基本介紹
- 中文名：電漿隱身技術
- 外文名：Plasma stealth technology
- 套用：武器發展
- 技術成本：價格便宜
- 特點：隱身效果好
發展背景,電漿,分類,產生電漿的方法,電漿隱身技術的原理及特點,隱身機理,獨特的優點,缺點,存在難點,研究進展,從20 世紀60年代開始,本世紀初,發展前景,美蘇兩國研究,突破性進展,局限性,新思路,研製電漿產生器件,提出問題,研製,特點,
發展背景
隱身技術是當代具有陸、海、空、天、電磁五位一體的立體化戰爭中最重要、最有效的突防戰術技術措施之一。海灣戰爭中F-117A 隱身戰鬥機的成功運用， 使這一技術對未來戰爭產生了極其深遠影響。隱身兵器及相關的隱身技術已引起了各國軍事部門的極大關注。據《俄羅斯研究出全新的飛機隱身技術》的報導，俄羅斯已掌握了一種隱身技術，其特點是用高功率微波在飛機的主要散射面積區域產生電漿以吸收或衰減入射電磁波，從而達到隱身的目的。俄克爾德什科學研究中心已研製出第三代飛機隱身系統，該系統質量輕、 耗能低。這種新技術的主要原理就是在飛機周圍形成一種特殊的電漿，從而不需要改變飛機的外形機構。飛機裝上這個系統後, 探測雷達的有效區將減小到“不及原來的1/100” ，使飛機被雷達發現的機率幾乎下降到零。
電漿物理學是在50年代迅速發展起來並在工程技術上得到廣泛的套用的。雖然飛彈學院電漿與電磁波的相互作用一開始就是研究重點，如磁流體發電機、高功率微波產生器、受控熱核聚變等，但是電漿用於隱身，則是來源於近幾年媒體對俄羅斯電漿隱身系統的報導。
電漿
電漿是氣體電離形成的第四態物質，是一種總體呈電中性，由正離子、自由電子和中性原子組成的電離氣體。如地球上空80 ～ 400km 處的電離層、火焰和電弧中的高溫部分，火箭噴射的廢氣和流星遺蹟等都是電漿。電漿密度是電漿的基本參量之一，表示單位體積內所含粒子數的多少。形成電漿的方式不同，密度差異很大。如恆星灼熱的高溫使其成為電漿密度高達1028 ～1031m-3 ；用高功率雷射束加熱而得到的電漿密度為1026 ～ 1028m-3 ；地球外層空間電離層中的電漿密度為109 ～ 1012m-3 ，則屬於稀薄電漿。
分類
電漿按其熱容量大小可分為高溫電漿、熱電漿和冷電漿。
產生電漿的方法
產生電漿主要有熱致電離、氣體放電、放射性同位素、雷射照射、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（二者均產生非均衡冷電漿），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產生電漿。無真空裝置，因此系統結構簡單，已在許多技術領域廣泛套用。利用介質阻擋放電產生電漿，可以在局部獲得1014/cm3左右的電了密度，但是由於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隨機分布的，這樣電漿是極不穩定的同時，在兩電極間加的是高交變電壓，在一個周期內的一個放電電流脈衝只維持幾微秒的時間，其占空比很小。在電流脈衝過後，電漿擴散過快，以致於在大部分時間內，雷達波並末被電漿所吸收，所以，利用介質阻擋放電來產生用於隱身的電漿受到極大的限制。國內測試了在梳狀電極問施加受流高壓所產生的介質阻擋放電電漿對微波的衰減情況，採用不鏽鋼電極，並用薄玻璃管套封，電極問距離為1.5cm，當電壓在 3～5kv，100～10kHz範圍內變化時．利用網路分析儀在2～l8GHZ內掃描，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。國內外均對此電漿的特性進行了大量研究。研究表明．雖然該電漿均勻性較差、厚度較薄．但當放電電壓和頻率適當時．所產生的電漿對微波具有一定的衰減作用。由於人氣輝光電漿可通過覆蓋在目標上的梳狀平行電極來產生，入射徽波可直接進入電漿並與之發生作用。如果能改善其均勻性，提高其厚度，並能從理論上找到最佳電壓和頻率，將有助於加速其在隱身上的套用。
（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態的氣體中的尖端、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衝電暈。對於直流電暈，由於氣體直流耐壓的限制，電暈電流相當小，因而電漿密度低，很難達到隱形的要求。當採用脈衝電暈時，可以大大提高放電電流，因而電漿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，可以形成電漿“簾”。但是，利用脈衝放電，除非脈衝重複頻率足夠高，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，是指採用直流或脈衝直流高壓，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產生的，必須有真空容器和抽真空的相應裝置。真空腔應採用透微波的材料，如玻璃。利用直流輝光放電裝置產生等離於體，其電子密度、溫度等參數基本能滿足要求。但是在通常的套用場合下，這些裝置產生的電漿體積均較小，如經典直流放電管的直徑通常只有1～2cm左右．兩電極間距離也只有幾厘米，遠遠不能滿足隱身要求。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，則會相應地降低電漿的密度；同時，由於放電是在低壓(通常≤100Pa)下發生的，其電漿碰撞頻率約為108Hz量級，遠小於雷達波頻率，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(通常採用磁鏡結構)，形成氣體的潘寧放電，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，從而有利於增大電漿對電磁波的吸收。但是，與高氣壓下電漿的寬波段碰撞吸收不同，該吸收的頻寬較窄，並受碰撞頻率的影響。
（4）強電離氣體放電：
國內有人提出將高氣壓強電離氣體放電方式產生的非平衡電漿用於隱身，並展開了相應的研究，認為利用強電離氣體放電方法產生非平衡電漿的實用型電漿發生器，可望解決當前電漿隱身技術普遍存在的一些主要問題。但這一研究還處於初步階段，理論模型尚需要完善，工程實驗也需要進一步深入下去。
在兵器的特定部位（如強散射區）塗上以釙210、鋦242、鍶90等放射性同位素為原料的塗層，在飛行器飛行過程中，利用放射出的強α 射線促進飛行器表面外的空氣電離形成電漿，其輻射劑量應確保電漿層具有足夠的電離密度和厚度，對探測波具有較強的散射和吸收能力。
（5）熱致電離法也可產生熱電漿，這是產生電漿的一種最簡單的方法。任何物質加熱到足夠的溫度後都能產生電離，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產生電離時，才能得到電漿。如將銫放至密閉的容器中加熱而得到電漿。實驗表明，只有在鹼金屬存在的條件下，熱致電離才能產生一定密度的電漿，如用於磁流體發電的低溫電漿。而微波產生的冷電漿比直流或射頻電漿有更高的電子溫度，用微波產生電漿的過程是氣體擊穿，擊穿的條件是微波電場的均方根值大於擊穿電場強度。當外磁場存在時，如果微波頻率在電子迴旋頻率附近，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電漿的產生條件。
電漿隱身技術的原理及特點
隱身機理
電漿隱身技術的原理是利用電磁波與電漿互相作用的特性來實現的，其中電漿頻率起著重要的作用。電漿頻率指電漿電子的集體振盪頻率，頻率的大小代表電漿對電中性破壞反應的快慢，它是電漿的重要特徵。若電漿頻率大於入射電磁波頻率，則電磁波不會進入電漿．此時，電漿反射電磁波，外來電磁波僅進入均勻電漿約2mm，其能量的86%就被反射掉了。但是當電漿頻率小於入射電磁波頻率時，電磁波不會被電漿截止，能夠進入電漿並在其中傳播，在傳播過程中．部分能量傳給電漿中的帶電粒子，被帶電粒子吸收，而自身能量逐漸衰減。
電漿之內電子密度越大。振盪頻率越高，和離子、中性粒子碰撞的頻率就高．對雷達波的吸收就越大。同時雷達波在電漿中傳播時．由於在電漿中有大量的中性分子或原子．所以還存在著介電損耗。電漿介質在雷達波交變電場的作用下產生極化現象，在極化過程中，電荷來回反覆越過勢壘，消耗電場的能量．表現為電導損耗，鬆弛極化損耗 ，和諧振損耗等。另外．由電漿發生器噴射到飛機外圍空間的電漿是非均衡電漿，處於非熱動力平衡狀態，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態。
獨特的優點
與美國的B-2 、F-117 、F-22 等廣泛採用的外形和材料隱身技術相比，電漿隱身技術具有如下獨特的優點：（1）吸波頻頻寬、吸收率高、隱身效果好，使用簡便、使用時間長、價格極其便宜；（2）無需改變飛機等裝備氣動外形設計，由於沒有吸波材料和塗層，維護費用大大降低；（3）俄羅斯的實驗證明，利用電漿隱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。
缺點
電漿隱身存在一些主要問題：（1）兵器安裝電漿發生器的部位無法隱身；（2）所需電源功率很高，設備龐大；（3）很難控制。因此，在滿足對電漿包層厚度的要求下，必須降低電漿發生器的電源功率和減小設備體積。
存在難點
電漿隱身存在以下難點：（1）電漿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，如電漿的密度、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，如何在套用中實現最佳參數並隨外界條件進行調節有一定難度；（2）飛行速度對電漿的影響；（3）電漿是一項十分複雜的系統工程，涉及到大氣電漿技術、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。
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著手研究電漿吸收電磁波的性能。前蘇聯最早開始進行電漿實驗的重點是電漿在高空超音速飛機上的潛在套用：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，套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 4～14GHZ頻率範圍內平均降低20dB，即雷達獲取回波的信號強度減少到原來的1%。1997年，美海軍委託田納西大學等機構發展電漿隱身天線，其機理是：將電漿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號，當斷電時便成為絕緣體，基本不反射雷達發出的探測信號，初步的演示已顯示了這種天線的發射接收功能和隱身特性。美國在其（1997年國防部基礎研究計畫）中也提到，“中性電漿效應可以為軍用飛機和衛星提供隱身條件”，可見美國對電漿技術給予了足夠的重視。
電漿隱身技術在俄羅斯取得了較多進展，其研究成果領先於美國。據報導，俄羅斯克爾德什研究中心已經開發出第一代和第二代電漿發生器，通過在地面模擬設備、自然條件下以及飛機上進行實驗充分證明了這種隱身技術的實用性。第一代產品是電漿發生片，其厚度為0.5~0.7mm，電壓幾千伏。工作電流僅為零點幾毫安。將這種電漿發生片貼在飛行器的電磁波強散射、部位，即可電離空氣產生電漿。第二代產品是電漿發生器。在等離子發生器中加入易電離的氣體（還需攜 、帶專用氣體），即可產生電漿（但產生的電漿厚度仍嫌過小）。第二代產品重量不到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於體隱身系統的功能外，還能改變反射信號的頻率，通過向敵人發出假信號，使敵人判斷錯誤來實現隱身。據報導，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，採用該技術的飛行器被敵方一定頻率的雷達發現的機率可降低90%以上。第一代和第二代等離於體隱身技術產品都已進行了成功實驗。
本世紀初
除美、俄外，法國的研究人員正在研製一種新的有源隱身系統，據報導，法國航空航天研究院採用電漿平面天線替代傳統的平板式和拋物面天線，研製成了全隱身的電漿雷達天線，該天線的解析度及性能優於常規天線。目前，其最佳工作頻率範圍為8～15 GHz，但是在分米波上可擴展至更長波長，在毫米波上可擴展至100 GHz。法國海軍將該電漿天線用於防禦超聲速反艦飛彈，天線結構緊湊，發射和接收距離約為300km，尤其是近兩年來研究的基於電漿陣列天線技術，有望替代相控陣雷達天線，成為下一代無線電信號感測設備的主力軍。
鑒於隱身技術在軍事上的重要作用，中國在電漿隱身方面的研究也進行了約10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套用的研究，在對等離子雷達隱身方面已經取得了原理驗證上和工程試驗的成功，並有很多獨到的創新，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隱身。
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電漿吸收電磁波的性能。80年代初，前蘇聯最早開始進行電漿實驗，研究的重點是電漿在高空超音速飛行器上的潛在套用；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，套用電漿技術，可使一個13厘米長的微波反射器的雷達截面能夠在4-14吉赫茲頻率範圍內平均降低20分貝，即雷達獲取回波的信號強度減小到原來的1%。1997年，美國海軍委託田納西大學等單位發展電漿隱身天線。其機理是；將電漿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號；當斷電時便成為絕緣體，基本不反射敵探測信號。初步的演示已顯示了這種天線的發射接收功能和隱身特性。
突破性進展
電漿隱身技術在俄羅斯取得了突破性進展，其研究領先於美國。據報導，俄羅斯克爾德什研究中心開發出第一代和第二代電漿發生器，並在飛機上進行了試驗，獲得了成功。第一代產品是電漿發生片，其厚度為0.5－0.7毫米，電壓為幾千伏，電流為零點幾毫安，將該發生片貼在飛行器的強散射部位，電離空氣即可產生電漿。第二代產品是電漿發生器，在電漿發生器中加入易電離的氣體，經過“脈衝電暈”，氣體由高溫轉為低溫，即可產生電漿。第二代產品的重量不到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號，還能通過改變反射信號的頻率以實現隱身。克爾德什研究中心正在套用新的物理知識研製效果更好的第三代產品，據預測，第三代產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隱身戰鬥機樣機並沒有像美國那樣的隱身外形設計，其隱身能力是利用他們稱之為“自己開發的減少雷達特徵的方法”來實現的，這很可能包括電漿隱身技術。由於電漿隱身技術已受到世界軍事強國的關注，因此它將可能具有廣闊的套用前景。
局限性
電漿隱身也有它本身的不足之處，如電漿發生器有較大的重量和體積，產生電漿的功耗比較大等；飛機上安裝電漿發生器的部位本身無法雷達隱身和電漿發光暴露目標的問題：電漿的高溫損壞機體材料以及電漿對機體材料的腐蝕問題，採用放射性同位素的問題是同位素的劑量難以控制等。實現等離子隱身的關鍵在於如何對電漿包層的電子密度進行控制。另一方面，從掌握的資料看。電漿隱身的有效頻率範圍一般在20GHZ以內，還沒有看到電漿隱身技術適用毫米波波段的報導。電漿發生器一般採用氣體放電法產生非平衡冷電漿，這類發生器很大的重量、體積和功耗構成了阻礙電漿隱身技術實用化的主要問題。因電漿隱身需要的電子密度和振盪頻率較高，並需要大面積使用，所以，若要求覆蓋KU波段以前的所有雷達電磁波。所需要的電漿電子數密度為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1～2個量級。而又因為電漿發生器發出的電漿要噴射到機體外部空間使用以形成變密度的電漿雲，導致與密封空間情況完全不同，電漿複合速率大大增加。按飛機所需空間計算，電漿雲最小體積為25～ 30m3，使用壓力0～1個大氣壓，這是現有電漿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別的增長，這是內部空間有限並且有效載荷有限的飛行器所不可接受的。
而且，在實驗室條件下，雖可利用常規放電方法來產生這樣電子密度量級的電漿，但不足在飛機外圍這么大的空間中使用。而要產生在飛機外圍空問使用的體積為30m3的電漿雲，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。高溫問題也是電漿在航空隱身工程套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。
我們感興趣的是冷電漿，而實際在非均衡電漿中電子溫度還高於10000攝氏度。過去，人們將電漿的這一能量集聚起來做成電子槍。用於電漿切割，焊接、表面處理等工業部門之中。可以斷言，航空隱身工程可套用的就是非均衡的冷電漿。產生這種電漿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℃，而電漿溫度只有300℃，不會燒壞機體。另外，若無法控制電漿中的離子密度，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），導致材料強度、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（如進氣道內腔等處）的隱身，但是其劑量難以控制，其生產、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，放射性同位素產生的電漿層較薄，產生速率較低，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隱身需求。
以上這些因素決定了在現階段電漿隱身技術依然處於試驗階段，所有相關研究成果報導也僅限於實驗室的試驗結果與數據，遠非實用產品的實際使用報導，電漿隱身技術距離完全實用化還有一段距離。也就是說，電漿隱身在現實中還不是實用技術．還只是我們的理想。
新思路
研製電漿產生器件
國內有關研究單位提出了將高氣壓強電離氣體放電方式產生的非平衡冷電漿用於隱身，並展開了相應的研究，認為利用強電離氣體放電方法產生非平衡冷電漿的實用型電漿發生器，可望解決當前電漿隱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寧省重點實驗室，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電漿，其電漿濃度也可能達到1015/cm3左右（而用於隱身技術的臨界電子濃度在1012/cm3這個量級），遠高於弱電離放電7個數量級。這就有可能使現有的弱電離放電非平衡冷電漿源及其反應器的 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套用鋪平了道略。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、經濟上的套用意義是難以估量的。
研製
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寧省重點實驗室，還在2005年進行了外加非均勻強電場、空間電荷形成的本徵電場對離子（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，並著重研究本徵電離子的運動速度影響規律。這就為研製強電離放電非平衡冷電漿源提供了理論基礎。另外，他們採用通過氣體把外加力作用到強電場中的離子上，當外加怍用力大於電場束縛力時，就可使強電離放電非平衡冷電漿源里的高濃度電漿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的高氣壓非平衡電漿源，處理氣量達到12m3 / h，輸出的電漿濃度達到了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寧省重點實驗室，如今研製的電漿產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/cm3～1016/cm3之間，而用於隱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，能產生10L電漿，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）強電離放電電漿產生器件外表面自身也具有隱身性能。
採用強電離放電方法可使非平衡冷電漿產生器件（或叫電漿發生器）體積、質量以及放電能耗成幾個數量級減少。用於隱身技術的臨界電子濃度在 1012/cm3這個量級．強電離放電電漿產生器件產生的大產成量的冷電漿的電子濃度大於1015/cm3，再稀釋1000倍後也足以滿足飛行器電漿隱身技術的要求。
