等離子體隱身技術研究綜述

2020-10-27 10:24:03李洪友

中國電氣工程學報 2020年9期

李洪友

摘要：隱身技術是目前國防科技的重點研究對象，各種探測技術的發展對作戰武器裝備的生存能力構成嚴重威脅。等離子體隱身技術作為一種新概念、新原理隱身技術，由于具有很大的軍用潛在應用價值而受到廣泛關注。本文通過大量梳理相關文獻，總結等離子體隱身原理、國內外研究進展，介紹了目前等離子體實際應用方向以及優缺點，并對等離子體隱身技術未來應用前景做出展望。

關鍵詞：等離子體，隱身，武器裝備

1引言

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

等離子體隱身技術是利用等離子體來回避雷達探測的一種不同于外形隱身、吸波材料等傳統隱身技術的非常規隱身技術，可以在無須改變外形或材料的前提下大大降低目標的雷達散射截面（Radar Cross Section，RCS）。等離子體隱身主要利用噴射等離子體氣流，致使作戰平臺周圍環繞等離子云，同時利用等離子體與雷達波的相互作用來吸收雷達波、衰減反射信號，進而實現隱身[1]。與目前的隱身技術相比，等離子體隱身技術在軍事上具有極高的潛在應用價值，將成為隱身技術發展新的突破方向。

本文詳細介紹了等離子體隱身的原理與實現過程，通過大量文獻查詢目前國內外的研究現狀，總結等離子體隱身的特點與實際應用，為未來等離子體隱身技術的發展提供參考。

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宏觀體系。當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。等離子體被認為是繼固態、液態和氣態3種形態之外的第4態物質[2-3]。

雷達探測技術在現代信息化作戰中占有重要地位，可以通過控制等離子體參數（如等離子體頻率、碰撞頻率）來實現規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的快慢。其表達式為

等離子體隱身技術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生振動發熱，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生彎曲，使目標雷達回波信號減小，繼而達到隱身的目的。只要在兵器表面形成一層等離子體，滿足要求的特征參數（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波一部分被吸收，一部分改變方向，達到隱身目的[5-6]。

3等離子體隱身技術發展現狀

自20世紀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的發展，等離子隱身技術作為一種新的隱身技術已引起了廣泛的關注。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”隱身技術的新機制飛行器隱身系統，開發出了等離子體裝置。第一代裝置是比較簡單的等離子體發生片，將該發生片貼在飛行器的強散射部位，可以減弱電磁波改變信號長度;第二代裝置為等離子體發生器，加入了易電離的中性氣體即可產生等離子體，除具備發生片的功能外，還能向敵人發出假信號。目前，這兩代等離子體隱身技術產品已進行了成功試驗。正在研究的第三代等離子體隱身系統，可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積。2010年7月，俄羅斯對外宣布其第五代戰機T50采用了等離子體隱身技術，具有良好的隱身性能[7-11]。

美國對等離子體隱身技術進行了大量的研究，取得了一些突破性進展。20世紀90年代初，美國休斯實驗室進行了為期2年的研究計劃。第一階段是測量電磁波在充滿等離子體的矩形波導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頻段范圍內的RCS減小量為20～25dB。據美國《航空周刊與航天技術》2006年3月報道，美國研制的AGM-158A型導彈也采用了等離子體隱身技術。2004年美國STAVATTI公司在出口型戰斗機F-26機身和機翼內放置等離子體包，利用等離子體發生裝置在機身蒙皮和機翼蒙皮內產生低壓等離子體和探測雷達波相互作用，達到隱身效果。

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

4等離子體隱身的實際應用

1、等離子體技術在隱身雷達天線方面的應用

等離子隱形雷達天線采取的是低壓放電方法，可以產生具有均勻電子密度分布的平面等離子體，根據等離子反射電磁波的特性進行天線設計。當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。此種雷達的特點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，等離子體鏡像雷達可以迅速跟蹤和定位空中多個高速運動的目標;此外，等離子體鏡像雷達優越性還表現在它可以對雷達傳輸頻率、電子戰中靶標的照射和低雷達散射截面目標的檢測進行優化，通常的雷達系統是難以做到的。

2、等離子體隱身在飛行器的應用

飛行器的等離子體隱身技術是目前等離子體隱身應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，并已經取得了一定的成果，甚至開始轉入實用化階段[4]。

飛行器的等離子體隱身主要是針對其前向的RCS值，即減弱機頭方向的雷達、座艙和進氣道三大強散射部位的散射，同時應考慮其正下方、后方和側面散射。因為外掛武器會極大地增加飛行器的RCS，飛行器后方的尾噴口也是強散射元。因此在進行飛行器隱身設計時，可以考慮將等離子體覆蓋在這些強散射部位，即在機頭、進氣口、機翼、平尾以及垂尾、側向的機翼與機身、垂尾與后機身、后機身與平尾構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位置的不同采用多種方法來實現。考慮到通信、導航以及敵方識別信號的傳送，在機頭方向應采用能適時產生等離子體的方法;在進氣口和尾噴管附近，可以采用涂敷放射性同位素的方法。

5等離子體隱身技術主要特點

利用等離子體實現目標隱身是一個非常有效的手段。等離子體在隱身領域中主要是應用它的吸收隱身和折射隱身，由于產生等離子體的密度多是不均勻的，所以吸收隱身占據主要地位;與常規的外形隱身、吸波材料隱身相比，等離子體隱身具有以下幾點優勢[14-16]：

（1）可以實現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、價格便宜等優點。

（3）可以調節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計，不影響武器的工作性能。

（5）由于沒有吸波材料涂層，維護費用較低。

（6）對作戰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點，可是在應用的過程中仍然存在著許多需要解決的問題：

（1）產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星和稀薄大氣層中的戰略導彈利用等離子體隱身造成了困難。

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

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

（5）產生的等離子體參數存在一定誤差，難以完全滿足要求。

6結語

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，但等離子體卻發揮著越來越廣泛、越來越重要的作用。等離子體隱身技術作為新概念隱身方法和防御系統，目前在理論和試驗上已經獲得成功，如果在實際工程上研制成功，將對未來戰爭產生革命性的影響。

由于等離子體的特點，它可以在不影響作戰武器本身外形和材料的基礎上實現隱身效果，除此之外還可以通過調節等離子體的物理參數改變工作頻帶范圍，而且價格相當便宜，能夠廣泛用于各類作戰飛機、導彈彈頭和衛星的隱身。隨著等離子體隱身技術的發展，作為未來隱身技術發展的一個新的突破方向，必將成為世界各軍事強國競相研究和發展的重點，對未來的高技術戰爭、導彈突防技術和導彈、飛機等武器系統的發展和作戰模式產生巨大而深遠的影響。

參考文獻

[1]王海露，劉飛，袁承勛，李澤斌，周忠祥，吳祥云.等離子體隱身技術在地面重要軍事目標上的應用分析[J].防護工程，2018，40（04）：58-63.

[2]王海露，劉飛，袁承勛，周忠祥，黃魁.等離子體隱身技術研究進展[J].防護工程，2018，40（03）：67-78.

[3]宋黎浩. 等離子體對電磁波吸收及反射的研究及應用[D].西安電子科技大學，2014.

[4]陳宏晴. 飛行器進氣道等離子體隱身參數設計[D].南京理工大學，2014.

[5]強勇，游俊.等離子體選擇性隱身技術在未來陸軍裝備的應用分析[J].火控雷達技術，2013，42（03）：11-15.

[6]尹波，楊峰，阮巍，譚菲.非均勻等離子體覆蓋金屬目標的隱身性能分析[J].重慶郵電大學學報（自然科學版），2013，25（04）：523-526+531.

[7]宋曉琴. 等離子體覆蓋目標的RCS的研究[D].華中科技大學，2011.

[8]劉海濤，劉汝兵.等離子體隱身技術在航空領域的應用探索[J].機電技術，2011，34（03）：42-46.

[9]王晶，李曉波.等離子體產生方法及隱身技術分析[J].飛機設計，2011，31（02）：25-29.

[10]沈海軍，李宏信，劉毅.等離子體隱身結構機翼的RCS分析[J].飛機設計，2011，31（01）：1-4.

[11].等離子隱身涂料用于研制隱身飛機[J].表面工程資訊，2010，10（04）：49.