1、等离子体与等离子体隐身技术潘文俊，周明,童创明（空军工程大学导弹学院，陕西 三原 ，713800）摘要：等离子体隐身技术是一种新型的隐身技术，是雷达隐身技术的最新发展。介绍了等离子体隐身的机理及实现方法，阐述了国内外等离子体隐身技术的研究进展，并对其发展前景做了展望。关键词： 等离子体，隐身技术The plasma and The plasma stealth technique Pan Wen-jun, Zhou Ming ,Tong Chuang-ming(Missile Institute of Air Force Engineering University, Shan xi San
2、yuan, 713800)Abstract: Plasma stealth is the latest type of stealth technology. In this paper, its mechanism of action and implementation method, the research progresses are summarized, and the prospective views are analyzed. Key words : plasma ,stealth technology 1 引言近二十多年来，随着国际形势的不断变化，各种雷达探测技术及精确制
3、导技术大量的应用于武器系统中，使得各种精确制导武器的命中率比以前提高了 12 个数量级，给传统的作战武器在战场上的生存能力构成了极大的威胁，要提高武器系统的突防能力和生存能力就必须采用隐身技术。等离子体隐身技术 1作为一种全新的隐身概念，具有吸波频带宽、效率高、使用简便、价格便宜等优点，特别是应用于飞行器隐身时无须改变飞行器的外形，解决了隐身措施与气动性能的矛盾，日益受到国内外国防决策机构和军事专家的关注。2 等离子体隐身等离子体被称为物质的第四态，它是由大量自由电子、自由离子、和中性粒子混合而成的非束缚宏观体系。任何不带电的普通气体在受到外界高能作用后，部分电子吸收的能量超过原子电离能从而脱
4、离原子核的束缚而成为自由电子，同时原子因为失去自由电子而成为带正电的离子。当然并非所有的自由电子、正电离子和部分中性原子组成的物质就是等离子体，只有具有足够高的电离度的电离气体才具有等离子体的性质，才能称为等离子体。粗略地说，等离子体是带电的，具有“电性”；而普通气体是不带电的，具有“中性”。当体系中的“电性”比“中性”更重要时，这一体系可以称为等离子体。2.1 等离子体隐身的机理等离子体隐身技术是指利用等离子体回避雷达探测系统的一种技术，其中等离子体频率是关键的参数。等离子体频率指等离子体的集体振荡频率，频率的大小代表等离子体对电中性破坏的快慢 2。等离子体电子振荡角频率 为： ，式中 为等
5、e2120()eenmen离子体自由电子的密度；e、 为电子的电量和质量； 为真空的介电常数。同样，离子em0等离子体的频率 可参照上式写成： ，式中 为离子的质量；由于i212()iini离子的质量远远大于电子的质量，因此可以把等离子体频率近似等于等离子体的电子振荡频率。等离子体隐身的机理有很多，其中最常见的有两种：折射隐身和吸收隐身 3。不均匀非磁化等离子体的折射率可以近似的表示为 。由于等离子体的2210()ee折射率与等离子体的自由电子密度有关，适当设计等离子体的密度分布，使入射到等离子体内部的电磁波向外弯曲，使雷达回波偏离敌方雷达的接受方向，从而使目标难以被敌方雷达发现，从而实现对雷
6、达波的折射隐身。同时等离子体也具有高通滤波器的性质，当雷达频率低于等离子体频率时，等离子体的折射率出现虚部，电磁波在传播方向上按指数衰减，沿传播方向的平均传输功率为零，即电磁波不能在等离子体中传播，电磁波将被等离子体完全反射，此时等离子体能以电磁波反射体的形式对雷达进行电子干扰。当雷达频率大于等离子体频率时电磁波入射倒等离子体内部，此时等离子体中带电粒子在传播过程中必然会遇到各种形式的碰撞，等离子体通过碰撞吸收大部分入射波的能量。图 1 等离子体隐身示意图2.2 等离子体的产生方法等离子体的产生主要有加热致电离、气体放电、放射性同位素、强激光、高功率微波等方法 4。目前，实现等离子体隐身的途径
7、主要有三种：一是加热致电离产生等离子体，这是一种产生等离子体的最简单的方法，任何物质加热到足够的温度后都能产生电离，实验表明，只有在碱金属存在的条件下，加热致电离才能产生一定密度的等离子体；二是利用微波产生等离子体，即在低温下，通过电源以高频和高压的形式提供的高能量产生间隙放电、沿面放电等形式将气体介质击穿形成等离子体。其击穿的条件是微波电场的均方根值大于击穿电场强度。其中击穿电场强度是微波自由空间波长、气体电离电位、电子平均自由程和特征扩散长度的函数。三是在飞行器的特定部位( 如强散射区) 涂一层放射性同位素涂料，利用所放出的高能射线使武器周围空间的气体介质电离，形成等离子层，所形成的等离子
8、层具有足够的电子密度和厚度，从而对雷达波有较强的吸收和散射能力，衰减反射信号， 以实现隐身。目前，国内外主要采用第二种方法产生等离子体。 3、等离子体隐身技术发展现状与前景3.1 国内外等离子体隐身技术研究现状等离子隐身技术的研究直到上世纪 90 年代，等离子体隐身技术才应用于实用阶段，美海军委托田纳西大学等机构研制等离子体天线 5，其工作机理是：将等离子体放电管作为无线元件，当放电管通电时就成为导体，能发射和接收无线电信号，当放电管断电时便成为绝缘体，不反射雷达发出的探测信号。这就是说等离子体天线是利用等离子体单元来控制天线的工作，通过改变等离子体的密度等参数就能控制天线的工作频率等性能，从
9、而克服了传统的金属天线在其尺寸确定后其工作频率范围等也确定的弊端，而且当等离子天线在发射一个脉冲信号后，可以切断供电从而消除传统天线中的阻尼振荡。近几年来，美海军实验室将工作重心主要放在 U 型天线上，其工作频率范围已经达到 0.11GHz；美海军已经将等离子体天线安装在潜望镜上，能快速重新配置小型天线，可以接收 145GHz 频率范围内的信号；另外美军在等离子雷达上也取得了一些成果，等离子雷达是利用电离等离子体的超导特性来反射雷达波束的机理，建立起的一种实时对全部空域提供覆盖的雷达系统。等离子雷达可在十亿分之一秒内重新定向，改变所监视的目标，而传统雷达约需 1 s10 s，这就意味着它能以几
10、乎无限快的速度跟踪来袭的导弹等目标，美国海军正在开发的“捷变镜”雷达就是这种等离子雷达；最近摩托罗拉（Motorola）公司准备将等离子体切换天线用于移动电话。从目前公开的资料来看，俄罗斯在等离子体隐身这一领域处于领先地位，俄罗斯已开发研制出两代等离子体隐身产品 6。第一代装置是比较简单的等离子体发生片，其厚度只有 0. 5 mm0. 7 mm，将该发生片可贴在飞行器的强散射部位，可以减弱电磁波，改变信号长度。第二代装置为等离子体发生器，在等离子发生器里加入了易电离的中性气体，即可产生等离子体，而且该产品重量不到 100kg，耗电只有几千瓦。它除具备第一代隐身系统的功能外，还能向敌人发出假信号
11、，使敌人判断错误。据报道，在不影响飞机技术性能的同时，采用该技术的飞行器被敌方发现的概率可降低 99 %以上。最近，俄罗斯公开的可与美国 F-22 相抗衡的第五代战斗机米格 1. 42 据说就是采用了这项先进技术，这两代等离子体隐身技术产品已进行了成功试验，并获准出口。目前俄罗斯正在研制第三代等离子体隐身系统，据预测，该隐身系统可能利用飞行器周围的静电能量来减小飞行器的截面积，应用第三代等离子体隐身技术，在 414GHz 频率范围内可以使米格飞机的 RCS 值减少到原来的 1 %。这与美国 F - 117 隐形战斗机和 B - 2 隐形轰炸机在雷达上反映出的效果大致相同，但性价比更高，而且没有
12、刻意地去改变飞机的气动性能。另外俄罗斯在导弹拦截技术上也又了新的突破，近几年来俄罗斯科学家率先提出一个新的出发点，即任何飞行目标都存在的最脆弱的地方飞行环境特性，从而独辟蹊径提出采用等离子体武器拦截导弹的新方法。其工作原理是：利用安装在地面的发生器和天线发出超高频电磁波束，使之在高空聚焦，焦点处的空气便会发生高强度的电离反应，形成高电离化空气云等离子体团，利用这些彼此交叉的大功率电磁能束或光束改变导弹的飞行环境，使飞行的导弹偏离方向而失去战斗作用。由于整个拦截过程仅需 0.11 秒时间，对等离子体发生器而言，飞行中的导弹几乎可以相当于是“静止不动”的目标，因此它可以在瞬间高度准确地拦截多个来袭
13、目标。据报道，俄罗斯已经成功的研制试验型等离子体武器，它主要由超高频电磁波发生器、定向天线、电源及控制系统组成，而且该套试验装置已经成功的击落了炮弹。不过等离子体武器的想法看似简单，但是需解决的技术问题是远远超过人们的想象，其核心技术是超大功率电磁波的发射装置以及对能源系统和天线装置的要求。除美、俄外，法国的研究人员正在开展一种新的有源隐身系统的研究。据报道，法国航空航天研究院采用等离子体平面天线替代传统的平板式和抛物面天线，研制成了全隐身的等离子体雷达天线，该天线的分辨率及性能优于常规天线。目前，其最佳工作频率范围8 GHz 15 GHz，但是在分米波上可扩展至更长波长，在毫米波上可扩展至
14、100 GHz；法国海军将该等离子体天线用于防御超声速反舰导弹，天线结构紧凑，发射和接收距离约为300 km，尤其是近两年来对基于等离子体的阵列天线技术的研究，有望成为相控阵雷达天线的替代者，成为下一代无线电信号传感设备的主力军。在我国，位于成都的核工业西南物理研究院是我国几家主要研究等离子的单位之一, 在对等离子雷达隐身方面已经取得了原理验证上的成功。该院科学家认为, 大约 10 年后, 飞行器有望实现等离子隐身。我国目前研究等离子技术及其应用的单位主要有: 中国科学院等离子物理研究所( 属中国科学院合肥物质科学研究院) , 成都的核工业部西南物理研究院, 上海的复旦大学等离子物理实验室,
15、合肥的中国科技大学现代物理系的等离子实验室等。3.2 等离子体隐身技术最新成果及前景展望等离子体隐身技术在军事上具有极高的潜在应用价值，将成为隐身技术发展的新的突破方向及世界各军事强国竞相研究的焦点。目前在理论上己经获得成功，如果能真正投入未来战场中将对未来空战产生革命性的影响。如今等离子体隐身技术实现的一般方法是利用等离子体发生器或者用放射性同位素在飞行器表面形成一层等离子云，通过控制等离子体的特征参数，使照射在等离子体云上的一部分雷达波被吸收，一部分改变传播方向，从而达到隐身的目的。但是采用这些方法存在着几个难点：一是难以在目标表面形成均匀持续的等离子体层；二是在欺骗对方雷达的同时也会屏蔽
16、自己，影响正常的通讯；三是等离子体吸收雷达波的能量后会产生大量的热能，会增加红外探测的可能性；四是等离子体发生器的电源功率和其设备体积比较大，这些缺点是等离子体隐身技术仍然不能投入实用的重要原因。现今各国对等离子体隐身技术都在进行更全面、更深入的研究，就目前最近的资料来看，主要有以下几种措施：一、采用闭式等离子体隐身技术 7。闭式等离子体隐身技术就是将目标的重点部位的单层结构改成双层结构，最外层采用玻璃钢等高强度的透波材料，将等离子体或惰性气体灌充于双层蒙皮之间，其主要的目的是实现装备的重点部位的隐身。就目前的技术条件来看既可以保证雷达波透入蒙皮夹层又能够克服飞行器在高速飞行时产生高温，在通过
17、给夹层中的惰性气体放电形成等离子体可以灵活的通过改变气体的密度以及电压改变等离子体的密度，从而可以实现自适应最大限度的吸收主要威胁频段的电磁波。采用这种闭式结构可以解决等离子体在飞行器表面分布不均匀的难题；不会对己方形成屏蔽和干扰；即使在真空和低空环境也使产生和维持等离子体变的简单，但是这样也会带来一些新的问题，如增加装备的体积，能源的消耗和装备的设计复杂度等等。二、根据美国 2008 年最新报道，在产生等离子体时用脉冲电流替换传统的直流电供电，发现加入脉冲电流后可以在 2us 内产生等离子体，而等离子体可以维持其密度不变长达0.01s。这就是说通电时间仅占所有时间的 0.2%，这样就可以消除
18、因为电流的不稳定性对等离子体天线工作所造成的影响，而且他们还发现用脉冲信号比用直流电产生的等离子体的密度要高，这就意味着采用新的方法可以产生出密度更高，性能更稳定的等离子体。目前要做到等离子体隐身, 原理上已经没有问题, 但真正的实用还需要很长时间。比如运载等离子发生器就会让飞行器的载重增大, 如何让它不影响飞行? 再比如等离子发生器安装了之后, 飞行器外表看起来非常亮, 怎么让飞行员接近 ?飞行器最难隐身的地方之一是飞行器的尾气喷口, 也最需要进行隐身, 怎么才能让这个部位达到最好的隐身效果? 等等这些问题都是在实际的工程中需要解决的。从目前掌握的资料看，等离子体隐身的有效频率范围一般在 2
19、0 GHz 以内，还没有看到等离子体隐身技术适用毫米波波段的报道。以上这些因素决定了在现阶段等离子体隐身技术依然处于试验阶段，所有相关研究成果的报道也仅限于实验室的试验结果与数据，远非实用产品的实际使用报道，等离子体隐身技术距离完全实用化还有一段距离。结束语尽管等离子体隐身技术在许多国家都已进行深入的研究，但是目前仍有许多技术问题有待解决，但是它所具有的诸多优越性及应用的可行性，必将使等离子体技术拥有广阔的发展前景。随着等离子体隐身技术的发展，未来必将对飞机的攻防技术、导弹突防技术方面的设计产生深远的影响。因此，等离子体隐身技术作为未来隐身技术发展的一个新的突破方向，必将成为世界各军事强国竞相
20、研究和发展的重点。一旦关键技术得到突破，等离子体隐身技术很有可能替代现有的靠外形和材料隐身的技术，为隐身兵器开创一片新天地 8。参考文献1 高虹霓,曹泽阳. 21 世纪隐身新途径等离子体隐身术J . 飞航导弹,2002 (1) :5455.2 刘少斌,袁乃昌.温度、密度对目标等离子体隐身效果影响的 FDTD 发现,航空计算技术,2003,33(l):812.3 莫锦军,刘少斌,袁乃昌.等.离子体隐身机理研究JJ.现代雷达,2002,24(3):9124 夏新仁,邓发升.等离子体隐身技术的特点及应用.雷达与对抗.2002.1 17215 唐恩凌,张静.等离子体隐身技术及发展现状.飞航导弹,2008(5): 13156 宋慧敏,李应红.等离子体技术在航空领域中的应用研究.航空维修与工程 ,2004(5):19207 李毅,张伟军等.闭式等离子体隐身技术及等离子体参数的优化.微波学报 ,2008,2:23258 凌永顺. 等离子体隐身及其用于飞机的可能性. 空军工程大学学报 (自然科学版) , 2000, 1 (2) : 13作者简介：潘文俊，湖北仙桃人，1986 年 12 月 7 日出生。先就读于空军工程大学导弹学院，在读硕士，主要从事电磁场散射与逆散射研究。
