离子体通常有数千摄氏度高温，就很难进行准确的电磁测量。

为此科学家们提出加装一个具有高效冷却结构和合理热传导时延的大型真空暗室，就可以解决这一问题。
这个大型真空暗室重约90吨，长3米，而直径则达到了7米，比CZ-5大火箭的5米直径还要大，这就对陆上运输提出了更加苛刻的要求，比如由于高速公路限宽而无法通过，为此协调其他部门专门拆掉了3个收费站，最终跨越一千多公里才运抵目的地。
目前我们已经通过“临近空间高速目标等离子体电磁科学实验研究装置”成功实现等离子体包覆目标的雷达散射截面积（RCS）测量，这意味着我们距离真正掌握反等离子体隐身目标能力的日子已经越来越近。

以子之矛攻子之盾，这是武器装备领域的发展常态，我们既要反隐身，同时也要追求隐身。如图所示，事实上，高超音速目标先天具有隐身特性，但并不是速度越高隐身效果越好，恰恰是在某一速度区间、高度区间才能实现最好的隐身效果，而这也给高超音速装备的发展带来了新的启示，正如同昔日针对弹道导弹的难隐身问题，研制虽然速度更慢，但可低空飞行规避雷达探测的巡航导弹一样，高超音速装备也可针对隐身飞行域专门定向发展。

高超声速飞行器的等离子体鞘套研究方法有很多，比如有飞行实验、地面实验、模拟仿真，其中飞行实验可以获得最真实的数据，但此方法耗资巨大，且没有重复性，并不利于研究的高效率持续开展，在飞行实验基础上结合地面实验及仿真实验，可以收获事半功倍之效。

除了“临近空间高速目标等离子体电磁科学实验研究装置”，我们还可以利用高焓激波风洞开展等离子体包覆目标的电磁散射测量实验，此类装置我们还有很多。
正是我们提早布局集智攻关，全国一盘棋，劲往一处使，才能在此等战略技术领域实现后来居上逆势反超。
反观大洋彼岸的军工复合体则已经走上了末路，按照一般意义而言，买方需要什么，卖方就要造什么，这是“买方市场”，但由于军工复合体的影响力日益增大，现在他们已经形成了“卖方市场”，就是卖方造什么，买方用什么，如此一来就势必会脱离实战需求，时间线再拉长，落后的因素就会持续积累，而量的积累最终会引起质变，最终的落后结局就难以避免。
所以，他们就此落后，可以说一点都不冤。