等離子體隱身技術(shù)分析及數(shù)值模擬研究

李俊 鐘孟春 毛保全

摘 要：隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，低溫等離子體技術(shù)蓬勃發(fā)展，日新月異，已被廣泛運(yùn)用到工程領(lǐng)域，深刻改變著人類的生活。在軍事領(lǐng)域，等離子體隱身技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景。本文跟蹤等離子體隱身技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)，詳細(xì)介紹了等離子體隱身技術(shù)及數(shù)值模擬研究。

關(guān)鍵詞：等離子體；隱身技術(shù)；數(shù)值模擬

現(xiàn)代戰(zhàn)爭發(fā)現(xiàn)即摧毀，戰(zhàn)場信息探測和偵查技術(shù)越來越重要。隱身技術(shù)就是通過減弱、抑制、吸收、偏轉(zhuǎn)目標(biāo)的雷達(dá)回波強(qiáng)度，來降低目標(biāo)的雷達(dá)散射截面（RCS），從而盡可能減弱雷達(dá)回波信號(hào)，使目標(biāo)在一定范圍內(nèi)難以被雷達(dá)識(shí)別和發(fā)現(xiàn)[1]。等由于等離子體的“帶電”特性，能有效的吸收和反射電磁波，離子體隱身技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

1 研究現(xiàn)狀：

等離子體當(dāng)中存在數(shù)量巨大的自由移動(dòng)的電子和離子，當(dāng)電磁波經(jīng)過等離子體區(qū)域的時(shí)候，電磁波會(huì)受到電子與離子的影響，產(chǎn)生一定的衰減。上世紀(jì)90年代W.W.Destler的研究小組利用高效率的微波脈沖照射等離子體，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電磁波發(fā)生了發(fā)射和吸收，其衰減達(dá)到了30dB以上。袁忠才[2]等人通過對十幾赫茲的電磁波在大氣中燃燒等離子體內(nèi)傳輸特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)電磁波在等離子體內(nèi)會(huì)與帶電粒子發(fā)生碰撞，導(dǎo)致一部分電磁波被吸收，衰減程度達(dá)到25dB。張曉友等人也對電磁波在等離子體中的衰減情況進(jìn)行了試驗(yàn)研究，他們采用量級(jí)為G赫茲的電磁波穿過等離子體，發(fā)現(xiàn)衰減達(dá)到了18dB以上。馬平[3]的研究小組對等離子體的電子密度與電磁波衰減情況進(jìn)行了研究。他們采用試驗(yàn)的手段，通過控制火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中生成等離子體的電子密度，當(dāng)電子密度達(dá)到1011cm-3時(shí)，電磁波的衰減程度最大，超過65%的電磁波被吸收。

2 等離子體隱身技術(shù)建模分析

由于等離子體可以看作一個(gè)流動(dòng)的導(dǎo)體，研究電磁波在其中的傳播需要用到流體力學(xué)的基本方程和電磁場方程，所以比較復(fù)雜。為簡化分析，又符合事實(shí)，做以下幾個(gè)假設(shè)：

（1）在電離層中，正離子的質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子的質(zhì)量，所以在小信號(hào)高頻外場作用下，可近似地認(rèn)為正離子不運(yùn)動(dòng)，而只考慮電子的運(yùn)動(dòng)

（2）認(rèn)為等離子體的密度很小，即單位體積中的電子數(shù)N較少，不發(fā)生電子彼此間和電子和中性粒子之間的碰撞。

（3）認(rèn)為電離子體是“冷”氣體，即沒有熱騷動(dòng)，在一個(gè)較為長期的時(shí)段里由于溫度是緩慢變化的，所以我們可以把高空電離層看作是沒有熱騷動(dòng)的。

（4）認(rèn)為等離子體的介電常數(shù)為ω0 ，磁導(dǎo)率為μ0 ，與真空中一樣。

朗繆爾震蕩頻率 頻率為ω的電磁炮在等離子體中的傳

播速度為 ，n為等離子體的電子密度，me 和e分別為電子

的質(zhì)量和所帶電量，ε0 為真空中的介電常數(shù).C為真空中的光速。

由上式可知，ωp≥ω 時(shí)，v為虛數(shù)，物理學(xué)的解釋為電磁波在等離子體中不能傳播，只能將電磁波反射出去，對雷達(dá)探測波產(chǎn)生干擾，捕捉到虛假的目標(biāo)位置。當(dāng)ωp<ω時(shí)，v為實(shí)數(shù)。電磁波雖然能在等離子體中傳播，但是其能量大部分被等離子體吸收，使雷達(dá)接收不到反射波的能量。俄羅斯的米格1. 44戰(zhàn)機(jī)采用等離子體隱身技術(shù)，使飛機(jī)的雷達(dá)反射截面在4MHz ～ 14MHz范圍內(nèi)減少到原來的1%。

物理模型如圖所示。非均勻等離子體被分成n層。入射區(qū)域（0）和出射區(qū)域（P）可以是不同的媒質(zhì)，這里取為自由空間。X方向極化的平面電磁波垂直入射到等離子體中。

（1）先討論電磁波沿+z軸的方向傳播的情況：根據(jù)波動(dòng)方程的分量形式方程

假設(shè)1：若為直線極化波， ，展開上式可得，

，要使上面的方程組成立，則必有Ex=0（因?yàn)?/p>

）此結(jié)果表明，當(dāng)電磁波沿+z軸傳播的時(shí)候，等離子體內(nèi)不可能存在直線極化波的解，即該假設(shè)是不成立的。假設(shè)2若再為右旋圓極化波，即 ，代入波動(dòng)方程，可寫成以下分量形式：

可求得： ，要想使kz有意義，必須滿足 ，

電磁波才可以在磁化等離子體中無衰減的傳播，如果不滿足這個(gè)條件，電磁波只能在x、y平面內(nèi)振蕩或是沿z軸不斷衰減。同樣，對于左旋圓極化波，求得：

，可以看出必

須滿足： ，電磁波才能在磁化等離子體中無衰減的傳

播，如果不滿足這個(gè)條件，電磁波只能在x、y平面內(nèi)振蕩或z軸不斷衰減。

3 數(shù)值仿真

以上采用散射矩陣的方法分析了不同等離子體密度、不同碰撞頻率對電磁波的反射、吸收和透射功率的影響，從而求出不同等離子體參數(shù)對電磁波的影響。等離子體對電磁波的損耗電磁波頻率、等離子體頻率以及等離子體碰撞頻率共同決定。圖為等離子體密度為n=10×1011cm-3時(shí)，吸收功率與碰撞頻率的關(guān)系曲線。

分析這兩張曲圖，不難看出等離子體對電磁波有明顯的吸收和衰減作用。在低頻段，吸收功率隨與電子碰撞頻率呈正相關(guān)，在高頻段，兩個(gè)又呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

4 小結(jié)：

通過上述分析，可以得到下述結(jié)論：等離子體隱身技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) ：①隱身效率高。等離子體可以達(dá)到99%的吸收或折射效果，這樣的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有吸波材料，接近完全吸收，②吸收范圍廣。等離子體具有很寬的吸收波段，基本可以對所有波段的需達(dá)波進(jìn)行吸收和干擾。③不改變裝備外觀設(shè)計(jì)。特別是應(yīng)用在飛行器上，由于不改變飛行器的外觀設(shè)計(jì)，對飛行器的戰(zhàn)技術(shù)性能影響較小，有效降低飛行器的可探測性，可以廣泛用于各類作戰(zhàn)飛機(jī)、導(dǎo)彈彈頭和衛(wèi)星的隱身。

參考文獻(xiàn)：

[1]李香，陳淑清，李偉，潘春樣.雷達(dá)隱身技術(shù)研究[J]新材料和先進(jìn)制造科學(xué)技術(shù).

[2]袁忠才，時(shí)家明，汪家春. 大氣中固體燃燒等離子體與微波相互作用的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 強(qiáng)激光與粒子束，2005，05：707-710.

[3]馬平，秦龍，石安華， 等. 激波管等離子體中太赫茲波傳輸特性仿真與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 紅外與毫米波學(xué)報(bào)，2014，04：420-425.