等離子體隐身技術:武器裝備規避電磁波探測的隐身技術-中文百科頻道

概述

當任何不帶電的普通氣體在受到外界的高能激勵作用(如對氣體加高能粒子轟擊、激光照射、氣體放電，熱緻電離等方法)後，部分原子中的電子脫離原子核束縛成為自由電子，原子因失去電子而成為帶正電的離子，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，這類氣體稱為等離子體。

等離子體被認為是繼固态、液态和氣态三種形态之外的第四态物質即等離子态，其運動主要受電磁力的支配。盡管等離子體在整體上呈電中性．卻其有了很好的導電性，普通氣體中如有0.1%的氣體被電離．這種氣體就具有很好的等離子體特性，如果電離氣體增加到l%，這樣的等離子體便成為導電率很大的理想導電體。

等離子體按其熱容量大小。可分為高溫等離子體、熱等離子體和低溫等離子體。

高溫等離子體

高溫等離子體是完全電離的核聚變等離子體，溫度高達l08K數量級，由核聚變反應産生。

熱等離子體

熱等離子體為部分電離、溫度約為104K數量級的等離子體，可以由穩态電源、射頻、微波放電在1000Pa以上産生。熱等離子體又分熱平衡與非熱平衡型，熱平衡等離子體中的電子在電場中獲得的能量充分傳遞給重粒子，電子溫度與重粒子溫度相等：非熱平衡等離子體中的電子在電場中獲得的能量不能充分傳遞給重粒子，電子溫度高于重粒子溫度。

冷等離子體

冷等離子體是電子溫度很高、重粒子溫度很低、總體溫度接近室溫的非平衡等離子體，可以由穩态電源、射頻、微波放電在1000PA以下産生。這種等離子體是常用機載隐身等離子體。

運用等離子體隐身的方法主要有兩種：一種是利用等離子體發生器産生等離子體．即在低溫下，通過高頻和高壓提供的高能量産生間隙放電，以便将氣體介質激活電離形成所需厚度的等離子體以達到吸波和隐身的目的；另一種足在飛行器的特定部位如強雷達散射區塗一層放射性同位素，它的輻射劑量應确保它的射線在電離空氣時所産生的等離子體雲具有足夠的電離密度和厚度，以确保對雷達電磁波具有足夠的吸收和散射能力．

利用價值

機理和特點

等離子體隐身技術的原理是利用電磁波與等離子體互相作用的特性來實現的，其中等離子體頻率起着重要的作用。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，它是等離子體的重要特征。若等離子體頻率大于入射電磁波頻率，則電磁波不會進入等離子體.。

此時，等離子體反射電磁波，外來電磁波僅進入均勻等離子體約2mm，其能量的86%就被反射掉了。但是當等離子體頻率小于入射電磁波頻率時，電磁波不會被等離于體截止，能夠進入等離子體并在其中傳播，在傳播過程中．部分能量傳給等離子體中的帶電粒子，被帶電粒子吸收，而自身能量逐漸衰減。

等離子體之内電子密度越大。振蕩頻率越高，和離子、中性粒子碰撞的頻率就高．對雷達波的吸收就越大。同時雷達波在等離子體中傳播時．由于在等離子體中有大量的中性分子或原子．所以還存在着介電損耗。

等離子體介質在雷達波交變電場的作用下産生極化現象，在極化過程中，電荷來回反複越過勢壘，消耗電場的能量．表現為電導損耗，松弛極化損耗，和諧振損耗等。另外．由等離子體發生器噴射到飛機外圍空間的等離子體是非均衡等離子體，處于非熱動力平衡狀态，經過一定時間離子間的碰撞才達到趨向密度均勻和溫度均勻的熱力學平衡狀态。

獨特的優點

(1)吸波頻帶寬、吸收率高、隐身效果好．使用簡便、使用時間長、價格極其便宜；

(2)由于等離子體是宏觀呈電中性的優良導體，極易用電磁的辦法加以控制．隻要控制得當．還可以擾亂敵方雷達波的編碼，使敵方雷達系統測出錯誤的飛行器位置和速度數據以實現隐身

(3）無需改變飛機等裝備氣動外形設計，由于沒有吸波材料和塗層，維護費用大大降低，

(4)俄羅斯的實驗證明，利用等離子體隐身技術不但不會影響飛行器的飛行性能．還可以減少30%以上的飛行阻力。

存在難點

雖然等離子體隐身具有很大優越性，但也存在以下難點。

(1)等離子體對雷達波的吸收能力在不同條件下相差非常大，與多方面的因素有關．如等離子體的密度、碰撞頻率、厚度等．入射電磁波頻率，電磁波入射角和極化方向等，如何在應用中實現最佳參數并随外界條件進行調節．有一定難度；

(2)飛行速度對等離子體的影響：

(3）等離子體是一項十分複雜的系統工程，涉及到大氣等離子體技術、電磁理論與工程、空氣功力學、機械與電氣工程等學科，具有很強的學科交叉性。

産生等離子體的方法

産生等離子體主要有熱緻電離、氣體放電．放射性同位素、激光照射、高功率微波激勵等方法．而在機載條件下常用的方法主要是氣體放電法和塗抹放射性同位素兩種方法(二者均産生非均衡冷等離子體)，其中常用的氣體放電法分為以下幾種：

(1) 大氣壓下的介質阻擋放電和輝光放電：大氣壓下利用介質阻擋放電和輝光放電來産生等離子體．無真空裝置，因此系統結構簡單，已在許多技術領域廣泛應用。利用介質阻擋放電産生等離子體．可以在局部獲得1014/cm3左右的電了密度，但是由于介質阻擋放電實際上是絲狀流光放電，在兩電極間放電絲是随機分布的，這樣等離子體是極不穩定的同時，在兩電極間加的是高交變電壓，在一個周期内的一個放電電流脈沖隻維持幾微秒的時間。

其占空比很小．在電流脈沖過後，等離子體擴散過快．以緻于在大部分時間内，雷達波并末被等離子體所吸收，所以．利用介質阻擋放電來産生用于隐身的等離子體受到極大的限制。國内測試了在梳狀電極問施加受流高壓所産生的介質阻擋放電等離子體對微波的衰減情況．采用不鏽鋼電極，并用薄玻璃管套封，電極問距離為1.5cm，當電壓在 3～5kv．100～10kHz範圍内變化時。

利用網絡分析儀在2～l8GHZ内掃描，幾乎無法測出等離了體對微波的衰減。在一定條件下．流光放電可以轉化，得到大氣壓輝光放電。國内外均對此等離子體的特性進行了大量研究。研究表明．雖然該等離子體均勻性較差、厚度較薄．但當放電電壓和頻率适當時．所産生的等離子體對微波具有一定的衰減作用。由于人氣輝光等離子體可通過複蓋在目标上的梳狀平行電極來産生．入射徽波可直接進入等離子體并與之發生作用。如果能改善其均勻性．提高其厚度，并能從理論上找到最佳電壓和頻率．将有助于加速其在隐身上的應用。

(2)電暈放電：

有時也稱為單極放電，是指發生在電擊穿之前的電氣上受壓狀态的氣體中的尖端、邊緣和絲附近的高電場區的一種湯森暗放電現象。電暈根據所加電壓，的不同可分為直流電暈和脈沖電暈。對于直流電暈，由于氣體直流耐壓的限制，電暈電流相當小．因而等離子體密度低．很難達到隐形的要求。當采用脈沖電暈時．可以大大提高放電電流．因而等離子體密度可以大幅度提高。當針電極布置得足夠密．範圍足夠大時．可以形成等離子體“簾”。但是，利用

脈沖放電．除非脈沖重複頻率足夠高．否則會出現與利用介質阻擋放電時一樣的占空比問題。

(3) 直流輝光放電：

直流輝光放電是一種研究得比較透徹．理論比較完善的技術，是指采用直流或脈沖直流高壓．使氣體發生正常或異常輝光放電，但通常利用其正常輝光區。需要指出的是，放電多是在封閉腔中産生的，必須有真空容器和抽真空的相應裝置．真空腔應采用透微波的材料，如玻璃。

利用直流輝光放電裝置産生等離于體，其電子密度、溫度等參數基本能滿足要求．但是在通常的應用場合下，這些裝置産生的等離子體體積均較小，如經典直流放電管的直徑通常隻有l～2cm左右．兩電極間距離也隻有幾厘米．遠遠不能滿足隐身要求。根據氣體放電的相似性原理，如果增大電極的面積和間距，而放電電壓不變，則會相應地降低等離子體的密度；同時，由于放電是在低壓(通常≤100Pa)下發生的。

其等離子體碰撞頻率約為108Hz量級，遠小于雷達波頻率，因而碰撞衰減較小。如果在經典的輝光放電裝置中引入外加磁場(通常采用磁鏡結構)，形成氣體的潘甯放電，則一方面可以在增大其體積的同時增大電子密度和碰撞頻率．同時還引入了電子和離子對微渡的同旋共振吸收．從而有利于增大等離子體對電磁波的吸收。但是，與高氣壓下等離子體的寬波段碰撞吸收不同．該吸收的帶寬較窄，并受碰撞頻率的影響。

(4)強電離氣體放電：

國内有人提出将高氣壓強電離氣體放電方式産生的非平衡等離子體用于隐身，并展開了相應的研究，認為利用強電離氣體放電方法産生非平衡等離子體的實用型等離子體發生器，可望解決當前等離子體隐身技術普遍存在的一些主要問題。但這一研究還處于初步階段，理論模型尚需要完善．工程實驗也需要進一步深入下去。

在兵器特定部位(如強散射區)塗一層放射性核素是另一種産生等離子體的常用方法，其塗層輻射劑量應确保它的a射線電離空氣所産生的等離子體包層具有足夠的電子密度和厚度，以确保對雷達波有最強的吸收。與氣體放電法相比，塗抹放射性同位素這種方法比較昂貴，而且維護困難。

另外．熱緻電離法也可産生熱等離子體，這是産生等離子體的一種最簡單的方法。任何物質加熱到足夠的溫度後都能産生電離，當粒子所具有的動能，在粒子間的碰撞中足以引起相碰粒子中的一個粒子産生電離時．才能得到等離子體。如将铯放至密閉的容器中加熱而得到等離子體。實驗表明．隻有在堿金屬存在的條件下，熱緻電離才能産生一定密度的等離子體．

如用于磁流體發電的低溫等離子體。而微波産生的冷等離子體比直流或射頻等離子體有更高的電子溫度，用微波産生等離子體的過程是氣體擊穿，擊穿的條件是微波電場的均方根值大

于擊穿電場強度。當外磁場存在時．如果微波頻率在電子回旋頻率附近，擊穿空氣所需的電場強度大大降低，這可以降低機載條件下高功率微波等離子體的産生條件。

研究進展

從20世紀60年代開始

美國和前蘇聯等軍事強國就着手研究等離子體吸收電磁波的性能。前蘇聯最早開始進行等離子體實驗的重點是等離子體在高空超音速飛機上的潛在應用：90年代初，美國體斯頓實驗室進行的一項為期兩年、投資65萬美元的實驗表明，應用等離子本技術可使一個13cm長的微波反射器的雷達截面在 4～l4GHZ頻率範圍内平均降低20dB，即雷達獲取回波的信号強度減少到原來的1% l997年．美海軍委托田納西大學等機構發展等離子體隐身天線，其機理是：

将等離子體放電管作為無線元件，當放電管通電時就成為導體，能發射和接收無線電信号，當斷電時便成為絕緣體，基本不反射雷達發出的探測信号．初步的演示已顯示了這種天線的發射接收功能和隐身特性。美國在其(1997年國防部基礎研究計劃)中也提到．“中性等離子體效應可以為軍用飛機和衛星提供隐身條件”，可見美國對等離子體技術給予了足夠的重視。

等離子體隐身技術在俄羅斯取得了較多進展，其研究成果領先于美國。據報道，俄羅斯克爾德什研究中心已經開發出第一代和第二代等離子體發生器，通過在地面模拟設備、自然條件下以及飛機上進行實驗充分證明了這種隐身技術的實用性。、第一代産品是等離子體發生片．其厚度為0.5~O.7mm，電壓幾千伏。

工作電流僅為零點幾毫安。将這種等離子體發生片貼在飛行器的電磁波強散射、部位，即可電離空氣産生等離子體。第二代産品是等離子體發生器。在等離子發生器中加入易電離的氣體(還需攜、帶專用氣體)，即可産生等離子體(但産生的等離子體厚度仍嫌過小)．第二。代産品重量不到100kg．耗電不超過幾十千瓦(對飛機所能承擔的有效載苛與供電功率而言仍嫌過大)。

經飛行試驗，它除了具備第一代等離于體隐身系統的功能外．還能改變反射信号的頻率．通過向敵人發出假信号．使敵人判斷錯誤來實現隐身。據報道，這種技術不涉及飛機本身的空氣動力系統．在不影響飛機技術性能的同時，采用該技術的飛行器被敵方一定頻率的雷達發現的概率可降低90%以上。第一代和第二代等離于體隐身技術産品都已進行了成功實驗。

本世紀初

俄羅斯公開的可與美國F22相抗衡的第五代米格1.44戰鬥機據說就是試驗了這項先進技術。克爾德什研究中心正在研制更有效的第三代産品。據推測，第三代産品可能是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。俄羅斯的最新試驗表明，應用第三代等離子體隐身技術。在4～14GHZ頻率範圍内可以使米格飛機的RCS值減少到原來的1%。

除美、俄外．法國的研究人員正在研制一種新的有源隐身系統，據報道可能會采用等離子體屏蔽技術。對等離子的某些研究成果很可能用于作戰飛機特别明顯部位的屏蔽．如空氣進口，排氣口或機頭。澳大利亞國立大學也已研制出了等離子體隐身天線。

鑒于隐身技術在軍事上的重要作用．中國在等離子體隐身方面的研究也進行了約l0年時間。有不少科研機構和大專院校的有關院系都在進行等離子技術及其應用的研究，在對等離子雷達隐身方面已經取得了原理驗證上和工程試驗的成功，并有很多獨到的創新，預計再經過大約10年左右的時間。我國飛行器即有望實現全面等離子隐身。

發展前景

美蘇兩國研究

自60年代以來，美國、前蘇聯等軍事強國就開始研究等離子體吸收電磁波的性能。80年代初，前蘇聯最早開始進行等離子體實驗，研究的重點是等離子體在高空超音速飛行器上的潛在應用；90年代初，美國休斯實驗室進行的一項為期兩年、投資65萬美元的實驗表明，應用等離子體技術，可使一個13厘米長的微波反射器的雷達截面能夠在4-14吉赫茲頻率範圍内平均降低20分貝，即雷達獲取回波的信号強度減小到原來的1%。

1997年，美國海軍委托田納西大學等單位發展等離子體隐身天線。其機理是；将等離子體放電管作為天線元件，當放電管通電時就成為導體，能發射和接收無線電信号；當斷電時便成為絕緣體，基本不反射敵探測信号。初步的演示已顯示了這種天線的發射接收功能和隐身特性。

突破性進展

等離子體隐身技術在俄羅斯取得了突破性進展，其研究領先于美國。據報道，俄羅斯克爾德什研究中心開發出第一代和第二代等離子體發生器，并在飛機上進行了試驗，獲得了成功。第一代産品是等離子體發生片，其厚度為0.5－0.7毫米，電壓為幾千伏，電流為零點幾毫安，将該發生片貼在飛行器的強散射部位，電離空氣即可産生等離子體。第二代産品是等離子體發生器，在等離子體發生器中加入易電離的氣體，經過“脈沖電暈”，氣體由高溫轉為低溫，即可産生等離子體。第二代産品的重量不到100公斤，已經全面進行了地面和飛行試驗，它不僅能減弱雷達反射信号，還能通過改變反射信号的頻率以實現隐身。克爾德什研究中心正在應用新的物理知識研制效果更好的第三代産品，據預測，第三代産品可能利用飛行器周圍的靜電能量來減小飛行器的雷達截面。

俄羅斯未來的1.42隐身戰鬥機樣機并沒有像美國那樣的隐身外形設計，其隐身能力是利用他們稱之為“自己開發的減少雷達特征的方法”來實現的，這很可能包括等離子體隐身技術。由于等離子體隐身技術已受到世界軍事強國的關注，因此它将可能具有廣闊的應用前景。

局限性

它本身的不足之處

等離子體隐身也有它本身的不足之處，如等離子體發生器有較大的重量和體積，産生等離子體的功耗比較大等；飛機上安裝等離子體發生器的部位本身無法雷達隐身和等離子體發光暴露目标的問題：等離子體的高溫損壞機體材料以及等離子體對機體材料的腐蝕問題：采用放射性同位素的問題是同位素的劑量難以控制等。實現等離子隐身的關鍵在于如何對等離子體包層的電子密度進行控制。

另一方面，從掌握的資料看。等離子體隐身的有效頻率範圍一般在20GHZ以内．還沒有看到等離子體隐身技術适用毫米波波段的報道。等離子體發生器一般采用氣體放電法産生非平衡冷等離子體．這類發生器很大的重量、體積和功耗構成了阻礙等離子體隐身技術實用化的主要問題。因等離子體隐身需要的電子密度和振蕩頻率較高，并需要大面積使用，所以．若要求複蓋KU波段以前的所有雷達電磁波。

所需要的等離子體電子數密度為4.02×1012/cm3的量級．相應的電子與中性粒子的碰撞頻率為50～200GHz——這比當前工業上使用發生器能力高出l～2個量級。而又因為等離子體發生器發出的等離子體要噴射到機體外部空間使用以形成變密度的等離子體雲．導緻與密封空間情況完全不同，等離子體複合速率大大增加。按飛機所需空間計算，等離子體雲最小體積為25～ 30m3，使用壓力0～1個大氣壓，這是現有等離子體發生器難以達到的量級一要達到這個量級．等離子發生器重量和體積都會有幾個數量級級别的增長，這是内部空間有限并且有效載荷有限的飛行器所不可接受的．

在實驗室條件下

而且．在實驗室條件下，雖可利用常規放電方法來産生這樣電子密度量級的等離子體，但不足在飛機外圍這麼大的空間中使用。而要産生在飛機外圍空問使用的體積為30m3的等離子體雲，即使電離最易電離的氨氣，所需功率也高達95000千瓦．這對機載電源來說，是很難達到的。何況，飛機上還不希望攜帶惰性氣體。而若直接電離飛機周圍的空氣．因空氣更難電離，所需功率比上述值還要大一個數量級。高溫問題也是等離子體在航空隐身工程應用中遇到的重要問題之一。因為高溫不僅毀壞機體．也會引起額外輻射。

不足

我們感興趣的是冷等離子體，而實際在非均衡等離子體中電子溫度還高于10000攝氏度。過去，人們将等離子體的這一能量集聚起來做成電子槍。用于等離子體切割，焊接、表面處理等工業部門之中。可以斷言．航空隐身工程可應用的就是非均衡的冷等離子體。産生這種等離子體的可能是一種低氣壓氣體放電裝置：當氣壓為13. 3～133Pa時．電子溫度高達10000℃，而等離子體溫度隻有300℃，不會燒壞機體。另外．若無法控制等離子體中的離子密度，會造成飛機表面材料的濺射腐蝕和表面發泡，形成三維缺陷(如針孔氣泡等缺陷)．導緻材料強度、硬度和飛機氣動性能的下降。

塗抹放射性同位素雖然可以實現飛機某些強散射部位(如進氣道内腔等處)的隐身，但是其劑量難以控制．其生産、使用和雛護的代價極為高昂，後勤維護也非常圍難，其放射性還會給周圍人員帶來傷害。而更重要的問題是，放射性同位素産生的等離子體層較薄，産生速率較低．造成電子密度不夠高，無法滿足飛機對寬頻段、大面積以及全方位的隐身需求。

結語

以上這些因素決定了在現階段等離子體隐身技術依然處于試驗階段，所有相關研究成果報道也僅限于實驗室的試驗結果與數據．遠非實用産品的實際使用報道，等離子體隐身技術距離完全實用化還有一段距離。也就是說，等離子體隐身在現實中還不是實用技術．還隻是我們的理想。

新思路

研制等離子體産生器件

國内有關研究單位提出了将高氣壓強電離氣體放電方式産生的非平衡冷等離子體用于隐身．并展開了相應的研究，認為利用強電離氣體放電方法産生非平衡冷等離子體的實用型等離子體發生器，可望解決當前等離子體隐身技術普遍存在的一些主要問題。

提出問題

2005 年，我國大連海事大學環境工程研究所下屬的高氣壓強電離放電遼甯省重點實驗室，在高氣壓強電場電離放電理論及方法的研究取得了突破性進展，強電離放電間隙中大多數電子具有的能量足以把氨、氧等作為空氣成分的氣體分子電離成高濃度等離子體．其等離子體濃度也可能達到1015/cm3左右(而用于隐身技術的臨界電子濃度在1012/cm3這個量級)．遠高于弱電離放電7個數量級。

這就有可能使現有的弱電離放電非平衡冷等離子體源及其反應器的體積、質量、能耗等主要參數也相應減少5個數量級左右．為其在軍事裝備和工業上應用鋪平了道略。再加上強電離放電的電子平均能量達到氣體分子的平均電離能．這就能解決過去科學技術無法解決的軍事和軍事上的一些重大的技術疑難問題。它在未來的軍事、經濟上的應用意義是難以估量的。

研制

大連海事大學環境工程研究所下屬的高氣壓強電離放電遼甯省重點實驗室．還在2005年進行了外加非均勻強電場、空間電荷形成的本征電場對離子(正、負離子) 的作用力及其定向運動《漂移)規律的研究。基本上掌握了高濃度離子(>1014/cm3)在雪崩頭空間積累電荷的物理演變過程及其物理量概算方法，并着重研究本征電離子的運動速度影響規律。這就為研制強電離放電非平衡冷等離子體源提供了理論基礎。

另外，他們采用通過氣體把外加力作用到強電場中的離子上．當外加怍用力大于電場束縛力時，就可使強電離放電非平衡冷等離子體源裡的高濃度等離子體部分或全部被輸送出去。己經做到一個有效放電體積技為 0.8cm3的高氣壓非平衡等離子體源，處理氣量達到12m3 / h，輸出的等離子體濃度達到了1012/cm3以上，還有提高2個數量級的餘地。

特點

大連海事大學環境工程研究所下屬的高氣壓強電離放電遼甯省重點實驗室，如今研制的等離子體産生器件是一種薄片式器件．外型尺寸為：厚0.15cm．寬 4cm，長K5cm，10cm，20cm三種規格，根據要求選取．它可貼附在電磁波強散射部位或進氣壁上。它具有如下特點：

(1)折合電場強度高，電子濃度高(在1015/cm3～10l6/cm3之間，而用于隐身技術的臨界電子濃度在1012/cm3個量級)；

(2)外型尺寸為0.15cm×4cm×20cm的器件放電消耗能量僅為100W，能産生10L等離子體，而其自身質量僅為0.1kg。在4GHZ～14GHz，頻率範圍可使飛機的RCS值衰減30dB．減少

到原來的0.1%：

(3)強電離放電等離子體産生器件外表面自身也具有隐身性能。

采用強電離放電方法可使非平衡冷等離子體産生器件(或叫等離子體發生器)體積、質量以及放電能耗成幾個數量級減少。用于隐身技術的臨界電子濃度在 1012/cm3這個量級．強電離放電等離子體産生器件産生的大産成量的冷等離子體的電子濃度大于1015/cm3，再稀釋1000倍後也足以滿足飛行器等離子體隐身技術的要求。