1、等离子体技术在军事上的应用l 辩蕊莲 l一,等离子体的基本概念等离子体又称为物质的第四态,是继固体,液体,气体之后物质存在的第四种物质状态.它是由大量的自由电子和离子组成,且宏观匕呈电中性,其运动主要受电磁场力的作用,并表现显着的集体行为.产生等离子体的方法有多种,例如热致电离,气体放电,高能粒子轰击,激光照射等方法者隋使气体电离成为等离子体.在军事上,核爆炸,放射 l 生同位素的射线,高超音速飞行器的激波,燃料中掺有铯,钾,钠等易电离成分的火箭和喷气式飞机的射流,都可以形成弱电离等离子体.等离子体影响电磁波传播的主要因素有以下几个方面:1,在电磁波频率低于等离子体频率时,电磁波不能在等离子体
2、内传播,因此,入射电磁波发生全反射.2,在等离子体中电磁波的吸收.入射电磁波的电磁场引起带电粒子的运动,通过碰艟,粒子运动能量转化为带电粒子和中性粒子热能或其他形式的能量被耗散掉,从而导致电磁波的吸收.3,在磁化等离子体中,由于存在磁场,沿磁场方向传潘的电磁波极化方向会发生所滑的法拉第旋转,从而使雷达接收的回波极化方向与发射时的不一致,造成极化失真:即使对地磁场这样的弱磁场,极化失真也不容忽视.张海峰邵福球4,电磁波的绕射现象一主要源于无.够在 4-l4 吉赫频率范围内平均降低 2O 分磁化等离子体的电磁波折射率小于 l,因贝,即雷达获取回波的信号强度减少到原此,倾斜入射到飞行器表面等离子体层
3、的 j 来的 l%.美国在其国防部 1997 年基础电磁波将发生更大白勺 f 顷斜,在等离子体层研究计划中提出“中性等离子体效应可内形成类似于表面波的传播方式.以为军用飞机和卫星提供隐身条件“,可5,波转换机制电磁波在等离子体.见美闰对这个问题给予了足够的重视.中转化成更容易被等离子体吸收的静电隐身技术又称目标特征信号控制技波,如伯恩斯坦波,混杂波和回旋波等,这术,是通过控制武器系统的信号特征,使其种机制是受控核聚变领域1 常用的波加热 f 难以被发现,识别和跟踪打击的技术.它是方法.针对探测技术而言的,主要包括雷达隐身,随着科学技术的进步,军事领域不断红外隐身,声隐身以及视频隐身等.它是通有
4、新的技术得以应用.等离子体作为未来过些技术途径在飞行器表面形成等离子战争中防御和进攻的手段是一一全新的研究体,利用等离子体对雷达波的吸收,损耗作领域.本文是从电磁波与等离子体的相互用来达到减少飞行器雷达反射截面作用的角度来探时等离子体技术在军事上!(RCS)的目的 .目前隐身军用飞机使用的的应用,主要是在隐身技术,天线,反导技隐身技术很大程度匕是牺牲了飞行器本身术,远距离通信和火箭等方的应用事实气动特性,而等离子体隐身的优在于:吸上,等离子体在军事 f 的应厢还有很多,例波频带宽,吸收率高,隐身效果好,使用简如电热炮,激光武器,粒子柬武器等方面也便,使用时间长,价格便宜,维护费用低;且都有獭的
5、应用.无须改变飞机的外形设计 ,不影响飞行器的飞子眭能.一一,等离子体隐身技术飞行桉现等离子稳身的基本原理是:利用等离子体发生器,发生片或放射性自 20 世纪 60 年代以来,美 1 日,前苏联同位素在飞行器表面形成一层等离子云,等军事强国就开始研究等离子体吸收电磁控制等离子体的能量,电离度,振荡频率等波的性能:80 年代初,前苏联研究的重点特征参数,使照射到等离子体云上的雷达是等离子体在高卒超音速飞器卜的潜在波一部分被吸收,一部分改变传播方向,因应用 90 年代,美闰休斯实验事进行的而返回到雷达接收机的能量很小,使雷达实验表明,应用等离子体技术.可使一难以探测,达到隐身目的;还能通过改变反个
6、 13 厘米长的微波反射器的雷达截面能射信号的频率,使敌雷达测 m 错误的飞机38 国防科技 NATIONALDEFENSESCIENCETECHNOLOGYJlANDUANKEJl太阳空间等离子体位置和速度数据以实现隐身.近年来,等离子体隐身技术在俄罗斯取得了突破陛的进展,其研究成果明显领先于美国.俄罗斯克尔德什研究中 t7 在不改变飞机外形结构的情况下,利用 f 电 1 门称之为“ 自己开发的减少雷达特征的方法“可使飞机被雷达发现的概率几乎为零.这种技术完全不同于美国的“降低识别特征“ 的隐身技术,并不涉及飞机本身的空气动力系统,而且价格相当便宜.1998 年 8 月国防航空报道,俄罗斯科
7、学家发现在飞机表面上若干个选定的强散鼽处配置等离子体发生器,飞机飞行时其释放的等离子体流不仅可大大减小空气阻力,而且可有效地吸收雷达波,因而有人的隐身效果.1999 年 1 月 20 日俄通社塔斯社报道,俄罗斯克尔德什研究中心在地面模拟设备和自然条件下以及飞机 E 的试验已经充分地证明了这种隐身技术的有效性.l999 年 2 月 3 日参考消息报道,俄罗斯科学院院士,克尔德什研究中心所长阿纳托利-科罗捷耶夫透露,其中心已研制出飞机等离子体隐身装置,并通过 I 比技术;使飞机被雷达发现的概率VcfN 百分之几的水平 .1999 年 3 月英国简氏防务周刊对俄罗斯飞机等离子体隐身系统作了详细报道,
8、称俄罗斯克尔德什研究中心已经开发 m 第代和第二代等离子体产生装置.第代产品是等离子体发生片,其厚度为 500-700 微米,工作电压为几千伏,工作电流仅为几百微安.将这种等离子发生片贴在飞行器的电磁波强散射部位,正面暴露于空气中,通过引线与飞机内部相连,电离空气即可在飞机周围产生人造等离子体.第二代产品是等离子体发生器,并在发生器中添加了易电离的气体,经过脉冲电晕,产生等离子体.该套系统重量不到 100 千克,耗电不超过几十千瓦.使用这一系统不仅能减弱目标的雷达反射信号,改变信-x-171. 度,而且还能向敌方探测雷达发一些假信号,使敌方难以正确判断目标的位置,高度和飞行速度.目前,克尔德什
9、研究中心正在根据新的物理原理,研制效果更好的第三代产品.据推测,第三代产品可能是利用飞行器周围的静电能量来减少飞行器的雷达反射面积.该中心官员声称,飞讹步采用等离子体隐身技术后,隐身效果可与 Fl17A,B_2 相媲美.俄罗斯前不久进行的隐身实验表明,应用最新的等离子体隐身技术可使米格 l44 的雷达截面在 4_l4 吉赫频率范围内,雷达获取回波的信号强度减小到原来的 l%.现有的第代和第二代系统已被列入了获准出口的俄制防御产品名单.三,等离子体天线在现代战争中,保障通信畅通无阻是至关重要的,而远距离通信离不开天线.为了达到最佳的发射和接收无线电信号效果,天线越做越大.这巨大的金属构件还不能采
10、取涂敷吸波和透波材料进行隐蔽,它已成为极易被敌方发现的突 m 目标.为此,各军事强国都投人大量资金和科研力量,积极开发隐身天线.1997 年,美旧海军委托田纳西大学等单位发展等离子体隐身.其机哩是:将等离子体放电管作为天线元件,当放电管导电时就成为导体,能发射和接收无线电信号;当断电时便成为绝缘体,基本不反射信号.澳大利亚研究人员最近也宣布开发一种等离子体无线电隐身天线,它在战场等特殊环境下具有不易被敌方雷达发现的优点.据英国新家杂志 1999 年 11月 27 日报道,在深入敌后作战时,远程军用电台高高竖起的天线会把分队的位置暴露给敌方雷达,招来毁灭性打击.澳大利亚国立大学(ANU)1999
11、 年 11 月中旬在等离子体物理国际会议匕披露,f 电们已研制出一种可以在零点几秒内变得使雷达无法探测的新型等离子体天线,以代替标准金属天线,并正在对安装 2.5 米天线的便携式样机进行军用试验.这种天线夕 t-观上像个大型的荧光灯管,其中密封有惰性气体.管状外壳由抗冲击性的玻璃等介质制造,其基部带有一个金属电极.这种天线的原理是:借助天线底部的单金属电极,无线电波被馈入装有惰性气体的防震绝缘管中,并向天线顶部运动.电磁波在传播过程中使气体分子电离,形成受激等离子体.自由电子在管内流动,使得等离子体的行为像金属.天线在发射模式时,电子受迫振荡,产生载有无线电信号的电磁波;接收模式时,引入的无线
12、是波以同样方式引发电子振荡.这种天线最显着的特性是,一旦等离子体天线底部的电极关闭,天线管中的气体立即变为中性,雷达视天线如空气样不可见.ANU 在十多年前已制定了等离子体天线的 i_戈 0.该计划负责人说,美国的一个研究组正在研制可以在两个金属电极之间传递射频流的等离子体天线,美国人的单电极设汁更容易躲避雷达.四,等离子体反导技术在现代战争中,反导是目标武器研制工作中面临的世界忙 E 难题.现有的反导方式主要是“以导反导 “.即用反导弹导弹拦截来袭的攻击导弹.但是,由于现代导弹目标小,速度快,飞行时间短,突防能力强,“以导反导“ 防不胜防 ,效能不高 ,即使是性能最为先进的俄制 S300 导
13、弹和美制“爱国者导弹的反导效果也不甚理想.特别是当来袭的弹头覆盖特殊的吸波隐身涂层,或周围有很多假目标为真弹头充当诱饵时,“ 以导反导“ 就更是难上加难 .俄罗斯科学家则率先提了一个新的发点,即任何飞行目标都存在最脆弱的地方一NATIOIIDI:FI:NSI:SCII:NCI:TECHNoL0GY 国防科技 39JlADUA 躐 K 譬;,一 sh 堑王 j飞行环境特性,于是产生了等离子体武器的构想.主要原理就是改变飞行物的飞行条件,即利用彼此交叉的大功率电磁波束改变导弹的飞行环境,使飞行中的导弹偏离方向而失去战斗作用.人们通常把距地球表面 60-1000 千米的高空大气层称作电离层.在电离层
14、中,由于太阳紫外线和其它高能粒子(宇宙射线)的辐射作用,空气分子发生电离反应,部分或全部被电离成电子和离子.电子,离子与少量的中生气体分子和原子混合便构成了等离子体.由于空气稀薄,电离出的电子和离子再复合过程十分缓慢,从而形成了保持很高电子浓度的电离层.电子浓度反映了电离层的电离程度,其随高度不同呈不均匀分布.电离层可以影响无线电波的传输特性,如短波电台和短波通信便是利用电离层对无线电波的反射而达成的.由于大气电离层中等离子体的密度和电离度很低,它一般不会影响到飞行物体的正常 1 彳状态.大家可能有体会:行驶的汽车会产生颠簸,这是地面不平坦所致;铁轨上的小石块会导致高速列车脱轨翻车;小鸟在高空
15、可以撞毁飞机;运载火箭发射要选择“ 发射窗口“, 以避开云层的干扰 ;毫不起眼的太空垃圾碎片,也会洞穿卫星.这一切反映了一司题,即物体的运动速度越大,其对运动环境的依赖眭越高.如果等离子体的密度和电离度(电子数量)太低,不会影响飞行物的正常飞行,但如果其密度和电离度得到“强化“, 则将会置飞行物于歹 E 地.所渭等离子体武器,就是利用安装在地面的发生器和天线发出超高频电磁能柬和激光束在大气中聚焦,焦点处空气便会发生高强度的电离反应,形成等离子体云团,其密度和电离度比大气电离层高出 1万一 1O 万倍.飞行物体一旦撞入等离子云团中,不管是导弹,飞机还是陨石,其飞行环境都会遭到完全破坏,从而偏离正
16、常飞行轨道.由于飞行状态发生了剧烈的变化,根据惯性原理,飞行物体将承受巨大的惯性力,最终遭到破坏而坠毁.显然,等离子体武器与普通武器直接作用于目标不同,它辐射的微波束或激光不是直接聚焦在飞行目标上,而是采取“迂回方式 “聚焦在目标的前方或两侧.它不像激光武器那样利用高强度的能量直接烧毁目标,而是给目标下个“电磁脚绊子 “,使得目标在飞行过程中偏离飞行轨道,并在巨大的超重压差和睽陛影响下销毁,整个拦截过程仅需 1AO 秒时间.尽管导弹的飞行速度很高,但等离子体武器的波束以光速传输,因此可在瞬间准确摧毁多个空袭目标,足以防护来自太空或空中的飞机和导弹的威胁.等离子体武器欲击毁目标,必先破坏其飞行环
17、境.这确实是一种全新的构想,但不少人对等离子体武器仍然大加怀疑.俄罗斯科学院院士费多罗维奇? 阿夫拉缅科是等离子体武器的总设计师.他认为,新构想决不是空洞的,而是建立在严格的科学实验和论证基础上的.1996 年 3 月 20 日,莫斯科工人论坛报曾发表了记者与阿夫拉缅科的访淡录.阿夫拉缅科指出:在研制等离子体武器方面,俄罗斯要比美国领先六七年.等离子全武器的想法看似简单,但需解决的技术问题却十分复杂.像超大功率电磁波发射装置,对能源系统和天线装置的要求远远超出人们的想象力.自 1993 年 4月以来,俄军方及科研机构的发言人就一直宣扬等离子体武器的存在,并宣称其“可以击中地球大气层运动的任何目
18、标“,而利用现有技术基础就能制造出这种武器.据报道,俄已研制成功试验型等离子体武器.由超高频电磁波发生器,定向天线,电源及控制系统组成,采用集装箱式模块结构.这套试验装置曾成功地击落了炮弹.据透露.俄罗斯的实用化等离子武器将由上述的各系统模块组成,各模块都能振荡输出以光速传播的超大功率(几十亿瓦)微波束.探测目标的雷达系统与产生等离子体云团的电磁波束发射系统合二为一,集搜索,发现和打击目标等功能于一身,无需耗费时间去识别目标真假或测定目标方位,只要发现飞行目标就可以将其击落.等离子体武器的组成部分是超高频电磁波束发生器,导向天线和电源.这种“三位体“的_J 二作装置集雷达搜索,发现目标和打击于一身,大大简化了摧毁导弹的过
