飞行器等离子体隐身技术 --空军工程大学电讯工程学院 
方绍强,赵尚弘,余侃民,刘　涛
(空军工程大学电讯工程学院,陕西西安　710077)
　　 
摘　要:结合目前国际上飞行器隐身技术的发展状况,对等离子体隐身技术及其特点作了介
绍,并对其在飞机隐身领域的应用及前景进行了分析。分析发现等离子体隐身技术较其他类型的
隐身技术最大的优点是不影响飞机的机动性能,且费用低廉,具有很高的应用价值。
关键词:隐身;等离子体;飞机
中图分类号: TN97;V218　　　文献标识码:A　　　文章编号: 10092086X (2005) 0220032204 
1,略
2.等离子体隐身技术及其优缺点
等离子体是尺度大于德拜长度(Debye length,静电作用的屏蔽半径)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。它是继物质存在的固体、液体、气体三种形态之后出现的第四态物质。在军事上,核爆炸,放射性同位素的射线,高超声速飞行器的激波,燃料中掺有铯、钾、钠等易电离成分的火箭和喷气式飞机的射流,都可以形成弱电离等离子体。等离子体隐身技术是指利用等离子体回避探测系统的一种技术。兵器实现等离子体隐身的基本原理是利用电磁波与等离子体的相互作用,即电磁波在等离子体中传播所产生的吸收、反射、折射和法拉第旋转效应[ 7 ] ,设计等离子的特征参数(能量、电离度、振荡频率和碰撞频率等)满足特定要求,使照射到等离子云上的雷达波:一部分被吸收,一部分由于时变等离子体对入射电磁波的频率上移,这将使雷达回波的频率偏离开敌方接受回波的频谱范围,一部分改变传播方向,因而返回到雷达接收机的能量很少,从而大幅度降低反射波的电磁能量和雷达的RCS;还有等离子体能以电磁波反射体的形式对雷达进行电子干扰,即通过雷达波往返传播途径弯曲,雷达显示屏上出现的是攻击武器的虚像,而不是武器的真实位置以实现隐身。据报道,采用该技术的飞行器被敌方发现的概率可降低99%。等离子体隐身技术的核心是电磁波与等离子体的相互作用。由于等离子体层对雷达波有特殊折射效应和吸收衰减作用,因此等离子体层可以极大地减少雷达目标的电磁回波能量。研究表明[ 8, 9 ]等离子体的电子密度变化对目标隐身效果影响很大,不同磁场可以显著改变等离子体对不同频率的雷达波的吸收和反射特性。通过适当选择磁场强度、等离子体密度和等离子体碰撞频率,可以使等离子体对某一雷达波段的吸收达到90%以上;等离子体密度是一个重要参数,合适的等离子体密度不仅可以增大对雷达波的吸收,同时减小了界面对雷达波的反射;磁场强度显著地影响等离子体对雷达波的吸收,不同的磁场强度对应不同频段的共振吸收峰,共振吸收带宽约为2 GHz。目前产生隐身等离子体的方法主要有2种:一种是利用等离子体发生器产生等离子体,即在低温下,通过电源以高频和高压的形式提供的高能量产生间隙放电、沿面放电等形式,将气体介质激活、电离形成等离子体;另一种是在兵器特定部位(如强散射区)涂一层放射性同位素,它的辐射剂量应确保它的α射线电离空气所产生的等离子体包层具有足够的电子密度和厚度,以确保对雷达波有最强的吸收。与前者相比,后者比较昂贵且维护困难。等离子体按其热容量大小可分为冷等离子体、热等离子体和低温等离子体,目前,国外主要应用低温等离子体。等离子体隐身技术与目前已经广泛应用的隐身技术相比,具有很多优势1) 改变了常规隐身技术的被动实现手段,采取了主动控制方法实现隐身,使隐身系统便于维护;(2) 不需改变飞行器的气动外形设计,不会影响飞行器的飞行性能和战术技术性能;此外,俄罗斯进行的风洞试验表明,利用等离于体隐身技术还可以减少飞行器飞行阻力的30%以上;(3) 使用简便,等离子体可做成能快速开、关的隐身系统,在通信或雷达系统尚未发送或接收时,通过快速打开等离子体,将能覆盖电磁波传输系统;(4) 等离子体的隐身效果随雷达波波长的增加而增加,而涂层隐身材料的隐身效果随波长的增加而降低。这种隐身技术不仅解决了吸波涂层厚度和质量方面的局限性,具有吸波频带宽,吸收率高,隐身因素多且效果好等优点,而且能满足高反射局部需求,尤其适用于导弹的隐身;(5) 使用周期长,造价相对低廉,维护费用低。等离子体隐身技术作为新概念的飞行武器防御系统,在军事上具有极高的潜在应用价值,将成为隐身技术发展的新的突破方向及世界各军事强国竞相研究的焦点。目前在理论和试验上已经获得成功,一旦在工程上研制成功,将对未来空战产生革命性的影响。
但存在的主要问题是:一是兵器安装等离子体发生器的部位无法隐身;二是所需电源功率很高,设备庞大;三是很难控制。因此,在满足对等离子体包层厚度的要求下,必须降低等离子体发生器的电源功率和减小设备体积。
3.目前国外等离子体隐身技术应用状况
　　自20世纪60年代以来,美国、前苏联等军事强国就开始研究等离子体吸收电磁波的性能。80年代初,前苏联最早开始进行等离子体实验,研究的重点是等离子体在高空超声速飞行器上的潜在应用; 1992年美国一份解密国防报告显示,美国休斯实验室进行的一项为期2年、投资65万美元的实验表明,应用等离子体技术,可使一个13cm长的微波平面反射器的雷达散射截面(RCS)在4～14GHz频率范围内平均降低20 dB[ 3 ] ,即雷达获取回波的信号强度减小到原来的1%。1997年,美国海军委托田纳西大学等单位发展等离子体隐身天线[ 4 ] 。其机理是:将等离子体放电管作为天线元件,当放电管通电时就成为导体,能发射和接收无线电信号;当断电时便成为绝缘体,基本不反射敌探测信号。初步的演示已显示了这种天线的发射接收功能和隐身特性。
近年来,等离子体隐身技术在俄罗斯取得了突破性进展,其研究领先于美国。据报道,俄罗斯克尔德什研究中心开发出第1代和第2代等离子体发生器,并在飞机上进行了试验,获得了成功。第1代产品是等离子体发生片,其厚度为015～017 mm,电压为几千伏,电流为零点几毫安,将该发生片贴在飞行器的强散射部位,电离空气即可产生等离子体。第2代产品是等离子体发生器,在等离子体发生器中加入易电离的气体,经过“脉冲电晕”,气体由高温转为低温,即可产生等离子体。第2代产品的质量不到100 kg,已经全面进行了地面和飞行试验,它不仅能减弱雷达反射信号,还能通过改变反射信号的频率以实现隐身。俄罗斯前不久进行的隐形试验表明:应用等离子隐形技术隐形,可使米格飞机雷达截面在4～14 GHz频率范围内,雷达获取回波信号强度减少到原来的1%。1999年初,克尔德什研究中心应用新的物理知识研制出了效果更好的第3代产品[ 2 ] ,据预测,第3代产品可能利用飞行器周围的静电能量来减小飞行器的雷达截面。俄罗斯未来的1142隐身战斗机样机并没有像美国那样的隐身外形设计,其隐身能力是利用他们称之为“自己开发的减少雷达特征的方法”来实现的,这很可能包括等离子体隐身技术。相应的成品也已形成出口生产能力[ 11 ] 。由于等离子体隐身技术已受到世界军事强国的关注,因此它将可能具有广阔的应用前景。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成果很可能用于作战飞机特别明显部位的屏蔽,如空气进口,排气口或机头。澳大利亚国立大学也已研制出了等离子体隐身天线[ 12 ] 。国内的有关理论研究也常见报道[ 7～12 ] 。科学家们还在研究,利用等离子“云团”巧妙拦截飞行器。如俄罗斯科学家新近推出一种采用等离子体武器拦截导弹的新方法,即利用彼此交叉的大功率能束或光束改变导弹的飞行环境,使飞行中的导弹失去战斗作用。预计这种新武器不久即可用于实战。
4　结　束　语
与美国主要依赖改变飞机外形及采用吸波材料
的隐身技术相比,等离子体隐身技术的最大特点是不影响飞机的飞行性能,且费用较低。同时,从原理上来说,它也应该可在其他兵器上,如导弹、舰艇、装甲车辆等上得到应用。如果这个设想能成立,那么这种通用性对经费的节省将是十分有意义的。当然,这种隐身技术因其涉及的学科领域较多,是一项十分复杂的系统工程,包括大气等离子体技术、电磁理论与工程、空气动力学、机械与电气工程等学科,研究此项技术必须首先做好各学科之间的交叉、配合的研究。