等离子体隐身

机理和特点等离子体隐身技术的原理是利用电磁波与等离子体互相作用的特性来实现的，其中等离子体频率起着重要的作用。等离子体频率指等离子体电子的集体振荡频率，频率的大小代表等离子体对电中性破坏反应的快慢，它是等离子体的重要特征。若等离子体频率大于入射电磁波频率，则电磁波不会进入等离子体．此时，等离子体反射电磁波，外来电磁波仅进入均匀等离子体约2mm，其能量的86%就被反射掉了。但是当等离子体频率小于入射电磁波频率时，电磁波不会被等离于体截止，能够进入等离子体并在其中传播，在传播过程中．部分能量传给等离子体中的带电粒子，被带电粒子吸收，而自身能量逐渐衰减。等离子体聚变图等离子体之内电子密度越大。振荡频率越高，和离子、中性粒子碰撞的频率就高．对雷达波的吸收就越大。同时雷达波在等离子体中传播时．由于在等离子体中有大量的中性分子或原子．所以还存在着介电损耗。等离子体介质在雷达波交变电场的作用下产生极化现象，在极化过程中，电荷来回反复越过势垒，消耗电场的能量．表现为电导损耗，松弛极化损耗，和谐振损耗等。另外．由等离子体发生器喷射到飞机外围空间的等离子体是非均衡等离子体，处于非热动力平衡状态，经过一定时间离子间的碰撞才达到趋向密度均匀和温度均匀的热力学平衡状态。独特的优点(1)吸波频带宽、吸收率高、隐身效果好．使用简便、使用时间长、价格极其便宜；(2)由于等离子体是宏观呈电中性的优良导体，极易用电磁的办法加以控制．只要控制得当．还可以扰乱敌方雷达波的编码，使敌方雷达系统测出错误的飞行器位置和速度数据以实现隐身(3）无需改变飞机等装备气动外形设计，由于没有吸波材料和涂层，维护费用大大降低，(4)俄罗斯的实验证明，利用等离子体隐身技术不但不会影响飞行器的飞行性能．还可以减少30%以上的飞行阻力。存在难点虽然等离子体隐身具有很大优越性，但也存在以下难点。(1)等离子体对雷达波的吸收能力在不同条件下相差非常大，与多方面的因素有关．如等离子体的密度、碰撞频率、厚度等．入射电磁波频率，电磁波入射角和极化方向等，如何在应用中实现最佳参数并随外界条件进行调节．有一定难度；(2)飞行速度对等离子体的影响：(3）等离子体是一项十分复杂的系统工程，涉及到大气等离子体技术、电磁理论与工程、空气功力学、机械与电气工程等学科，具有很强的学科交叉性。产生等离子体的方法产生等离子体主要有热致电离、气体放电．放射性同位素、激光照射、高功率微波激励等方法．而在机载条件下常用的方法主要是气体放电法和涂抹放射性同位素两种方法(二者均产生非均衡冷等离子体)，其中常用的气体放电法分为以下几种：等离子体放电(1)大气压下的介质阻挡放电和辉光放电：大气压下利用介质阻挡放电和辉光放电来产生等离子体．无真空装置，因此系统结构简单，已在许多技术领域广泛应用。利用介质阻挡放电产生等离子体．可以在局部获得1014/cm3左右的电了密度，但是由于介质阻挡放电实际上是丝状流光放电，在两电极间放电丝是随机分布的，这样等离子体是极不稳定的同时，在两电极间加的是高交变电压，在一个周期内的一个放电电流脉冲只维持几微秒的时间．其占空比很小．在电流脉冲过后，等离子体扩散过快．以致于在大部分时间内，雷达波并末被等离子体所吸收，所以．利用介质阻挡放电来产生用于隐身的等离子体受到极大的限制。国内测试了在梳状电极问施加受流高压所产生的介质阻挡放电等离子体对微波的衰减情况．采用不锈钢电极，并用薄玻璃管套封，电极问距离为1.5cm，当电压在3～5kv．100～10kHz范围内变化时．利用网络分析仪在2～l8GHZ内扫描，几乎无法测出等离了体对微波的衰减。在一定条件下．流光放电可以转化，得到大气压辉光放电。国内外均对此等离子体的特性进行了大量研究。研究表明．虽然该等离子体均匀性较差、厚度较薄．但当放电电压和频率适当时．所产生的等离子体对微波具有一定的衰减作用。由于人气辉光等离子体可通过覆盖在目标上的梳状平行电极来产生．入射徽波可直接进入等离子体并与之发生作用。如果能改善其均匀性．提高其厚度，并能从理论上找到最佳电压和频率．将有助于加速其在隐身上的应用。(2)电晕放电：有时也称为单极放电，是指发生在电击穿之前的电气上受压状态的气体中的尖端、边缘和丝附近的高电场区的一种汤森暗放电现象。电晕根据所加电压，的不同可分为直流电晕和脉冲电晕。对于直流电晕，由于气体直流耐压的限制，电晕电流相当小．因而等离子体密度低．很难达到隐形的要求。当采用脉冲电晕时．可以大大提高放电电流．因而等离子体密度可以大幅度提高。当针电极布置得足够密．范围足够大时．可以形成等离子体“帘”。但是，利用脉冲放电．除非脉冲重复频率足够高．否则会出现与利用介质阻挡放电时一样的占空比问题。(3)直流辉光放电：直流辉光放电是一种研究得比较透彻．理论比较完善的技术，是指采用直流或脉冲直流高压．使气体发生正常或异常辉光放电，但通常利用其正常辉光区。需要指出的是，放电多是在封闭腔中产生的，必须有真空容器和抽真空的相应装置．真空腔应采用透微波的材料，如玻璃。利用直流辉光放电装置产生等离于体，其电子密度、温度等参数基本能满足要求．但是在通常的应用场合下，这些装置产生的等离子体体积均较小，如经典直流放电管的直径通常只有l～2cm左右．两电极间距离也只有几厘米．远远不能满足隐身要求。根据气体放电的相似性原理，如果增大电极的面积和间距，而放电电压不变，则会相应地降低等离子体的密度；同时，由于放电是在低压(通常≤100Pa)下发生的．其等离子体碰撞频率约为108Hz量级，远小于雷达波频率，因而碰撞衰减较小。如果在经典的辉光放电装置中引入外加磁场(通常采用磁镜结构)，形成气体的潘宁放电，则一方面可以在增大其体积的同时增大电子密度和碰撞频率．同时还引入了电子和离子对微渡的同旋共振吸收．从而有利于增大等离子体对电磁波的吸收。但是，与高气压下等离子体的宽波段碰撞吸收不同．该吸收的带宽较窄，并受碰撞频率的影响。(4)强电离气体放电：太阳电池在等离子体中的放电国内有人提出将高气压强电离气体放电方式产生的非平衡等离子体用于隐身，并展开了相应的研究，认为利用强电离气体放电方法产生非平衡等离子体的实用型等离子体发生器，可望解决当前等离子体隐身技术普遍存在的一些主要问题。但这一研究还处于初步阶段，理论模型尚需要完善．工程实验也需要进一步深入下去。在兵器特定部位(如强散射区)涂一层放射性核素是另一种产生等离子体的常用方法，其涂层辐射剂量应确保它的a射线电离空气所产生的等离子体包层具有足够的电子密度和厚度，以确保对雷达波有最强的吸收。与气体放电法相比，涂抹放射性同位素这种方法比较昂贵，而且维护困难。另外．热致电离法也可产生热等离子体，这是产生等离子体的一种最简单的方法。任何物质加热到足够的温度后都能产生电离，当粒子所具有的动能，在粒子间的碰撞中足以引起相碰粒子中的一个粒子产生电离时．才能得到等离子体。如将铯放至密闭的容器中加热而得到等离子体。实验表明．只有在碱金属存在的条件下，热致电离才能产生一定密度的等离子体．如用于磁流体发电的低温等离子体。而微波产生的冷等离子体比直流或射频等离子体有更高的电子温度，用微波产生等离子体的过程是气体击穿，击穿的条件是微波电场的均方根值大于击穿电场强度。当外磁场存在时．如果微波频率在电子回旋频率附近，击穿空气所需的电场强度大大降低，这可以降低机载条件下高功率微波等离子体的产生条件。研究进展编辑从20世纪60年代开始美国和前苏联等军事强国就着手研究等离子体吸收电磁波的性能。前苏联最早开始进行等离子体实验的重点是等离子体在高空超音速飞机上的潜在应用：90年代初，美国体斯顿实验室进行的一项为期两年、投资65万美元的实验表明，应用等离子本技术可使一个13cm长的微波反射器的雷达截面在4～l4GHZ频率范围内平均降低20dB，即雷达获取回波的信号强度减少到原来的1%l997年．美海军委托田纳西大学等机构发展等离子体隐身天线，其机理是：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，当断电时便成为绝缘体，基本不反射雷达发出的探测信号．初步的演示已显示了这种天线的发射接收功能和隐身特性。美国在其(1997年国防部基础研究计划)中也提到．“中性等离子体效应可以为军用飞机和卫星提供隐身条件”，可见美国对等离子体技术给予了足够的重视。等离子体隐身技术在俄罗斯取得了较多进展，其研究成果领先于美国。据报道，俄罗斯克尔德什研究中心已经开发出第一代和第二代等离子体发生器，通过在地面模拟设备、自然条件下以及飞机上进行实验充分证明了这种隐身技术的实用性。、第一代产品是等离子体发生片．其厚度为0.5~O.7mm，电压几千伏。工作电流仅为零点几毫安。将这种等离子体发生片贴在飞行器的电磁波强散射、部位，即可电离空气产生等离子体。第二代产品是等离子体发生器。在等离子发生器中加入易电离的气体(还需携、带专用气体)，即可产生等离子体(但产生的等离子体厚度仍嫌过小)．第二。代产品重量不到100kg．耗电不超过几十千瓦(对飞机所能承担的有效载苛与供电功率而言仍嫌过大)。经飞行试验，它除了具备第一代等离于体隐身系统的功能外．还能改变反射信号的频率．通过向敌人发出假信号．使敌人判断错误来实现隐身。据报道，这种技术不涉及飞机本身的空气动力系统．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一定频率的雷达发现的概率可降低90%以上。第一代和第二代等离于体隐身技术产品都已进行了成功实验。米格1.44又名米格1.44本世纪初俄罗斯公开的可与美国F22相抗衡的第五代米格1.44战斗机据说就是试验了这项先进技术。克尔德什研究中心正在研制更有效的第三代产品。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小飞行器的雷达反射截面。俄罗斯的最新试验表明，应用第三代等离子体隐身技术。在4～14GHZ频率范围内可以使米格飞机的RCS值减少到原来的1%。除美、俄外．法国的研究人员正在研制一种新的有源隐身系统，据报道可能会采用等离子体屏蔽技术。对等离子的某些研究成果很可能用于作战飞机特别明显部位的屏蔽．如空气进口，排气口或机头。澳大利亚国立大学也已研制出了等离子体隐身天线。鉴于隐身技术在军事上的重要作用．中国在等离子体隐身方面的研究也进行了约l0年时间。有不少科研机构和大专院校的有关院系都在进行等离子技术及其应用的研究，在对等离子雷达隐身方面已经取得了原理验证上和工程试验的成功，并有很多独到的创新，预计再经过大约10年左右的时间。我国飞行器即有望实现全面等离子隐身。发展前景编辑美苏两国研究自60年代以来，美国、前苏联等军事强国就开始研究等离子体吸收电磁波的性能。80年代初，前苏联最早开始进行等离子体实验，研究的重点是等离子体在高空超音速飞行器上的潜在应用；90年代初，美国休斯实验室进行的一项为期两年、投资65万美元的实验表明，应用等离子体技术，可使一个13厘米长的微波反射器的雷达截面能够在4-14吉赫兹频率范围内平均降低20分贝，即雷达获取回波的信号强度减小到原来的1%。1997年，美国海军委托田纳西大学等单位发展等离子体隐身天线。其机理是；将等离子体放电管作为天线元件，当放电管通电时就成为导体，能发射和接收无线电信号；当断电时便成为绝缘体，基本不反射敌探测信号。初步的演示已显示了这种天线的发射接收功能和隐身特性。[1]突破性进展等离子体隐身技术在俄罗斯取得了突破性进展，其研究领先于美国。据报道，俄罗斯克尔德什研究中心开发出第一代和第二代等离子体发生器，并在飞机上进行了试验，获得了成功。第一代产品是等离子体发生片，其厚度为0.5－0.7毫米，电压为几千伏，电流为零点几毫安，将该发生片贴在飞行器的强散射部位，电离空气即可产生等离子体。第二代产品是等离子体发生器，在等离子体发生器中加入易电离的气体，经过“脉冲电晕”，气体由高温转为低温，即可产生等离子体。第二代产品的重量不到100公斤，已经全面进行了地面和飞行试验，它不仅能减弱雷达反射信号，还能通过改变反射信号的频率以实现隐身。克尔德什研究中心正在应用新的物理知