等離子體隱身

1、機理和特點等離子體隱身技術的原理是利用電磁波與等離子體互相作用的特性來實現(xiàn)的，其中等離子體頻率起著重要的作用。等離子體頻率指等離子體電子的集體振蕩頻率，頻率的大小代表等離子體對電中性破壞反應的快慢，它是等離子體的重要特征。若等離子體頻率大于入射電磁波頻率，則電磁波不會進入等離子體此時，等離子體反射電磁波，外來電磁波僅進入均勻等離子體約2mm，其能量的86%就被反射掉了。但是當?shù)入x子體頻率小于入射電磁波頻率時，電磁波不會被等離于體截止，能夠進入等離子體并在其中傳播，在傳播過程中部分能量傳給等離子體中的帶電粒子，被帶電粒子吸收，而自身能量逐漸衰減。等離子體聚變圖等離子體之內電子密度越大。振蕩頻率越

2、高，和離子、中性粒子碰撞的頻率就高對雷達波的吸收就越大。同時雷達波在等離子體中傳播時由于在等離子體中有大量的中性分子或原子所以還存在著介電損耗。等離子體介質在雷達波交變電場的作用下產生極化現(xiàn)象，在極化過程中，電荷來回反復越過勢壘，消耗電場的能量表現(xiàn)為電導損耗，松弛極化損耗 ，和諧振損耗等。另外由等離子體發(fā)生器噴射到飛機外圍空間的等離子體是非均衡等離子體，處于非熱動力平衡狀態(tài)，經過一定時間離子間的碰撞才達到趨向密度均勻和溫度均勻的熱力學平衡狀態(tài)。獨特的優(yōu)點(1)吸波頻帶寬、吸收率高、隱身效果好使用簡便、使用時間長、價格極其便宜；(2)由于等離子體是宏觀呈電中性的優(yōu)良導體，極易用電磁的辦法加以控制

3、只要控制得當還可以擾亂敵方雷達波的編碼，使敵方雷達系統(tǒng)測出錯誤的飛行器位置和速度數(shù)據(jù)以實現(xiàn)隱身(3）無需改變飛機等裝備氣動外形設計，由于沒有吸波材料和涂層，維護費用大大降低，(4)俄羅斯的實驗證明，利用等離子體隱身技術不但不會影響飛行器的飛行性能還可以減少30%以上的飛行阻力。存在難點雖然等離子體隱身具有很大優(yōu)越性，但也存在以下難點。(1)等離子體對雷達波的吸收能力在不同條件下相差非常大，與多方面的因素有關如等離子體的密度、碰撞頻率、厚度等入射電磁波頻率，電磁波入 射角和極化方向等，如何在應用中實現(xiàn)最佳參數(shù)并隨外界條件進行調節(jié)有一定難度；(2)飛行速度對等離子體的影響：(3）等離子體是一項十分

4、復雜 的系統(tǒng)工程，涉及到大氣等離子體技術、電磁理論與工程、空氣功力學、機械與電氣工程等學科，具有很強的學科交叉性。產生等離子體的方法產生等離子體主要有熱致電離、氣體放電放射性同位素、激光照射、高功率微波激勵等方法而在機載條件下常用的方法主要是氣體放電法和涂抹放射性同位素兩種方法(二者均產生非均衡冷等離子體)，其中常用的氣體放電法分為以下幾種：等離子體放電(1) 大氣壓下的介質阻擋放電和輝光放電：大氣壓下利用介質阻擋放電和輝光放電來產生等離子體無真空裝置，因此系統(tǒng)結構簡單，已在許多技術領域廣泛應用。利用介質阻擋放電產生等離子體可以在局部獲得1014/cm3左右的電了密度，但是由于介質阻擋放電實際

5、上是絲狀流光放電，在兩電極間放電絲是隨機分布的，這樣等離子體是極不穩(wěn)定的同時，在兩電極間加的是高交變電壓，在一個周期內的一個放電電流脈沖只維持幾微秒的時間其占空比很小在電流脈沖過后，等離子體擴散過快以致于在大部分時間內，雷達波并末被等離子體所吸收，所以利用介質阻擋放電來產生用于隱身的等離子體受到極大的限制。國內測試了在梳狀電極問施加受流高壓所產生的介質阻擋放電等離子體對微波的衰減情況采用不銹鋼電極，并用薄玻璃管套封，電極問距離為1.5cm，當電壓在 35kv10010kHz范圍內變化時利用網絡分析儀在2l8GHZ內掃描，幾乎無法測出等離了體對微波的衰減。在一定條件下流光放電可以轉化，得到大氣壓

6、輝光放電。國內外均對此等離子體的特性進行了大量研究。研究表明雖然該等離子體均勻性較差、厚度較薄但當放電電壓和頻率適當時所產生的等離子體對微波具有一定的衰減作用。由于人氣輝光等離子體可通過覆蓋在目標上的梳狀平行電極來產生入射徽波可直接進入等離子體并與之發(fā)生作用。如果能改善其均勻性提高其厚度，并能從理論上找到最佳電壓和頻率將有助于加速其在隱身上的應用。(2)電暈放電：有時也稱為單極放電，是指發(fā)生在電擊穿之前的電氣上受壓狀態(tài)的氣體中的尖端、邊緣和絲附近的高電場區(qū)的一種湯森暗放電現(xiàn)象。電暈根據(jù)所加電壓，的不同可分為直流電暈和脈沖電暈。對于直流電暈，由于氣體直流耐壓的限制，電暈電流相當小因而等離子體密度

7、低很難達到隱形的要求。當采用脈沖電暈時可以大大提高放電電流因而等離子體密度可以大幅度提高。當針電極布置得足夠密范圍足夠大時可以形成等離子體“簾”。但是，利用脈沖放電除非脈沖重復頻率足夠高否則會出現(xiàn)與利用介質阻擋放電時一樣的占空比問題。(3) 直流輝光放電：直流輝光放電是一種研究得比較透徹理論比較完善的技術，是指采用直流或脈沖直流高壓使氣體發(fā)生正?；虍惓］x光放電，但通常利用其正常輝光區(qū)。需要指出的是，放電多是在封閉腔中產生的，必須有真空容器和抽真空的相應裝置真空腔應采用透微波的材料，如玻璃。利用直流輝光放電裝置產生等離于體，其電子密度、溫度等參數(shù)基本能滿足要求但是在通常的應用場合下，這些裝置產生

8、的等離子體體積均較小，如經典直流放電管的直徑通常只有l(wèi)2cm左右兩電極間距離也只有幾厘米遠遠不能滿足隱身要求。根據(jù)氣體放電的相似性原理，如果增大電極的面積和間距，而放電電壓不變，則會相應地降低等離子體的密度；同時，由于放電是在低壓(通常100Pa)下發(fā)生的其等離子體碰撞頻率約為108Hz量級，遠小于雷達波頻率，因而碰撞衰減較小。如果在經典的輝光放電裝置中引入外加磁場(通常采用磁鏡結構)，形成氣體的潘寧放電，則一方面可以在增大其體積的同時增大電子密度和碰撞頻率同時還引入了電子和離子對微渡的同旋共振吸收從而有利于增大等離子體對電磁波的吸收。但是，與高氣壓下等離子體的寬波段碰撞吸收不同該吸收的帶寬較

9、窄，并受碰撞頻率的影響。(4)強電離氣體放電：太陽電池在等離子體中的放電國內有人提出將高氣壓強電離氣體放電方式產生的非平衡等離子體用于隱身，并展開了相應的研究，認為利用強電離氣體放電方法產生非平衡等離子體的實用型等離子體發(fā)生器，可望解決當前等離子體隱身技術普遍存在的一些主要問題。但這一研究還處于初步階段，理論模型尚需要完善工程實驗也需要進一步深入下去。在兵器特定部位(如強散射區(qū))涂一層放射性核素是另一種產生等離子體的常用方法，其涂層輻射劑量應確保它的a射線電離空氣所產生的等離子體包層具有足夠的電子密度和厚度，以確保對雷達波有最強的吸收。與氣體放電法相比，涂抹放射性同位素這種方法比較昂貴，而且維

10、護困難。另外熱致電離法也可產生熱等離子體，這是產生等離子體的一種最簡單的方法。任何物質加熱到足夠的溫度后都能產生電離，當粒子所具有的動能，在粒子間的碰撞中足以引起相碰粒子中的一個粒子產生電離時才能得到等離子體。如將銫放至密閉的容器中加熱而得到等離子體。實驗表明只有在堿金屬存在的條件下，熱致電離才能產生一定密度的等離子體如用于磁流體發(fā)電的低溫等離子體。而微波產生的冷等離子體比直流或射頻等離子體有更高的電子溫度，用微波產生等離子體的過程是氣體擊穿，擊穿的條件是微波電場的均方根值大于擊穿電場強度。當外磁場存在時如果微波頻率在電子回旋頻率附近，擊穿空氣所需的電場強度大大降低，這可以降低機載條件下高功率

11、微波等離子體的產生條件。研究進展編輯從20 世紀60年代開始美國和前蘇聯(lián)等軍事強國就著手研究等離子體吸收電磁波的性能。前蘇聯(lián)最早開始進行等離子體實驗的重點是等離子體在高空超音速飛機上的潛在應用：90年代初，美國體斯頓實驗室進行的一項為期兩年、投資65萬美元的實驗表明，應用等離子本技術可使一個13cm長的微波反射器的雷達截面在 4l4GHZ頻率范圍內平均降低20dB，即雷達獲取回波的信號強度減少到原來的1% l997年美海軍委托田納西大學等機構發(fā)展等離子體隱身天線，其機理是：將等離子體放電管作為無線元件，當放電管通電時就成為導體，能發(fā)射和接收無線電信號，當斷電時便成為絕緣體，基本不反射雷達發(fā)出的

12、探測信號初步的演示已顯示了這種天線的發(fā)射接收功能和隱身特性。美國在其(1997年國防部基礎研究計劃)中也提到“中性等離子體效應可以為軍用飛機和衛(wèi)星提供隱身條件”，可見美國對等離子體技術給予了足夠的重視。等離子體隱身技術在俄羅斯取得了較多進展，其研究成果領先于美國。據(jù)報道，俄羅斯克爾德什研究中心已經開發(fā)出第一代和第二代等離子體發(fā)生器，通過在地面模擬設備、自然條件下以及飛機上進行實驗充分證明了這種隱身技術的實用性。、第一代產品是等離子體發(fā)生片其厚度為0.5O.7mm，電壓幾千伏。工作電流僅為零點幾毫安。將這種等離子體發(fā)生片貼在飛行器的電磁波強散射、部位，即可電離空氣產生等離子體。第二代產品是等離子

13、體發(fā)生器。在等離子發(fā)生器中加入易電離的氣體(還需攜 、帶專用氣體)，即可產生等離子體(但產生的等離子體厚度仍嫌過小)第二 。代產品重量不到100kg耗電不超過幾十千瓦(對飛機所能承擔的有效載苛與供電功率而言仍嫌過大)。經飛行試驗，它除了具備第一代等離于體隱身系統(tǒng)的功能外還能改變反射信號的頻率通過向敵人發(fā)出假信號使敵人判斷錯誤來實現(xiàn)隱身。據(jù)報道，這種技術不涉及飛機本身的空氣動力系統(tǒng)在不影響飛機技術性能的同時，采用該技術的飛行器被敵方一定頻率的雷達發(fā)現(xiàn)的概率可降低90%以上。第一代和第二代等離于體隱身技術產品都已進行了成功實驗。米格1.44又名米格1.44本世紀初俄羅斯公開的可與美國F22相抗衡的

14、第五代米格1.44戰(zhàn)斗機據(jù)說就是試驗了這項先進技術?？藸柕率惭芯恐行恼谘兄聘行У牡谌a品。據(jù)推測，第三代產品可能是利用飛行器周圍的靜電能量來減小飛行器的雷達反射截面。俄羅斯的最新試驗表明，應用第三代等離子體隱身技術。在414GHZ頻率范圍內可以使米格飛機的RCS值減少到原來的1%。除美、俄外法國的研究人員正在研制一種新的有源隱身系統(tǒng)，據(jù)報道可能會采用等離子體屏蔽技術。對等離子的某些研究成果很可能用于作戰(zhàn)飛機特別明顯部位的屏蔽如空氣進口，排氣口或機頭。澳大利亞國立大學也已研制出了等離子體隱身天線。鑒于隱身技術在軍事上的重要作用中國在等離子體隱身方面的研究也進行了約l0年時間。有不少科研機構

15、和大專院校的有關院系都在進行等離子技術及其應用的研究，在對等離子雷達隱身方面已經取得了原理驗證上和工程試驗的成功，并有很多獨到的創(chuàng)新，預計再經過大約10年左右的時間。我國飛行器即有望實現(xiàn)全面等離子隱身。發(fā)展前景編輯美蘇兩國研究自60年代以來，美國、前蘇聯(lián)等軍事強國就開始研究等離子體吸收電磁波的性能。80年代初，前蘇聯(lián)最早開始進行等離子體實驗，研究的重點是等離子體在高空超音速飛行器上的潛在應用；90年代初，美國休斯實驗室進行的一項為期兩年、投資65萬美元的實驗表明，應用等離子體技術，可使一個13厘米長的微波反射器的雷達截面能夠在4-14吉赫茲頻率范圍內平均降低20分貝，即雷達獲取回波的信號強度減

16、小到原來的1%。1997年，美國海軍委托田納西大學等單位發(fā)展等離子體隱身天線。其機理是；將等離子體放電管作為天線元件，當放電管通電時就成為導體，能發(fā)射和接收無線電信號；當斷電時便成為絕緣體，基本不反射敵探測信號。初步的演示已顯示了這種天線的發(fā)射接收功能和隱身特性。1 突破性進展等離子體隱身技術在俄羅斯取得了突破性進展，其研究領先于美國。據(jù)報道，俄羅斯克爾德什研究中心開發(fā)出第一代和第二代等離子體發(fā)生器，并在飛機上進行了試驗，獲得了成功。第一代產品是等離子體發(fā)生片，其厚度為0.50.7毫米，電壓為幾千伏，電流為零點幾毫安，將該發(fā)生片貼在飛行器的強散射部位，電離空氣即可產生等離子體。第二代

17、產品是等離子體發(fā)生器，在等離子體發(fā)生器中加入易電離的氣體，經過“脈沖電暈”，氣體由高溫轉為低溫，即可產生等離子體。第二代產品的重量不到100公斤，已經全面進行了地面和飛行試驗，它不僅能減弱雷達反射信號，還能通過改變反射信號的頻率以實現(xiàn)隱身?？藸柕率惭芯恐行恼趹眯碌奈锢碇R研制效果更好的第三代產品，據(jù)預測，第三代產品可能利用飛行器周圍的靜電能量來減小飛行器的雷達截面。1 俄羅斯未來的1.42隱身戰(zhàn)斗機樣機并沒有像美國那樣的隱身外形設計，其隱身能力是利用他們稱之為“自己開發(fā)的減少雷達特征的方法”來實現(xiàn)的，這很可能包括等離子體隱身技術。由于等離子體隱身技術已受到世界軍事強國的關注，因此

18、它將可能具有廣闊的應用前景。1 局限性編輯它本身的不足之處等離子體隱身也有它本身的不足之處，如等離子體發(fā)生器有較大的重量和體積，產生等離子體的功耗比較大等；飛機上安裝等離子體發(fā)生器的部位本身無法雷達隱身和等離子體發(fā)光暴露目標的問題：等離子體的高溫損壞機體材料以及等離子體對機體材料的腐蝕問題：采用放射性同位素的問題是同位素的劑量難以控制等。實現(xiàn)等離子隱身的關鍵在于如何對等離子體包層的電子密度進行控制。另一方面，從掌握的資料看。等離子體隱身的有效頻率范圍一般在20GHZ以內還沒有看到等離子體隱身技術適用毫米波波段的報道。等離子體發(fā)生器一般采用氣體放電法產生非平衡冷等離子體這類發(fā)生器很大的

19、重量、體積和功耗構成了阻礙等離子體隱身技術實用化的主要問題。因等離子體隱身需要的電子密度和振蕩頻率較高，并需要大面積使用，所以若要求覆蓋KU波段以前的所有雷達電磁波。所需要的等離子體電子數(shù)密度為4.02×1012/cm3的量級相應的電子與中性粒子的碰撞頻率為50200GHz這比當前工業(yè)上使用發(fā)生器能力高出l2個量級。而又因為等離子體發(fā)生器發(fā)出的等離子體要噴射到機體外部空間使用以形成變密度的等離子體云導致與密封空間情況完全不同，等離子體復合速率大大增加。按飛機所需空間計算，等離子體云最小體積為25 30m3，使用壓力01個大氣壓，這是現(xiàn)有等離子體發(fā)生器難以達到的量級一要達到這個量級等離

20、子發(fā)生器重量和體積都會有幾個數(shù)量級級別的增長，這是內部空間有限并且有效載荷有限的飛行器所不可接受的在實驗室條件下而且在實驗室條件下，雖可利用常規(guī)放電方法來產生這樣電子密度量級的等離子體，但不足在飛機外圍這么大的空間中使用。而要產生在飛機外圍空問使用的體積為30m3的等離子體云，即使電離最易電離的氨氣，所需功率也高達95000千瓦這對機載電源來說，是很難達到的。何況，飛機上還不希望攜帶惰性氣體。而若直接電離飛機周圍的空氣因空氣更難電離，所需功率比上述值還要大一個數(shù)量級。高溫問題也是等離子體在航空隱身工程應用中遇到的重要問題之一。因為高溫不僅毀壞機體也會引起額外輻射。不足我們感興趣的是冷等離子體，

21、而實際在非均衡等離子體中電子溫度還高于10000攝氏度。過去，人們將等離子體的這一能量集聚起來做成電子槍。用于等離子體切割，焊接、表面處理等工業(yè)部門之中?？梢詳嘌院娇针[身工程可應用的就是非均衡的冷等離子體。產生這種等離子體的可能是一種低氣壓氣體放電裝置：當氣壓為13. 3133Pa時電子溫度高達10000，而等離子體溫度只有300，不會燒壞機體。另外若無法控制等離子體中的離子密度，會造成飛機表面材料的濺射腐蝕和表面發(fā)泡，形成三維缺陷(如針孔氣泡等缺陷)導致材料強度、硬度和飛機氣動性能的下降。涂抹放射性同位素雖然可以實現(xiàn)飛機某些強散射部位(如進氣道內腔等處)的隱身，但是其劑量難以控制其生產、使用

22、和雛護的代價極為高昂，后勤維護也非常圍難，其放射性還會給周圍人員帶來傷害。而更重要的問題是，放射性同位素產生的等離子體層較薄，產生速率較低造成電子密度不夠高，無法滿足飛機對寬頻段、大面積以及全方位的隱身需求。結語以上這些因素決定了在現(xiàn)階段等離子體隱身技術依然處于試驗階段，所有相關研究成果報道也僅限于實驗室的試驗結果與數(shù)據(jù)遠非實用產品的實際使用報道，等離子體隱身技術距離完全實用化還有一段距離。也就是說，等離子體隱身在現(xiàn)實中還不是實用技術還只是我們的理想。新思路編輯研制等離子體產生器件國內有關研究單位提出了將高氣壓強電離氣體放電方式產生的非平衡冷等離子體用于隱身并展開了相應的研究，認為利用強電離氣

23、體放電方法產生非平衡冷等離子體的實用型等離子體發(fā)生器，可望解決當前等離子體隱身技術普遍存在的一些主要問題。提出問題2005 年，我國大連海事大學環(huán)境工程研究所下屬的高氣壓強電離放電遼寧省重點實驗室，在高氣壓強電場電離放電理論及方法的研究取得了突破性進展，強電離放電間隙中大多數(shù)電子具有的能量足以把氨、氧等作為空氣成分的氣體分子電離成高濃度等離子體其等離子體濃度也可能達到1015/cm3左右(而用于隱身技術的臨界電子濃度在1012/cm3這個量級)遠高于弱電離放電7個數(shù)量級。這就有可能使現(xiàn)有的弱電離放電非平衡冷等離子體源及其反應器的 體積、質量、能耗等主要參數(shù)也相應減少5個數(shù)量級左右為其在軍事裝備

24、和工業(yè)上應用鋪平了道略。再加上強電離放電的電子平均能量達到氣體分子的平均電離能這就能解決過去科學技術無法解決的軍事和軍事上的一些重大的技術疑難問題。它在未來的軍事、經濟上的應用意義是難以估量的。研制大連海事大學環(huán)境工程研究所下屬的高氣壓強電離放電遼寧省重點實驗室還在2005年進行了外加非均勻強電場、空間電荷形成的本征電場對離子(正、負離子) 的作用力及其定向運動漂移)規(guī)律的研究?；旧险莆樟烁邼舛入x子(>1014/cm3)在雪崩頭空間積累電荷的物理演變過程及其物理量概算方法，并著重研究本征電離子的運動速度影響規(guī)律。這就為研制強電離放電非平衡冷等離子體源提供了理論基礎。另外，他們采用通過氣體把外加力作用到強電場中的離子上當外加怍用力大于電場束縛力時，就可使強電離放電非平衡冷等離子體源里的高濃度