用运动介质的麦克斯韦方程组解释

为什么航天返回舱返回地球时会经历一导致通信中断的黑障区？

Use Maxwell's equations of motion media to explain why the space capsule returns to Earth through a black barrier that causes disrupted communication?

王建安

深圳大学物理系, 深圳, 中国

Jian’an Wang

Department of Physics, Shenzhen University, Shenzhen, China

Email: wja@szu.edu.cn

摘要：

本文用运动介质的麦克斯韦方程组（拓展的马麦克斯韦方程组）探讨了为什么航天返回舱返回地球时会经历一导致通信中断的黑障区的问题，并给出了解释。

Abstract:

In this paper, maxwell's equations of moving medium (extended Maxwell's equations of moving medium) are used to analyze and explain why a space capsule will experience a black barrier area which leads to communication interruption when it returns to earth.

当卫星、航天飞船等空间飞行器以很高的速度返回地球时，在一定高度区域，与地面的通信联络会中断，这个中断联络的区域就是黑障区。黑障区一般出现在地球上空35到80千米的大气层间。从20世纪50年代起人们就开始研究黑障及其消除方法。但直到今天黑障问题仍然是困扰科学界的尚未解决的问题。下面根据上篇博文（科学网—论运动介质的麦克斯韦方程 （拓展的麦克斯韦方程） - 王建安的博文 (sciencenet.cn)）[1]的结论对黑障现象来加以解释：

由于地球的引力作用，地球表面存在一个相对地球静止并随地球一起运动的以太（空间能量）层，所以地球表面一定高度的空间层可以视为静止介质，电磁波在其中遵守静止介质的麦克斯韦方程。

当航天返回舱以很高的速度返回地球时，返回舱接受从地面发出的无线电波时，会出现什么情况？下面我们具体分析：

在两个参考系K(地球) 和 K’ （返回舱）上各取一个固定的坐标系oxyz和o’x’y’z’。为了方便，假设两个坐标系的对应坐标轴互相平行，同时设K’相对K以速度v沿x轴的正方向运动，并且在t=t’时两坐标系的原点o和o’重合。 根据修正的光速不变原理10.4236/jmp.2019.1014107.[2]，无论电磁波源是否相对地球运动，电磁波源所发出的电磁波，相对地球以太系的速度是恒定不变的。电荷相对地球以太运动产生磁场。所以，静止在K系（地球以太系）中观察，麦克斯韦方程为：

通过洛伦兹变换我们得到在K’系（返回舱）测到的各电磁场分量为：         

式中： ，

v是返回舱相对于地面的速度。

从方程（2-2）（2-3）（2-5）及（2-6）可以看出，当v→c时，γ→∞，Ez’ →∞、 By’ →∞。所以，速度v越快，返回舱接受的电磁波的变形越大（即Ey’与Ey， By’与By，Ey’与Ez’， By’与Bz’的差别越大），由此导致信号的信噪比越低，所以返回舱接收到的信号越差。

当返回舱进入地球以太层后，由于速度过快，从而导致返回舱接收到的无线电信号信噪比非常低，使得通讯中断。返回舱进入大气层后，由于大气层的阻力作用，返回舱的速度会不断降低，当返回舱的速度小于某个值时，返回舱所收到的无线电信号的信噪比就会大于某个阈值，从而使得返回舱又可接受到地面的无线电信号。以上就是返回舱返回地球是为什么会经历一黑障区的原因。

由于星球的引力作用，任何星球（火星、木星、月球等）表面都存在相对星球静止并随星球一起运动的以太（空间能量）层，所以星球表面一定高度的空间层可以视为静止介质，电磁波在其中遵守静止介质的麦克斯韦方程。因此我们可以预言，当航天器快速进入任何星球（火星、木星、月球等）的以太（空间能量）层时都会经历一个导致无线电信号变差或完全丧失的黑障区。

参考文献

[1].王建安，（2022），科学网—论运动介质的麦克斯韦方程 （拓展的麦克斯韦方程） - 王建安的博文 (sciencenet.cn)

[2].  Wang, J.A. (2019) The Modification of Special Relativity. Journal of Modern Physics, 10, 1615-1644. doi: 10.4236/jmp.2019.1014107.