等離子體隱身技術(shù)研究綜述

李洪友

摘要：隱身技術(shù)是目前國防科技的重點(diǎn)研究對象，各種探測技術(shù)的發(fā)展對作戰(zhàn)武器裝備的生存能力構(gòu)成嚴(yán)重威脅。等離子體隱身技術(shù)作為一種新概念、新原理隱身技術(shù)，由于具有很大的軍用潛在應(yīng)用價值而受到廣泛關(guān)注。本文通過大量梳理相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)等離子體隱身原理、國內(nèi)外研究進(jìn)展，介紹了目前等離子體實(shí)際應(yīng)用方向以及優(yōu)缺點(diǎn)，并對等離子體隱身技術(shù)未來應(yīng)用前景做出展望。

關(guān)鍵詞：等離子體，隱身，武器裝備

1引言

信息化作戰(zhàn)是海、陸、空、天一體化作戰(zhàn)背景下由多種武器裝備和探測手段構(gòu)成的協(xié)同作戰(zhàn)。隨著偵察探測技術(shù)的不斷發(fā)展，作戰(zhàn)空間內(nèi)的各種武器裝備都具備了全時域、全空間的偵察能力。另外隨著精確制導(dǎo)武器和進(jìn)攻武器的發(fā)展，軍事目標(biāo)面臨“發(fā)現(xiàn)即被摧毀”的情況。雷達(dá)探測是目前最廣泛使用的探測方式，適用于空中、海上、地面的多種目標(biāo)探測。除此之外雷達(dá)波具有一定的穿透能力，對地下目標(biāo)也具有很好的識別能力。為了減小軍事目標(biāo)被敵方雷達(dá)探測到的概率，需要積極發(fā)展目標(biāo)隱身防護(hù)技術(shù)。目前采用隱身技術(shù)的作戰(zhàn)平臺，如F117戰(zhàn)斗轟炸機(jī)、B2轟炸機(jī)、F22戰(zhàn)斗機(jī)等廣泛采用的是外形隱身技術(shù)和吸波材料。但隨著探測波段頻帶范圍的增加、探測精度的提高，已有的隱身技術(shù)已經(jīng)難以滿足需要。

等離子體隱身技術(shù)是利用等離子體來回避雷達(dá)探測的一種不同于外形隱身、吸波材料等傳統(tǒng)隱身技術(shù)的非常規(guī)隱身技術(shù)，可以在無須改變外形或材料的前提下大大降低目標(biāo)的雷達(dá)散射截面（Radar Cross Section，RCS）。等離子體隱身主要利用噴射等離子體氣流，致使作戰(zhàn)平臺周圍環(huán)繞等離子云，同時利用等離子體與雷達(dá)波的相互作用來吸收雷達(dá)波、衰減反射信號，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)隱身[1]。與目前的隱身技術(shù)相比，等離子體隱身技術(shù)在軍事上具有極高的潛在應(yīng)用價值，將成為隱身技術(shù)發(fā)展新的突破方向。

本文詳細(xì)介紹了等離子體隱身的原理與實(shí)現(xiàn)過程，通過大量文獻(xiàn)查詢目前國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，總結(jié)等離子體隱身的特點(diǎn)與實(shí)際應(yīng)用，為未來等離子體隱身技術(shù)的發(fā)展提供參考。

2等離子體隱身的基本原理

等離子體是由大量帶電粒子組成的非束縛態(tài)宏觀體系。當(dāng)不帶電的普通氣體粒子受到外界高能激勵作用，部分原子中的電子脫離原子核束縛成為自由電子，這樣原來中性氣體就因電離而轉(zhuǎn)變成由大量自由電子、正電離子和部分中性原子組成的宏觀仍呈電中性的電離氣體。等離子體被認(rèn)為是繼固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)3種形態(tài)之外的第4態(tài)物質(zhì)[2-3]。

雷達(dá)探測技術(shù)在現(xiàn)代信息化作戰(zhàn)中占有重要地位，可以通過控制等離子體參數(shù)（如等離子體頻率、碰撞頻率）來實(shí)現(xiàn)規(guī)避不同電磁波頻段探測的要求。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(yīng)的快慢。其表達(dá)式為

等離子體隱身技術(shù)的原理就是利用電磁波與等離子體互相作用的特性，等離子體對電磁波有兩個隱身作用：一是吸收隱身，即人射電磁波在等離子體層中傳播時，電離層中的自由電子在電磁波的作用下發(fā)生振動發(fā)熱，吸收電磁波的能量，使電磁波的振度衰減;二是折射隱身，通過非均勻等離子體對入射電磁波的折射作用使電磁波傳播軌跡發(fā)生彎曲，使目標(biāo)雷達(dá)回波信號減小，繼而達(dá)到隱身的目的。只要在兵器表面形成一層等離子體，滿足要求的特征參數(shù)（厚度、電離度、振蕩頻率、碰撞頻率），就能使照射到等離子體層下的雷達(dá)波一部分被吸收，一部分改變方向，達(dá)到隱身目的[5-6]。

3等離子體隱身技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

自20世紀(jì)50年代以來，以俄羅斯和美國為首的國家致力于軍事隱身技術(shù)的發(fā)展，等離子隱身技術(shù)作為一種新的隱身技術(shù)已引起了廣泛的關(guān)注。早于1999年，俄羅斯克爾德什研究中心宣稱，他們已研制出完全不同于美國“常規(guī)”隱身技術(shù)的新機(jī)制飛行器隱身系統(tǒng)，開發(fā)出了等離子體裝置。第一代裝置是比較簡單的等離子體發(fā)生片，將該發(fā)生片貼在飛行器的強(qiáng)散射部位，可以減弱電磁波改變信號長度;第二代裝置為等離子體發(fā)生器，加入了易電離的中性氣體即可產(chǎn)生等離子體，除具備發(fā)生片的功能外，還能向敵人發(fā)出假信號。目前，這兩代等離子體隱身技術(shù)產(chǎn)品已進(jìn)行了成功試驗(yàn)。正在研究的第三代等離子體隱身系統(tǒng)，可利用飛行器周圍的靜電能量來減小飛行器的雷達(dá)反射截面積。2010年7月，俄羅斯對外宣布其第五代戰(zhàn)機(jī)T50采用了等離子體隱身技術(shù)，具有良好的隱身性能[7-11]。

美國對等離子體隱身技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，取得了一些突破性進(jìn)展。20世紀(jì)90年代初，美國休斯實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了為期2年的研究計(jì)劃。第一階段是測量電磁波在充滿等離子體的矩形波導(dǎo)管中傳播的透射和反射，取得了重要突破。第二階段，研制和驗(yàn)證了等離子體隱身模型組件，所測量的充滿等離子體的外殼反射微波信號的衰減為37dB，在4到14GHz頻段范圍內(nèi)的RCS減小量為20～25dB。據(jù)美國《航空周刊與航天技術(shù)》2006年3月報道，美國研制的AGM-158A型導(dǎo)彈也采用了等離子體隱身技術(shù)。2004年美國STAVATTI公司在出口型戰(zhàn)斗機(jī)F-26機(jī)身和機(jī)翼內(nèi)放置等離子體包，利用等離子體發(fā)生裝置在機(jī)身蒙皮和機(jī)翼蒙皮內(nèi)產(chǎn)生低壓等離子體和探測雷達(dá)波相互作用，達(dá)到隱身效果。

國內(nèi)對等離子體隱身技術(shù)的研究起步較晚。起初主要對等離子和電磁波的相互作用理論和數(shù)值模擬進(jìn)行探索和研究，研究等離子體的物理性質(zhì)，并提出一些具有實(shí)際應(yīng)用價值的方法與模型。2002年開始我國將等離子隱身技術(shù)研究列為國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目之一。目前，國內(nèi)主要進(jìn)行等離子體隱身的原理驗(yàn)證和數(shù)值模擬并未真正進(jìn)入實(shí)踐階段。2000年以后，等離子體隱身技術(shù)的研究受到了國內(nèi)的關(guān)注。許多相關(guān)項(xiàng)目已獲得各種國家科研基金的資助，在理論、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究上都取得了重大突破，但與實(shí)際應(yīng)用還是存在很大距離。

4等離子體隱身的實(shí)際應(yīng)用

1、等離子體技術(shù)在隱身雷達(dá)天線方面的應(yīng)用

等離子隱形雷達(dá)天線采取的是低壓放電方法，可以產(chǎn)生具有均勻電子密度分布的平面等離子體，根據(jù)等離子反射電磁波的特性進(jìn)行天線設(shè)計(jì)。當(dāng)入射在等離子體平面上的電磁波頻率小于等離子體頻率時，入射波不能透過等離子體層，然后入射的電磁波就會像入射在平面鏡上的可見光一樣在等離子體表面形成全反射。此種雷達(dá)的特點(diǎn)是可以在一種密度的平面等離子上傳輸寬頻帶或多頻帶電磁波，等離子體鏡面的形成時間與關(guān)閉時間短，一般為10 ，等離子體平面的方位角和仰角可以控制，可形成空間任意方向的等離子體鏡面。因此，等離子體鏡像雷達(dá)可以迅速跟蹤和定位空中多個高速運(yùn)動的目標(biāo);此外，等離子體鏡像雷達(dá)優(yōu)越性還表現(xiàn)在它可以對雷達(dá)傳輸頻率、電子戰(zhàn)中靶標(biāo)的照射和低雷達(dá)散射截面目標(biāo)的檢測進(jìn)行優(yōu)化，通常的雷達(dá)系統(tǒng)是難以做到的。

2、等離子體隱身在飛行器的應(yīng)用

飛行器的等離子體隱身技術(shù)是目前等離子體隱身應(yīng)用研究最熱門的方面，世界各軍事大國均為此投入了大量的人力物力，并已經(jīng)取得了一定的成果，甚至開始轉(zhuǎn)入實(shí)用化階段[4]。

飛行器的等離子體隱身主要是針對其前向的RCS值，即減弱機(jī)頭方向的雷達(dá)、座艙和進(jìn)氣道三大強(qiáng)散射部位的散射，同時應(yīng)考慮其正下方、后方和側(cè)面散射。因?yàn)橥鈷煳淦鲿O大地增加飛行器的RCS，飛行器后方的尾噴口也是強(qiáng)散射元。因此在進(jìn)行飛行器隱身設(shè)計(jì)時，可以考慮將等離子體覆蓋在這些強(qiáng)散射部位，即在機(jī)頭、進(jìn)氣口、機(jī)翼、平尾以及垂尾、側(cè)向的機(jī)翼與機(jī)身、垂尾與后機(jī)身、后機(jī)身與平尾構(gòu)成的角反射器等處形成等離子體。飛行器隱身用等離子體可以根據(jù)位置的不同采用多種方法來實(shí)現(xiàn)?？紤]到通信、導(dǎo)航以及敵方識別信號的傳送，在機(jī)頭方向應(yīng)采用能適時產(chǎn)生等離子體的方法;在進(jìn)氣口和尾噴管附近，可以采用涂敷放射性同位素的方法。

5等離子體隱身技術(shù)主要特點(diǎn)

利用等離子體實(shí)現(xiàn)目標(biāo)隱身是一個非常有效的手段。等離子體在隱身領(lǐng)域中主要是應(yīng)用它的吸收隱身和折射隱身，由于產(chǎn)生等離子體的密度多是不均勻的，所以吸收隱身占據(jù)主要地位;與常規(guī)的外形隱身、吸波材料隱身相比，等離子體隱身具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢[14-16]：

（1）可以實(shí)現(xiàn)外形隱身和吸波材料的隱身效果。

（2）具有吸波頻帶寬、效率高、使用簡便、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)。

（3）可以調(diào)節(jié)等離子體頻率和碰撞頻率來改變工作頻帶范圍。

（4）無需改變武器平臺的氣動外形設(shè)計(jì)，不影響武器的工作性能。

（5）由于沒有吸波材料涂層，維護(hù)費(fèi)用較低。

（6）對作戰(zhàn)平臺的外形沒有特殊的要求，可以把沒有隱身性能的武器平臺改裝成隱身武器。

盡管等離子體隱身有諸多優(yōu)點(diǎn)，可是在應(yīng)用的過程中仍然存在著許多需要解決的問題：

（1）產(chǎn)生等離子體并維持一定的電子密度和范圍需要消耗一定的能源。

（2）產(chǎn)生等離子體需要分子或者原子作為電離對象，這給在真空中飛行的衛(wèi)星和稀薄大氣層中的戰(zhàn)略導(dǎo)彈利用等離子體隱身造成了困難。

（3）用電弧放電的方法產(chǎn)生等離子體的同時，會產(chǎn)生射頻輻射、強(qiáng)烈的閃光和紫外線。這些信號泄露不僅不利于隱身效果，還可能對人員產(chǎn)生損傷。

（4）作戰(zhàn)武器周圍的等離子體在吸收對方雷達(dá)波的同時，對其本身的通信、導(dǎo)航、雷達(dá)和敵我識別信號的傳輸都能造成衰減，甚至中斷。

（5）產(chǎn)生的等離子體參數(shù)存在一定誤差，難以完全滿足要求。

6結(jié)語

對等離子體的研究僅僅有幾十年，把它用作軍事用途研究的時間更短，但等離子體卻發(fā)揮著越來越廣泛、越來越重要的作用。等離子體隱身技術(shù)作為新概念隱身方法和防御系統(tǒng)，目前在理論和試驗(yàn)上已經(jīng)獲得成功，如果在實(shí)際工程上研制成功，將對未來戰(zhàn)爭產(chǎn)生革命性的影響。

由于等離子體的特點(diǎn)，它可以在不影響作戰(zhàn)武器本身外形和材料的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)隱身效果，除此之外還可以通過調(diào)節(jié)等離子體的物理參數(shù)改變工作頻帶范圍，而且價格相當(dāng)便宜，能夠廣泛用于各類作戰(zhàn)飛機(jī)、導(dǎo)彈彈頭和衛(wèi)星的隱身。隨著等離子體隱身技術(shù)的發(fā)展，作為未來隱身技術(shù)發(fā)展的一個新的突破方向，必將成為世界各軍事強(qiáng)國競相研究和發(fā)展的重點(diǎn)，對未來的高技術(shù)戰(zhàn)爭、導(dǎo)彈突防技術(shù)和導(dǎo)彈、飛機(jī)等武器系統(tǒng)的發(fā)展和作戰(zhàn)模式產(chǎn)生巨大而深遠(yuǎn)的影響。

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