第40卷第8期 Vol4o Nog 2009年8月 Tk说益点r银 Ag2009 文章编号：1001一893X(2009)08-0108-05 等离子体与等离子体隐身技术 潘文俊，童创明，周明 (空军工程大学导弹学院陕西三原713800 摘要：等离子体隐身技术是种新型的隐身技术，是雷达隐身技术的最新发展。介绍了等离子体 的产生方法，讨论了等离子体的隐身机理，闸迷了国内外等离子体隐身技术的研究进展。针对日前 难以产生性能稳定的等离子体以及在目标表面难以形成持续均匀的等离子体层等技术难点，介绍了 两种最新的改进措施，最后对等离子体稳身技术的发展前景进行了展望. 关键词：等离子体：隐身技术：发展现状 中图分类号：T9方Q4L4O451文献标识码：A d9i103969/ji脚1001-893200908025 Plasn a and Plasa Stealth Technology PAN Wen-jin TONG Chuang-m ing ZHOU Ming (TheMissile Institute Air Fore Engincering University Sanyua713800 China) Abstract Pasma stealh is a novel tpe of stealt technopgy and the latest deve joment of radar steal technology I this paper themethod of plasma preparation is ntoduced the stealth mechanis is di cussed and the research progresses at home and ab oad are smmarized Ain ing at such difficulty as generating steady perfomance plma and continuous plama ayer on he target surface wo latest m proved methods are intoduced Fnally the prospective views are anayzd Key words sea technopgy deveppment sutus 了长足的发展。随等离子体天线的面世，等离子 1引言 体隐身技术才应用于实用阶段， 从目前公开的 近20多年来，随若国际形势的不断变化，各利 资料来看，俄罗斯在等离子体隐身这一领域处于领 精确的雷达探测技术以及精确制导技术大量地应用 先地位，尤其是最近正研究的第三代等离子体隐身 于武器系统中，使得各种精确制导武器的命中率比 系统，在4~14GH频率范围内可以使米格飞机的 以前提高了1一2个数量级，这给传统的作战武器在 雷达截面积(RS值减少到原来的1%，这与美国 战场上的生存能力构成了极大的威肋.要提高武器 下117隐形战斗机和B-2隐形轰炸机在雷达上反 系统的突防能力和生存能力就必须采用隐身技术， 映出的效果大致相同，但是由于它没有刻意地去改 等离子体隐身技术山作为一种全新的隐身概念，其 变飞机的气动性能.因此具有更高的性价比.正是 研究最早可以追潮到1957年，前苏联发射第一颗人 由于等离子体隐身技术具有吸波频带宽、效率高、使 造卫星时，科学家就注意到，人造卫星的电磁散射特 用简便，价格便宜等优点，特别是应用于飞行器隐身 性与普通的金属球不一样，而形成这种现象的关键 时无需改变飞行器的外形解决了隐身措施与气动 因素就是卫星飞行时在其周用形成了等离子体层. 性能的矛盾，日益受到国内外国防决策机构和军 直到20世纪八九十年代末，等离子体隐身技术才有 事专家的关注， ·收稿日期：2009一04一17修回日期.2009一06一15 015 China Academic Journal Eleetronie Publishing House.All rights reserved.hup://www.enki.net
第 49卷 第 8期 Vol.49 No.8 2009年 8月 TelecommunicationEngineering Aug.2009 文章编号:1001 -893X(2009)08 -0108 -05 等离子体与等离子体隐身技术 ＊ 潘文俊 ,童创明 ,周 明 (空军工程大学 导弹学院, 陕西 三原 713800) 摘 要 :等离子体隐身技术是一种新型的隐身技术, 是雷达隐身技术的最新发展 。介绍了等离子体 的产生方法 ,讨论了等离子体的隐身机理 ,阐述了国内外等离子体隐身技术的研究进展 。针对目前 难以产生性能稳定的等离子体以及在目标表面难以形成持续均匀的等离子体层等技术难点,介绍了 两种最新的改进措施 ,最后对等离子体隐身技术的发展前景进行了展望。 关键词 :等离子体 ;隐身技术;发展现状 中图分类号 :TN97;O441.4;O451 文献标识码 :A doi:10.3969/j.issn.1001 -893x.2009.08.025 PlasmaandPlasmaStealthTechnology PAN Wen-jun, TONGChuang-ming, ZHOU Ming (TheMissileInstitute, AirForceEngineeringUniversity, Sanyuan713800, China) Abstract:Plasmastealthisanoveltypeofstealthtechnologyandthelatestdevelopmentofradarstealty technology.Inthispaper, themethodofplasmapreparationisintroduced, thestealthmechanismisdiscussed, andtheresearchprogressesathomeandabroadaresummarized.Aimingatsuchdifficulty, as generatingsteadyperformanceplasmaandcontinuousplasmalayeronthetargetsurface, twolatestimprovedmethodsareintroduced.Finallytheprospectiveviewsareanalyzed. Keywords:plasma;stealthtechnology;developmentstatus 1 引 言 近 20多年来 ,随着国际形势的不断变化 ,各种 精确的雷达探测技术以及精确制导技术大量地应用 于武器系统中,使得各种精确制导武器的命中率比 以前提高了 1 ～ 2个数量级 ,这给传统的作战武器在 战场上的生存能力构成了极大的威胁, 要提高武器 系统的突防能力和生存能力就必须采用隐身技术 。 等离子体隐身技术 [ 1 ] 作为一种全新的隐身概念 ,其 研究最早可以追溯到 1957年 ,前苏联发射第一颗人 造卫星时,科学家就注意到 :人造卫星的电磁散射特 性与普通的金属球不一样 , 而形成这种现象的关键 因素就是卫星飞行时在其周围形成了等离子体层 。 直到 20世纪八九十年代末 ,等离子体隐身技术才有 了长足的发展 。随着等离子体天线的面世, 等离子 体隐身技术才应用于实用阶段 [ 2 ] 。从目前公开的 资料来看 ,俄罗斯在等离子体隐身这一领域处于领 先地位,尤其是最近正研究的第三代等离子体隐身 系统 ,在 4 ～ 14 GHz频率范围内可以使米格飞机的 雷达截面积(RCS)值减少到原来的 1%。这与美国 F-117隐形战斗机和 B-2隐形轰炸机在雷达上反 映出的效果大致相同 ,但是由于它没有刻意地去改 变飞机的气动性能, 因此具有更高的性价比。正是 由于等离子体隐身技术具有吸波频带宽 、效率高 、使 用简便、价格便宜等优点 ,特别是应用于飞行器隐身 时无需改变飞行器的外形, 解决了隐身措施与气动 性能的矛盾 [ 3 ] , 日益受到国内外国防决策机构和军 事专家的关注 。 · 108· ＊ 收稿日期:2009 -04 -17;修回日期:2009 -06 -15
第49卷第8期 Vol49 No8 2009年8月 Aug 2009 本文首先介绍了等离子体及其产生方法，讨论 等离子体内部的电磁波向外弯曲，使雷达回波偏离 了等离子体隐身的机理，接着阐述了等离子体隐身 敌方雷达的接收方向，使目标难以被敌方雷达发现 技术的一些最新研究现状，最后针对目前在实际应 从而实现对雷达波的折隐身。同时等离子体也耳 用中目标表面难以形成均匀持续的等离子体层以及 有高通滤波器的性质，当雷达频率低于等离子体频 难以立牛性能稳定的第离子体等书术难点，介绍了 率时，离本的折时室出现移部，申蓝被在传潘 两种最新的改进措施， 向上按指数衰减沿传播方向的平均传输功率为零 即电磁波不能在等离子体中传播，电磁波将被等肉 2等离子体隐身 子体完全反射，此时等离子体能以电磁波反射体的 等离子体被称为物质的第四态，它是由大量自 形式对宙达进行电子干扰。当宙达须率大于等离子 由电子、自由离子和中性粒子混合而成的非束缚宏 体频率时电磁波入射到等离子体内部，此时等离子 观体系。任何不带电的普通气体在受到外界高能作 体中带电粒了子在传播过程中必然会遇到各种形式的 用后，部分电子吸收的能量超过原子电离能从而脱 碰撞，等离子体通过碰撞吸收大部分入射波的能量。 离原子核的束缚而成为自由电子，同时原子因为失 去自由电子而成为带正电的离子当然，并非所有 等离子体 的自由电子、正电离子和部分中性原子组成的物质 就是等离子体只有具有足够高的电离度的电 人时 体才具有等离子体的性质。才能称为等离子体 粗略地说等离子体是带电的， 具有“电性”，而普通 气体是不带由的，具有“中性”当体系中的“由性 比“中性”更重要时，这一体系可以称为等离子体 21等离子体隐身的机理 a折射效 图1 等离子体隐身技术是指利用等离子体回避雷达 等离子体隐身示意图 探测系统的一种技术，其中等离子体频率是关键的 22等离子体的产生方法 参数引。等离子体频率指等离子体的集体振荡频 等离子体的产生主要有加热致电离、气体放电 率，频率的大小代表等离子体对电中性破坏的快慢。 放射性同位素、强激光、高功率微波等方法， 等离子体电子振荡角频率仙为 前，实现等离子体隐身的途径主要有3种.一是加热 w=(ne/m,e) 致电离产生等离子体，这是一种产生等离子体最简 单的方法，任何物质加热到足够的温度后都能产生 式中，n为等离子体自由电子的密度：m为电子 由离，实哈表明.只有在碱金属存在的条件下，加热 的电量和质量。为真空的介电常数。同样，离子 致电离才能产生一定密度的等离子体：二是利用微 等离子体的频率w:可参照上式写成： 波产生等离子体，即在低温下，通过电源以高频和高 压的形式提供高能量产生间隙放电、沿面放电等，将 i=(ne/) 气体介质击穿形成笔离子体。其击穿的条件是微洪 电场的均方根值大于击穿电场强度，其中击穿电场 式中，m为离子的质量，由于离子的质量远远大于 强度是微波自由空间波长，气体电离电位，电子平均 电子的质量，因此可以把等离子体频率近似等于等 自由程和特征扩散长度的函数：三是在飞行器的特 离子体的电子振荡频率。等离子体隐身的机理有很 多，其中最常见的有折射隐身和吸收隐身4。不均 定部位如强散射区涂一层放射性同位素涂料，利 用所放出的高能射线使武器周用空间的气体介质电 匀非磁化等离子体的折射率可以近似地表示为 离，形成等离子层所形成的等离子层具有足够的电 n=(1-n e /eo mo2)in 子密度和厚度，从而对雷达被有较强的吸收和散射 能力，衰减反射信号，以实现隐身。目前，国内外主 由于等离子体的折射率与等离子体的自由电子 要采用第二种方法产生等离子体 密度有关适当设计等离子体的密度分布，使入射到 21994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved. http:/www.n109
第 49卷 第 8期 Vol.49 No.8 2009年 8月 TelecommunicationEngineering Aug.2009 本文首先介绍了等离子体及其产生方法 , 讨论 了等离子体隐身的机理 , 接着阐述了等离子体隐身 技术的一些最新研究现状 , 最后针对目前在实际应 用中目标表面难以形成均匀持续的等离子体层以及 难以产生性能稳定的等离子体等技术难点 , 介绍了 两种最新的改进措施 。 2 等离子体隐身 等离子体被称为物质的第四态 , 它是由大量自 由电子 、自由离子和中性粒子混合而成的非束缚宏 观体系 。任何不带电的普通气体在受到外界高能作 用后, 部分电子吸收的能量超过原子电离能从而脱 离原子核的束缚而成为自由电子, 同时原子因为失 去自由电子而成为带正电的离子 。当然, 并非所有 的自由电子 、正电离子和部分中性原子组成的物质 就是等离子体,只有具有足够高的电离度的电离气 体才具有等离子体的性质, 才能称为等离子体 [ 4 ] 。 粗略地说,等离子体是带电的 , 具有 “电性 ”, 而普通 气体是不带电的 ,具有 “中性”。当体系中的 “电性 ” 比 “中性 ”更重要时,这一体系可以称为等离子体。 2.1 等离子体隐身的机理 等离子体隐身技术是指利用等离子体回避雷达 探测系统的一种技术, 其中等离子体频率是关键的 参数 [ 5 ] 。等离子体频率指等离子体的集体振荡频 率 ,频率的大小代表等离子体对电中性破坏的快慢 。 等离子体电子振荡角频率 ωe为 ωe =(nee 2 /meε0 ) 1/2 式中, ne为等离子体自由电子的密度;e、 me为电子 的电量和质量, ε0 为真空的介电常数。同样 ,离子 等离子体的频率 ωi可参照上式写成 : ωi =(nee 2 /miε0) 1/2 式中, mi为离子的质量。由于离子的质量远远大于 电子的质量 ,因此可以把等离子体频率近似等于等 离子体的电子振荡频率。等离子体隐身的机理有很 多 ,其中最常见的有折射隐身和吸收隐身 [ 6] 。不均 匀非磁化等离子体的折射率可以近似地表示为 n=(1 -nee 2 /ε0meω 2) 1/2 由于等离子体的折射率与等离子体的自由电子 密度有关,适当设计等离子体的密度分布 ,使入射到 等离子体内部的电磁波向外弯曲 , 使雷达回波偏离 敌方雷达的接收方向,使目标难以被敌方雷达发现, 从而实现对雷达波的折射隐身。同时等离子体也具 有高通滤波器的性质 ,当雷达频率低于等离子体频 率时 ,等离子体的折射率出现虚部 ,电磁波在传播方 向上按指数衰减,沿传播方向的平均传输功率为零, 即电磁波不能在等离子体中传播 , 电磁波将被等离 子体完全反射 ,此时等离子体能以电磁波反射体的 形式对雷达进行电子干扰。当雷达频率大于等离子 体频率时电磁波入射到等离子体内部 ,此时等离子 体中带电粒子在传播过程中必然会遇到各种形式的 碰撞 ,等离子体通过碰撞吸收大部分入射波的能量。 图 1 等离子体隐身示意图 2.2 等离子体的产生方法 等离子体的产生主要有加热致电离 、气体放电、 放射性同位素 、强激光、高功率微波等方法 [ 6] 。目 前,实现等离子体隐身的途径主要有 3种:一是加热 致电离产生等离子体 ,这是一种产生等离子体最简 单的方法 ,任何物质加热到足够的温度后都能产生 电离 ,实验表明 ,只有在碱金属存在的条件下, 加热 致电离才能产生一定密度的等离子体 ;二是利用微 波产生等离子体,即在低温下 ,通过电源以高频和高 压的形式提供高能量产生间隙放电、沿面放电等 ,将 气体介质击穿形成等离子体 。其击穿的条件是微波 电场的均方根值大于击穿电场强度 , 其中击穿电场 强度是微波自由空间波长、气体电离电位、电子平均 自由程和特征扩散长度的函数;三是在飞行器的特 定部位(如强散射区 )涂一层放射性同位素涂料, 利 用所放出的高能射线使武器周围空间的气体介质电 离, 形成等离子层, 所形成的等离子层具有足够的电 子密度和厚度 ,从而对雷达波有较强的吸收和散射 能力 ,衰减反射信号 , 以实现隐身 。目前,国内外主 要采用第二种方法产生等离子体 。 · 109·
第49卷第 8期 N98 2009年8 Ag2009 向敌人发出假信号，使敌人判断错误。据报道，在不 3等离子体隐身技术发展现状与前景 影响飞机技术性能的同时，采用该技术的飞行器被 31国内外等离子体隐身技术研究现状 敌方发现的概率可降低99%以上。最近，俄罗斯公 开的可与美国一22相抗衡的第五代战斗机米格 311美国 .42据说就是采用了这项先进技术，这两代等离子 等离子隐身技术直到20世纪90年代才应用于 体隐身技术产品已进行了成功试险，并获准出口 实用阶段。美海军委托田纳西大学等机构研制等离 目前，俄罗斯正在研制第三代等离子体隐身系统，掘 子体天线”，其工作机理是：将等离子体放电管作 预，该隐身系统可能利用飞行器周用的静申能量 为无线元件，当放电管通电时就成为导体，能发射和 来减小飞行器的截面积。应用第三代等离子体隐身 接收无线电信号：当放电管断电时便成为绝缘体，不 技术.在4~14H频率范围内可以使米格飞机的 反射雷达发出的探测信号 这就是说。等离 体天 RCS值减少到原来的%.这与美国F-117隐形 线是利用等离子体单元来控制天线的工作，通过改 战斗机和B一2隐形轰炸机在雷达上反映出的效珠 变等离子体的密度等参数就能控制天线的工作频率 大致相同，但性价比更高，而且没有刻意地去改变飞 等性能，从而克服了传统的金属天线在其尺寸确定 机的气动性能另外俄罗斯在导弹拦截技术上 后其工作频率范围等也确定的弊端， 而且当等离子 也有了新的突破。近几年来俄罗斯科学家率先提 天线在发射 一个脉冲信号后，可以切断供电，从而消 出一个新的出发点，即任何飞行目标都存在最跪弱 除传统天线中的阻尼荡 近几年来美海军实验 飞行环境特性，从而独辟蹊径提出采用 室将工作重心放在U型天线上【网，其工作频率范围 等离子体器栏载导弹的新方法。其工作原理是 已经达到01一1Hz美海军已经将等离子体天 利用安装在地面的发生器和天线发出超高频电磁波 线安装在潜望镜上，能快速重新配置小型天线，可以 束使之在高空聚焦，焦点处的空气便会发生高强度 接收1~45GH频率范围内的信号。另外，美军 的电离反应，形成高电离化空气云 等离子体闭： 在等离子雷达上也取得了 些成果 等离子雷达是 利用这些彼此交叉的大功率电磁能束或光束改变导 利用电离等离子体的招导特性来反射雷大波束的机 弹的飞行环培，使飞行的导弹偏离方向而失去战斗 理建立起的一种实时对全部空 域提供覆盖的雷达豸 作用 由于整个拦截过程仅需Q115对等离子体 统。等离子雷达可在十亿分之 一秒内重新定向.改 发生器而言，飞行中的导弹几乎可以相当于是“静 变所监视的目标而传统雷达约需1一10这就意 止不动”的目标因此它可以在瞬间高度准确地拦 味着它能以几乎无限快的速度跟踪来袭的导弹等目 截多个来袭目标。据报道.俄罗斯已经成功地研制 标。美国海军正在开发的“捷变镜”雷达就是这种 出试验型等离子体武器它主要由超高频电磁波发 等离子雷达。据称.最近摩托罗拉(MoDO公司 生器，定向天线、申源及控制系统组成.而且该套试 准备将等离子体切换天线用于移动电话，如果这项 验装置己经成功地击落了炮弹。不过，等离子体武 技术能够得以实现，势必将对移动电话的发展产生 器的想法看似简单，但是需解决的技术问题是远远 翻天罗地的变化 超讨人们的想象.其核心枝术是招大功率由磁被的 312俄罗斯 发射装置以及对能源系统和天线装置的要求 从目前公开的资料来看.俄罗斯在等离子体院 313英国 身这一领域处于领先地位，俄罗斯已开发研制出两 英国研究等离子体技术已有近10年的历史最 代等离子体隐身产品，第一代装置是比较简单 初与俄罗斯合作研究等离子体隐身产品，现正在研 的等离子体发生片，其厚度只有05-07m四将 子体在无人机上应用的可行性。 AT Sover 该发生片贴在飞行器的强散射部位可以减弱电磁 b和BAE System是这些领域的典型代表，它们的 波，改变信号长度。第二代装置为等离子体发生器。 等离子体物理学家提出将气体激光武器用的X射 在等离子发生器里加入了易电离的中性气体即可产 线预先电离系统技术用于电空气动力学规律的研 生笔离子体.而日该产品量不到100k8耗由只 究。相关实验表明，在塑料薄膜处置放铜电极。有可 几千瓦。它除具备第一代隐身系统的功能外，还能 能在博膜上形成表面等离子体层。就目前的成果来 015 China Academic Journal Elect Publishing House.all rights www.cnki.net
第 49卷 第 8期 Vol.49 No.8 2009年 8月 TelecommunicationEngineering Aug.2009 3 等离子体隐身技术发展现状与前景 3.1 国内外等离子体隐身技术研究现状 3.1.1 美国 等离子隐身技术直到 20世纪 90年代才应用于 实用阶段。美海军委托田纳西大学等机构研制等离 子体天线 [ 7 ] ,其工作机理是 :将等离子体放电管作 为无线元件 ,当放电管通电时就成为导体 ,能发射和 接收无线电信号 ;当放电管断电时便成为绝缘体,不 反射雷达发出的探测信号。这就是说, 等离子体天 线是利用等离子体单元来控制天线的工作 , 通过改 变等离子体的密度等参数就能控制天线的工作频率 等性能 ,从而克服了传统的金属天线在其尺寸确定 后其工作频率范围等也确定的弊端。而且当等离子 天线在发射一个脉冲信号后,可以切断供电,从而消 除传统天线中的阻尼振荡。近几年来, 美海军实验 室将工作重心放在 U型天线上 [ 8] ,其工作频率范围 已经达到 0.1 ～ 1 GHz。美海军已经将等离子体天 线安装在潜望镜上,能快速重新配置小型天线 ,可以 接收 1 ～ 45 GHz频率范围内的信号 [ 12 ] 。另外 ,美军 在等离子雷达上也取得了一些成果。等离子雷达是 利用电离等离子体的超导特性来反射雷达波束的机 理建立起的一种实时对全部空域提供覆盖的雷达系 统 。等离子雷达可在十亿分之一秒内重新定向 ,改 变所监视的目标, 而传统雷达约需 1 ～ 10 s, 这就意 味着它能以几乎无限快的速度跟踪来袭的导弹等目 标 。美国海军正在开发的 “捷变镜 ”雷达就是这种 等离子雷达 。据称, 最近摩托罗拉 (Motorola)公司 准备将等离子体切换天线用于移动电话, 如果这项 技术能够得以实现, 势必将对移动电话的发展产生 翻天覆地的变化 。 3.1.2 俄罗斯 从目前公开的资料来看 ,俄罗斯在等离子体隐 身这一领域处于领先地位 , 俄罗斯已开发研制出两 代等离子体隐身产品 [ 9] 。第一代装置是比较简单 的等离子体发生片, 其厚度只有 0.5 ～ 0.7 mm, 将 该发生片贴在飞行器的强散射部位, 可以减弱电磁 波 ,改变信号长度 。第二代装置为等离子体发生器 , 在等离子发生器里加入了易电离的中性气体即可产 生等离子体 ,而且该产品重量不到 100 kg,耗电只有 几千瓦 。它除具备第一代隐身系统的功能外 , 还能 向敌人发出假信号 ,使敌人判断错误。据报道,在不 影响飞机技术性能的同时, 采用该技术的飞行器被 敌方发现的概率可降低 99%以上。最近 , 俄罗斯公 开的可与美国 F-22相抗衡的第五代战斗机米格 1.42据说就是采用了这项先进技术 ,这两代等离子 体隐身技术产品已进行了成功试验 , 并获准出口。 目前 ,俄罗斯正在研制第三代等离子体隐身系统 ,据 预测 ,该隐身系统可能利用飞行器周围的静电能量 来减小飞行器的截面积 。应用第三代等离子体隐身 技术 ,在 4 ～ 14 GHz频率范围内可以使米格飞机的 RCS值减少到原来的 1%。这与美国 F-117 隐形 战斗机和 B-2隐形轰炸机在雷达上反映出的效果 大致相同 ,但性价比更高 ,而且没有刻意地去改变飞 机的气动性能 [ 10] 。另外, 俄罗斯在导弹拦截技术上 也有了新的突破。近几年来, 俄罗斯科学家率先提 出一个新的出发点 ,即任何飞行目标都存在最脆弱 的地方———飞行环境特性, 从而独辟蹊径提出采用 等离子体武器拦截导弹的新方法 。其工作原理是: 利用安装在地面的发生器和天线发出超高频电磁波 束, 使之在高空聚焦 ,焦点处的空气便会发生高强度 的电离反应,形成高电离化空气云 ———等离子体团, 利用这些彼此交叉的大功率电磁能束或光束改变导 弹的飞行环境 ,使飞行的导弹偏离方向而失去战斗 作用 。由于整个拦截过程仅需 0.11 s, 对等离子体 发生器而言, 飞行中的导弹几乎可以相当于是 “静 止不动”的目标, 因此它可以在瞬间高度准确地拦 截多个来袭目标。据报道, 俄罗斯已经成功地研制 出试验型等离子体武器, 它主要由超高频电磁波发 生器 、定向天线 、电源及控制系统组成 ,而且该套试 验装置已经成功地击落了炮弹 。不过 ,等离子体武 器的想法看似简单 ,但是需解决的技术问题是远远 超过人们的想象, 其核心技术是超大功率电磁波的 发射装置以及对能源系统和天线装置的要求 。 3.1.3 英国 英国研究等离子体技术已有近 10年的历史, 最 初与俄罗斯合作研究等离子体隐身产品 ,现正在研 究等离子体在无人机上应用的可行性。 ATCSowerby和 BAESystem是这些领域的典型代表 。它们的 等离子体物理学家提出将气体激光武器用的 X射 线预先电离系统技术用于电空气动力学规律的研 究。相关实验表明 ,在塑料薄膜处置放铜电极,有可 能在薄膜上形成表面等离子体层 。就目前的成果来 · 110·
第49卷第8期 Vol49 No8 2009年8月 Aug 2009 看，如何能形成稳定的表面等离子体层将是他们近 的通信：三是等离子体吸收雷达波的能量后会产生 期研究的重点。 大量的热能。会增加红外探测的可能性：四是等离子 314法国 体发生器的电源功率及其设备体积比较大，这些缺 法国的研究人员正在开展 一种新的有源隐身系 点是等离子体隐身技术仍然不能投入实用的重要周 统的研究。据报道，法国航空航天研究院采用等密 子体平面天线替代传统的平板式和抛物面天线 如今，各国对等离子体隐身技术都在进行更全 研制成了全隐身的等离子体宙达天线，该天线的分 面、更深入的研究.就目前最近的资料来看，主要有 辨率及性能代于常规天线.目前，其最佳工作南 以下几种措施： 范围为815GH但是在分米波上可扩展至更长 (1)采用闭式等离子体隐身技术.闭式等 波长.在毫米波上可扩展至100GH2法国海车将 离子体隐身技术就是将目标重点部位的单层结构改 该等离子体天线用于防御超声速反舰导弹，天线名 成双层结构，最外层采用玻璃钢等高强度的透波材 构紧凑，发射和接收距离约为300四尤其是近两 科，将等离子体或惰性气体灌充于双层蒙皮之间，其 年来研究的基于等离子体阵列天线技术，有望替代 主要的目的是实现装备重点部位的隐身。就目前的 技术条件来看，既可以保证雷达被透入蒙皮夹层，又 相控阵雷达天线。成为下一代无线电信号传感设备 的主力军 能够克服飞行器在高速飞行时产生高温，在通过给 夹层中的惰性气体放电形成等离子体可以灵活地通 315国内 过改变气体的密度以及电压改变等离子体的密度 在国内，等离子体雷达天线系统的工作大部分 从而可以实现自适应最大限度地吸收主要威胁频段 处于理论的研究过程，属于开发起步阶段 国内研 的电磁波，采用这种闭式结构可以解决等离子体在 究机构在对等离子雷达隐身方面己经取得了原理验 飞行器表面分布不均匀的难题不会对己方形成屏 证上的成功。科学家认为，大约10年后，飞行器有 蓝和干扰.即使在直空和低空环墙也使产生和维桔 望实现等离子隐身 中国科学院等离子物理研 等离子体变得简单，但是这样也会带来一些新的问 究所属中国科学院合肥物质科学研究院)对等离 题，如增加装备的体积、能源的消耗和装备的设计复 子体隐形效应和相关技术已经进行了长期、较全面 杂度等 的研究，中科院空间科学与应用研究中心，的科研者 (2)根据美国2008年最新报道，在产生等 己经研制出 一款鞭状等离子体天线。上海交通大学 离子体时用脉冲电流替换传统的直流电供电，发现 对磁化冷等离子体波导的全频域导通理论与实现技 加入脉冲电流后可以在2 4内产生等离子体，而等 术，可控等离子体理论与技术进行了深入的研究， 目前有明确研究实物的有中科院空间技术研究院和 离子体可以维持其密度不变长达Q01§这就是说 通电时间仅占所有时间的2%,这样就可以消除 上海交浦大学 因为电流的不稳定性对等离子体天线工作所造成的 32等离子体隐身技术最新成果及前景展望 影响，而且他们还发现用脉冲信号比用直流电产生 等离子体隐身技术在军事上具有极高的潜在应 的等离子体的密度要高，这就意味着采用新的方法 用价值，将成为隐身技术发展新的突破方向及世界 可以产生出密度更高、性能更稳定的等离子体， 各军事强国竞相研究的焦点。目前，在理论上己丝 目前要做到等离子体隐身，原理上已经没有问 获得成功，如果能真正投入未来战场，将对未来空战 题，但真正的实用还需要很长时间。比如，运载等离 产生革命性的影响。 今，等离子体隐身技术实现 子发生器就会让飞行器的载重增大，如何让它不影 的一般方法是利用等离子体发生器或者用放射性同 响飞行？再比如，等离子发生器安装了之后，飞行器 位素在飞行器表面形成一层等离子云，通过控制等 外表看起来非常亮怎么让飞行员接近？飞行器最 离子体的特征参数使照射在等离子体云上的 难隐身的地方之 一是飞行器的尾气喷口，也最需要 分雷达波被吸收。一部分改变传播方向.从而达到隐 进行隐身，怎么才能让这个部位达到最好的隐身效 身的目的。但是，采用这些方法存在着几个难点 果？所有这些问题都需要在实际的工程中解决 是难以在目标表面形成均匀持续的等离子体层： 目前掌提的资料看，等离子体隐身的有效频率范用 是在欺骗对方雷达的同时也会屏蔽自己，影响正常 般在20GH似内，还没有看到等离子体隐身技 21994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www
第 49卷 第 8期 Vol.49 No.8 2009年 8月 TelecommunicationEngineering Aug.2009 看 ,如何能形成稳定的表面等离子体层将是他们近 期研究的重点。 3.1.4 法国 法国的研究人员正在开展一种新的有源隐身系 统的研究。据报道, 法国航空航天研究院采用等离 子体平面天线替代传统的平板式和抛物面天线 [ 11 ] , 研制成了全隐身的等离子体雷达天线, 该天线的分 辨率及性能优于常规天线。目前, 其最佳工作频率 范围为 8 ～ 15 GHz, 但是在分米波上可扩展至更长 波长, 在毫米波上可扩展至 100 GHz。法国海军将 该等离子体天线用于防御超声速反舰导弹 , 天线结 构紧凑 ,发射和接收距离约为 300 km, 尤其是近两 年来研究的基于等离子体阵列天线技术, 有望替代 相控阵雷达天线 ,成为下一代无线电信号传感设备 的主力军。 3.1.5 国内 在国内, 等离子体雷达天线系统的工作大部分 处于理论的研究过程 ,属于开发起步阶段 。国内研 究机构在对等离子雷达隐身方面已经取得了原理验 证上的成功 。科学家认为 ,大约 10年后, 飞行器有 望实现等离子隐身 [ 12] 。中国科学院等离子物理研 究所(属中国科学院合肥物质科学研究院 )对等离 子体隐形效应和相关技术已经进行了长期 、较全面 的研究 ,中科院空间科学与应用研究中心的科研者 已经研制出一款鞭状等离子体天线, 上海交通大学 对磁化冷等离子体波导的全频域导通理论与实现技 术 、可控等离子体理论与技术进行了深入的研究 。 目前有明确研究实物的有中科院空间技术研究院和 上海交通大学。 3.2 等离子体隐身技术最新成果及前景展望 等离子体隐身技术在军事上具有极高的潜在应 用价值 ,将成为隐身技术发展新的突破方向及世界 各军事强国竞相研究的焦点。目前, 在理论上己经 获得成功,如果能真正投入未来战场 ,将对未来空战 产生革命性的影响 。如今 , 等离子体隐身技术实现 的一般方法是利用等离子体发生器或者用放射性同 位素在飞行器表面形成一层等离子云, 通过控制等 离子体的特征参数, 使照射在等离子体云上的一部 分雷达波被吸收 ,一部分改变传播方向,从而达到隐 身的目的。但是 ,采用这些方法存在着几个难点:一 是难以在目标表面形成均匀持续的等离子体层 ;二 是在欺骗对方雷达的同时也会屏蔽自己, 影响正常 的通信;三是等离子体吸收雷达波的能量后会产生 大量的热能,会增加红外探测的可能性 ;四是等离子 体发生器的电源功率及其设备体积比较大, 这些缺 点是等离子体隐身技术仍然不能投入实用的重要原 因。 如今 , 各国对等离子体隐身技术都在进行更全 面、更深入的研究, 就目前最近的资料来看, 主要有 以下几种措施 : (1)采用闭式等离子体隐身技术 [ 13 ] 。闭式等 离子体隐身技术就是将目标重点部位的单层结构改 成双层结构,最外层采用玻璃钢等高强度的透波材 料, 将等离子体或惰性气体灌充于双层蒙皮之间 ,其 主要的目的是实现装备重点部位的隐身 。就目前的 技术条件来看 ,既可以保证雷达波透入蒙皮夹层 ,又 能够克服飞行器在高速飞行时产生高温 ,在通过给 夹层中的惰性气体放电形成等离子体可以灵活地通 过改变气体的密度以及电压改变等离子体的密度, 从而可以实现自适应最大限度地吸收主要威胁频段 的电磁波 。采用这种闭式结构可以解决等离子体在 飞行器表面分布不均匀的难题, 不会对己方形成屏 蔽和干扰 ,即使在真空和低空环境也使产生和维持 等离子体变得简单 ,但是这样也会带来一些新的问 题, 如增加装备的体积、能源的消耗和装备的设计复 杂度等。 (2)根据美国 2008 年最新报道 [ 14 ] , 在产生等 离子体时用脉冲电流替换传统的直流电供电, 发现 加入脉冲电流后可以在 2 μs内产生等离子体 ,而等 离子体可以维持其密度不变长达 0.01 s。这就是说 通电时间仅占所有时间的 0.2%, 这样就可以消除 因为电流的不稳定性对等离子体天线工作所造成的 影响 ,而且他们还发现用脉冲信号比用直流电产生 的等离子体的密度要高, 这就意味着采用新的方法 可以产生出密度更高、性能更稳定的等离子体。 目前要做到等离子体隐身 ,原理上已经没有问 题, 但真正的实用还需要很长时间 。比如,运载等离 子发生器就会让飞行器的载重增大 , 如何让它不影 响飞行? 再比如,等离子发生器安装了之后 ,飞行器 外表看起来非常亮, 怎么让飞行员接近 ? 飞行器最 难隐身的地方之一是飞行器的尾气喷口 ,也最需要 进行隐身 ,怎么才能让这个部位达到最好的隐身效 果? 所有这些问题都需要在实际的工程中解决。从 目前掌握的资料看 ,等离子体隐身的有效频率范围 一般在 20 GHz以内, 还没有看到等离子体隐身技 · 111·
第 8期 N9& Ag2009 术适用毫米波频段的报道，以上这些因素决定 1J.现代雷达200224(3为9-12 了在现阶段等离子体隐身技术依然处于试验阶段， 【7刀Bog G Harrs JH Phmas as theory Ex 所有相关研究成果的报道也仅限于实验室的试验结 Perment and Applicatios J.Phys Phsa 2000 果与数据。远非实用产品的实际使用报道，等离子体 (52198-220 隐身技术距离完全实用化还有一段距离。 I8周 permental and Theoretcal Results wit Pasma Anten 4结束语 n.EFE Trnsactions on Phsma 2006 34 (22166-172 尽管等离子体隐身技术在许多国家都已进行深 【9身唐恩凌张静.等离子体隐身技术及发展现状[.飞 入的研究，虽然目前仍有许多技术问题有待解决但 航导弹2008(5为1B-15 是它所具有的诸多优越性及应用的可行性，必将使 【10宋慧敏。李应红.等离子体技术在航空领域中的应用 等离子体技术拥有广阔的发展前景。随着等离子体 研究【」航空雄修与工程2004(5110一20 隐身技术的发展，未来必将对飞机的攻防技术、导 【1 孙杰衰斌蒋垒等等离子体天线及其在复杂电码 突防技术方面的设计产生深远的影响。因此，等离 环境中的应用[」.信息技术，2007(7)34一37 子体隐身技术作为未米隐身技术发展的一个新的突 孙杰.等.离子鞭天线及米被超短间距八木天线性创 破方向，必将成为世界各军事强国竞相研究和发展 研究.上海：上海交通大学200 的重点。等离子体隐身技术是一个创举，对于我国 【13李毅.张伟军，等.闭式等离子体隐身技术及等离子 隐身技术工作者而言，既是机遇又是挑战。将米 体参数的优化[1.微波学报.2008(2)23一25 日关鞋技术得到突破。等离子体隐身技术很有可能 14 or A lexeff Ted Anderson Esmaeil Farsi Recent re 替代现有的靠外形和材料隐身的技术，为隐身兵器 ult pr plama Phys3200815(5).1-4 开创一片新天地，等离子体隐身技术的出现无疑为 我们提供了一个新的思路，如果该项技术在军事应 115 Lock K W Alexeff IR Conoep ual study of stealt 用上获得成功必将大大加快我国武器装备现代化 a】Conference on Pasma Science王1996261 的讲程 267 参考文献 【高虹冕。曹泽阳.21世纪隐身新途径一等离子体隐身 作者简介 术1. 飞航导弹 02(1454-5 潘文俊(198男湖北人顾士研究生主要研究方 向为等离子体涂覆日标电磁散射特性： [2]or A Weng L.K A Plama steslh antenna pr be U Pmail Pan wen2006@为h0 com cn S navy C /Proceed ngs of EFE In ematpnal Confer ence on P ama Sence9正E19%2刀-282 童创明(1964一，男，湖北人博士，东南大学毫米波国 【3引凌永顺。等离子体隐身及其用于飞机的可能性1手.空 家重点实验室出站博士后，现为空军工程大学导弹学院雷达 工程系微波教研主任，教授、博士生导师、空军级专家。 军工程大学学报（自然科学版120001(2）1一3 夏新仁，邓发升.等离子体隐身技术的特点及应用 要从事电磁敬射逆散射与目标识别、计算电磁学和超宽带 术等领域的科研与教学工作，在国内外期刊和会议上发表与 「】.雷达与对抗.2002(1).17一21 交流学术论文150余篇其中C】E】P王收录100 5引刘少斌袁乃昌.温度.密度对目标等离子体隐身效果影 响的DD发现[小.航空计算技术2033(48-12 余篇次，获军队科技进步奖8项。 [6 莫锦军刘少裙袁乃县.等.离子体隐身机理研究 2015 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.net
第 49卷 第 8期 Vol.49 No.8 2009年 8月 TelecommunicationEngineering Aug.2009 术适用毫米波频段的报道 [ 15] 。以上这些因素决定 了在现阶段等离子体隐身技术依然处于试验阶段 , 所有相关研究成果的报道也仅限于实验室的试验结 果与数据,远非实用产品的实际使用报道 ,等离子体 隐身技术距离完全实用化还有一段距离。 4 结束语 尽管等离子体隐身技术在许多国家都已进行深 入的研究,虽然目前仍有许多技术问题有待解决,但 是它所具有的诸多优越性及应用的可行性 , 必将使 等离子体技术拥有广阔的发展前景。随着等离子体 隐身技术的发展 ,未来必将对飞机的攻防技术 、导弹 突防技术方面的设计产生深远的影响 。因此 , 等离 子体隐身技术作为未来隐身技术发展的一个新的突 破方向 ,必将成为世界各军事强国竞相研究和发展 的重点 。等离子体隐身技术是一个创举, 对于我国 隐身技术工作者而言 ,既是机遇又是挑战 。将来,一 旦关键技术得到突破, 等离子体隐身技术很有可能 替代现有的靠外形和材料隐身的技术, 为隐身兵器 开创一片新天地 。等离子体隐身技术的出现无疑为 我们提供了一个新的思路 , 如果该项技术在军事应 用上获得成功,必将大大加快我国武器装备现代化 的进程 。 参考文献: [ 1] 高虹霓, 曹泽阳.21 世纪隐身新途径—等离子体隐身 术[ J] .飞航导弹, 2002(1):54 -55. [ 2] IgorA, WengLK.AplasmastealthantennafortheU Snavy[ C] //ProceedingsofIEEEInternationalConferenceonPlasmaScience.IEEE, 1998:277 -282. [ 3] 凌永顺.等离子体隐身及其用于飞机的可能性[ J] .空 军工程大学学报(自然科学版), 2000, 1(2):1 -3. [ 4] 夏新仁, 邓发升.等离子体隐身技术的特点及应用 [ J] .雷达与对抗, 2002(1):17 -21. [ 5] 刘少斌, 袁乃昌.温度、密度对目标等离子体隐身效果影 响的 FDTD发现[ J].航空计算技术, 2003, 33(l):8 -12. [ 6] 莫锦军, 刘少斌, 袁乃昌, 等.离子体隐身机理研究 [ J] .现代雷达, 2002, 24(3):9 -12. [ 7] BorgG, HarrisJH.PlasmasasAntennas-theory, ExperimentandApplications[ J] .PhysPlasma, 2000, 7 (5):2198 -2202. [ 8] IgorAlexeff, TedAnderson, Sriram Parameswaran.ExperimentalandTheoreticalResultswithPlasmaAntenna[ J] .IEEETransactionsonPlasmaScience, 2006, 34 (2):166 -172. [ 9] 唐恩凌, 张静.等离子体隐身技术及发展现状 [ J] .飞 航导弹, 2008(5):13 -15. [ 10] 宋慧敏, 李应红.等离子体技术在航空领域中的应用 研究[ J] .航空维修与工程, 2004(5):19-20. [ 11] 孙杰, 袁斌, 蒋垒, 等.等离子体天线及其在复杂电磁 环境中的应用[ J] .信息技术, 2007(7):34 -37. [ 12] 孙杰, 等.离子鞭天线及米波超短间距八木天线性能 研究[ D] .上海:上海交通大学, 2007. [ 13] 李毅, 张伟军, 等.闭式等离子体隐身技术及等离子 体参数的优化[ J] .微波学报, 2008(2):23 -25. [ 14] IgorAlexeff, TedAnderson, EsmaeilFarshi.Recentresultforplasma antennas[ J] .American Institute of Physics, 2008, 15(5):1 -4. [ 15] LockK.W, AlexeffIR.Conceptualstudyofstealth plasmaantenna[ C] / /ProceedingsofIEEEInternationalConferenceonPlasmaScience.IEEE, 1996:261 - 267. 作者简介 : 潘文俊(1986 -), 男, 湖北人, 硕士研究生, 主要研究方 向为等离子体涂覆目标电磁散射特性; Email:pan.wenjun2006@yahoo.com.cn 童创明(1964 -), 男, 湖北人, 博士, 东南大学毫米波国 家重点实验室出站博士后, 现为空军工程大学导弹学院雷达 工程系微波教研室主任、教授、博士生导师、空军级专家, 主 要从事电磁散射逆散射与目标识别、计算电磁学和超宽带技 术等领域的科研与教学工作, 在国内外期刊和会议上发表与 交流学术论文 150余篇 (其中 SCI、EI、ISTP、IEEE收录 100 余篇次), 获军队科技进步奖 8项。 · 112·