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？

（第二版）

Why do spacecraft always experience a black-out area that disrupts communications 

                                                          when they return to Earth?

(2nd Edition)

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-out area which leads to communication interruption when it returns to earth.

1.   引言：

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。

2.   黑障产生的原因：

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[1]，所以在地球上，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。对于自由电子及而言，天线（导线）内部的由所有原子核的静电场所含以太叠加构成的以太系相对导线是静止，由此也可视为是完全拖拽以太的静止介质。本研究涉及返回舱（无线发射及接收）天线、地球（以太层）、地面（无线发射及接收）天线。

当航天返回舱以很高的速度返回地球时，返回舱接受从地面天线发出的无线电波，以及地面天线接收从返回舱天线发出的无线电波，分别会出现什么情况？下面我们分别加以分析。

1)   当返回舱天线接收从地面天线发出的无线电波时

由于地面天线相对地面静止，所以地面天线可视为就是地球（以太）参照系。在这种情况下地球以太层可视为绝对静止参照系，返回舱天线可视为完全不拖拽地球以太（内部不受地球以太影响的）的运动以太系（介质）。

在两个参考系K(地球) 和 K’ （返回舱天线）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]，地面天线所发出的电磁波，相对地球以太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（返回舱天线）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）、（2-6）、（3）及（4）可以看出，当v→c时，γ→∞，Ez’→∞、 By’ →∞。所以，速度v越快，返回舱天线接收到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，所以返回舱天线接收到的信号越差。

2)   当地面天线接收从返回舱天线发出的无线电波时

由于地面天线相对地面静止，所以地面天线可视为就是地球（以太）参照系。

在两个参考系K(返回舱天线) 和 K’ （地球）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。

所以，静止在K系（返回舱天线）内观察，麦克斯韦方程为：

通过洛伦兹变换我们得到在K’系（地球以太系）测到的各电磁场分量为：

式中：

v是地球相对于返回舱天线的速度。

从方程（6-2）、（6-3）、（6-5）、（6-6）、（7）及（8）可以看出，当v→c时，γ→∞，Ez’→∞、 By’→∞。所以，速度v越快，地面天线接收到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），由此导致地面天线接收到的信号的信噪比越低，所以地面天线接收到的信号越差。

由此可知，当返回舱进入地球以太层后，由于速度过快，从而导致返回舱天线接收到的从地面天线发出的无线电信号以及地面天线接收到的从返回舱天线发出的无线电信号的信噪比都非常低，所以导致通讯中断。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，返回舱天线及地面天线所接收到的无线电信号的信噪比就会大于某个阈值，从而使得返回舱天线又可接受到地面的无线电信号，地面天线又可接收到返回舱天线发出的无线电信号。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。

3.   讨论：

1)   太空舱在轨道上运动时比返回舱返回地球时速度更快，为什么没有导致无线电通讯中断？

答：越接近地心，地球引力场越强[2]，空间能量（以太）密度越高，以太对运动体产生的以太效应（如时间膨胀效应）越强，所以，越接近地心，导致通讯中断所需的运动速度越小。因为在离开星球太远的空间如地球以太层以上的空间能量（以太）密度不够高，所以，尽管返回舱相对空间以太的运动速度非常快，但由于空间以太产生的以太效应（如时间效应）不够强，所以天线接收到的无线电波的变形不够大，因此通讯不会中断。当然如果航天器运动速度足够快，即使在轨道上或其它远离星球的太空也会导致无线电通讯中断的。

2)   高铁与返回舱相比运动速度并不快，为什么也会导致手机信号中断？

答：因为越接近地心，地球引力场越强[2]，空间能量（以太）密度越高，以太对运动体产生的以太效应（如时间膨胀效应）越强，所以，越接近地心，导致通讯中断所需的运动速度越小。这就是为什么尽管高铁与返回舱相比运动速度并不快但也会导致手机信号中断的原因。从返回舱进入黑障区时的速度大大高于离开黑障区时的速度也可说明，越接近地心，导致通讯中断所需的运动速度越小。

参考文献

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

[2]. Jian'an Wang. The Modification of Newton's Gravitational Law and its Application in the Study of Dark Matter and Black Hole, 30 March 2021,PREPRINT (Version 1) available at Research Square, https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-373969/v1