等离子体隐身技术概论

《等离子体隐身技术概论》由会员分享，可在线阅读，更多相关《等离子体隐身技术概论（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、等离子体隐身技术发展概述（报告）1等离子体隐身技术发展摘要：主要介绍了等离子体隐身技术的基本原理和技术特点，阐述了其发展过程及具体应用环境条件，分析了国际上各种等离子体隐身技术装备的技术特点和不足，同时也探讨了等离子体隐身技术的发展前景和趋势。关键词：等离子体 隐身技术 雷达探测 密度 频率多年来，随着国际形势的不断变化，各种精确的雷达探测技术以及精确制 导技术大量地应用于武器系统中，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，这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 术作为一种全新的隐身概念，

2、其研究最早可以追溯到 1957 年，前苏联发射第一 颗人造卫星时，科学家就注意到：人造卫星的电磁散射特性与普通的金属球不 一样，而形成这种现象的关键因素就是卫星飞行时在其周围形成了等离子体层。 直到 20 世纪八九十年代末。等离子体隐身技术才有了长足的发展。随着等离子 体天线的面世，等离子体隐身技术才应用于实用阶段。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，尤其是最近正研究的第三代等 离子体隐身系统，在 414GHz 频率范围内可以使米格飞机的雷达截面积( 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

3、同，但是由于它没有刻意地去改变飞机的气动性能，因此具 有更高的性价比。正是由于等离子体隐身技术具有吸波频带宽、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需改变飞行器的外形， 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。1.等离子体及其隐身机理1.1 等离子体概念等离子体一般是指尺度大于德拜（Debye，电偶极矩单位）长度的宏观中 性电离气体，其运动主要受电磁力的支配，并表现出显著的集体行为。当任何 不带电的普通气体在受到外界的高能激励作用(如对气体加高能粒子轰击、激光 照射、气体放电，热致电离等方法)后，部分原子中的电子脱离原子核束缚成为

4、自由电子，原子因失去电子而成为带正电的离子，这样原来中性气体就因电离 而转变成由大量自由电子、正电离子和部分中性原子组成的宏观仍呈电中性的 电离气体，这类气体称为等离子体。等离子体被认为是继固态、液态和气态三 种形态之外的第四态物质，其运动主要受电磁力的支配。尽管等离子体在整体 上呈电中性却其有了很好的导电性，普通气体中如有 0.1的气体被电 离这种气体就具有很好的等离子体特性，如果电离气体增加到 l，这样的 等离子体便成为导电率很大的理想导电体。一般情况下等离子体按其热容量大 小可分为高温等离子体、热等离子体和低温等离子体。1.2 等离子体隐身原理等离子体隐身技术发展概述（报告）2等离子体隐

5、身技术是指利用电磁波与等离子体之间的相互作用，利用等离 子体对电磁波的反射、折射、吸收、变频等特性，将电磁波能量衰减，改变电 磁波的传播相角乃至使电磁波产生绕射从而回避探测系统的一种技术。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中电子的集体振荡频率， 频率的高低代表了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，电磁波就不会被 等离于体截止，而能够进入等离子体并在其中传播，

6、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 大量的中性粒子，所以还存在着介电损耗。此外，等离子体在雷达波交变电场 的作用下会产生极化现象，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，由于等离子体 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。 最常见的有两

7、种即折射隐身和吸收隐身。第一，折射隐身。通过非均匀等 离子体对入射电磁波的折射使电磁波传播轨迹发生弯曲，减小目标被雷达波照 射的面积，同时使雷达回波偏离敌方雷达的接收方向，从而使目标难以被敌方 雷达发现，达到隐身的目的。不均匀非磁化等离子体中电磁波的传播主要取决 于等离子体的折射率，考虑电磁波在等离子体中传播时可以忽略等离子体间碰 撞，此时由于等离子体的折射率与等离子体自由电子密度有关，适当设计隐身 等离子体密度分布，使入射到等离子体内部的雷达电磁波向外发生弯曲，减小 目标在雷达波下的投影面积，同时使雷达回波偏离敌方雷达的接收方向，即可 实现对雷达波的折射隐身。第二，吸收隐身。对入射到等离子体

8、内部的电磁波， 等离子体能通过碰撞吸收其大部分的能量。非磁化等离子体具有“高通滤波器” 的性质，大于等离子体频率为通带，小于等离子体频率为阻带。当雷达频率低 于等离子体频率时，非磁化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。此外，等离子体中带电粒子在漂移过程中必然会遇到各种形 式的碰撞，当频率大于等离子体频率的电磁波入射到等离子体内部时，等离子 体通过碰撞吸收大部分入射波的能量。其作用机理是:电磁波的电场对自由电子 做功，把一部分能量传

9、给电子，而自身能量被衰减，电子通过与其他粒子的有 效碰撞，把能量转化为无规则运动的能量，并按自由度均分。2.等离子体隐身技术发展由于等离子体隐身技术通常具有如：(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，维护费用等离子体隐身技术发展概述（报告）3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

10、减少 30以上的飞行阻力等一系列优点，所以可以说等离 子体隐身技术的出现无疑为我们提供了一个隐身技术研究新的思路。由于等离 子体隐身技术在军事上广泛的应用前景，自从提出以来一直在世界范围内引起 着极大的关注。各国均投入了巨大的研究力量，取得了很多进展。 在军事应用上，隐身等离子体产生并维持足够大的密度、范围和时间是一 个关键性的问题。该问题对将等离子体隐身技术能否成功应用到军事目标上有 决定性的影响。目前等离子体产生的方法主要有热致电离法、放射性同位素照 射法、气体放电法、强激光、高功率微波照射法等。目前，得到实际应用的产 生隐身等离子体的方法主要有两种:一种是利用等离子体发生器产生等离子体，

11、 即通过电源以高频、高压的形式产生气体放电，将气体电离形成等离子体。例 如，美国休斯(Hughs)实验室和俄罗斯克尔德什(Keldysh)研究中心进行的等离 子体隐身试验均采用了该方法。另一种是在目标特定部位(如强散射区)涂一层 放射性核素，其在衰变的过程中放出的射线（如 、 和 射线）都具有很 高的能量，它们在穿过气体的过程中，通过轰击气体分子使其电离，产生大量 的电子和离子从而形成等离子体。但是与前者相比，后者比较昂贵且维护困难。利用等离子体发生器产生等离子体，常采用工业上比较成熟的产生等离子 体的方法。常见的气体放电的主要形式有:辉光放电，电晕放电等侧。而使用放 射性同位素产生等离子体时

12、，需要考虑的主要问题有:电离气体的种类(哪种气 体较易电离，并能维持足够的等离子体密度和较长的时间)，放射性同位素的种 类(哪种核素有合适的半衰期，其射线要有较高的能量)，安全防护问题等。放 射性核素在其衰变过程中，能自发地发出一种或几种射线。作为等离子体隐身 使用的放射性核素，必须要有合适的半衰期，半衰期太长，则放射性太弱，不 能产生足够的等离子体密度。半衰期太短，则放射性很强，维持的时间太短， 容易使产生的等离子体自由电子密度大于临界值。使入射雷达电磁波在等离子 体临界密度处被反射。不同的放射性核素产生的放射性的种类和能量均不一样， 因而电离效果差别也很大。 射线是由高能 粒子组成，一般它

13、们在标准状 态下的射线较短(约几个厘米)，但能量也较高(几兆电子伏特)因此易于产生高 密度等离子体。 射线是由高能电子组成，由于质量比 粒子小得多，能量 一般小于 1Mev，射程也较长(约几米)，产生的等离子体电子密度较低，范围也 较大。 射线的能量大致与刀射线相当，但射程要长得多(一般比 射线大两 个数量级)，不能产生等离子体。目前，选择衰变时放出 射线的的同位素较 多。对气体的选择，目前，选择惰性气体、氢气、氮气、空气的较多。3国内外应用研究现状众所周知，等离子体在一定条件下能强烈地衰减电磁波。这种现象早在弹 道导弹和返回式卫星及飞船重返大气层时总是出现通讯中断的现象中就被观察 到。早在

14、1957 年，前苏联发射了第一颗人造卫星时，科学家就注意到:人造卫 星的电磁散射特性与普通的金属球不一样。其原因是卫星飞行时形成的等离子 体层。1962 年，swamerl 首次发表了关于被等离子体覆盖的导体目标 RCS 的研 究文章。在上个世纪冷战期间，美国和前苏联都进行过多次高空核爆炸试验， 试验的结果证明，在高空中进行大当量(百位吨级)核爆炸，就能在高空中形成 数百公里的等离子体区，使雷达电磁波不能通过，该现象称为雷达黑障。在雷等离子体隐身技术发展概述（报告）4达黑障的掩护下，大量的后续导弹可以轻松地避开敌方的监测雷达。上世纪八 十年代末、九十年代初，美国和俄罗斯就开展一系列的关于等离子

15、体隐身技术 可行性的研究。1988 年，美国的国防报告显示美国空军己开展大气压力下等离 子体对电磁波吸收特性的研究。1992 年，美国休斯实验室进行的实验表明，应 用等离子体隐身技术，可使一个直径 7cm、高 18cm 的陶瓷罩内(充满气体发电 产生的等离子体)的微波反射器的雷达散射截面(RCS)在 414GHz 范围内降低 2025dB。该试验也证明了电磁波进入等离子体球时所造成的衰减高达 100dB。1996 年的美国国防报告显示，等离子体隐身技术的研究已由非磁化等 离子体深入到磁化等离子体。1998 年，美国的等离子体隐身技术正式进入实用 阶段，美国海军委托田纳西大学(univ.ofTe

16、nnessee)等研究单位成功开发出了 等离子体隐身天线。该系统的天线单元是一个 U 形等离子体放电管。当放电管 通电时就成为导体，能发射和接受无线电信号。当放电管断开电源时就成为绝 缘体，使敌方的雷达不能发现。据报道，近几年等离子体隐身技术在俄罗斯也 取得了突破性进展，其研究领先于美国。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。该研究所在地面模拟设备和自然条件下以及 飞机上的试验已经充分地证明了这种隐形技术的实用性。第一代产品是等离子 体发生片，将这种等离子发生片贴在飞行器的电磁波强散射部位，即可使周围 空气产生等离子体。第二代产品不仅能减弱目标的雷达反射信号，而且还能向 敌方探测雷达发射一些假信号，使敌方难以正确判断目标位置、高度和飞行速 度。目前，克尔德什研究中心正在研究效果更好的第三代产品。此外，近几年 在国内外期刊和学术会议上也不断有等离子体隐身技术方面的论文不断发表。 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