等离子体隐身技术分析及数值模拟研究

李俊 钟孟春 毛保全

摘 要：随着现代科学技术的发展，低温等离子体技术蓬勃发展，日新月异，已被广泛运用到工程领域，深刻改变着人类的生活。在军事领域，等离子体隐身技术有着广泛的应用前景。本文跟踪等离子体隐身技术发展动态，详细介绍了等离子体隐身技术及数值模拟研究。

关键词：等离子体；隐身技术；数值模拟

现代战争发现即摧毁，战场信息探测和侦查技术越来越重要。隐身技术就是通过减弱、抑制、吸收、偏转目标的雷达回波强度，来降低目标的雷达散射截面（RCS），从而尽可能减弱雷达回波信号，使目标在一定范围内难以被雷达识别和发现[1]。等由于等离子体的“带电”特性，能有效的吸收和反射电磁波，离子体隐身技术应运而生。

1 研究现状：

等离子体当中存在数量巨大的自由移动的电子和离子，当电磁波经过等离子体区域的时候，电磁波会受到电子与离子的影响，产生一定的衰减。上世纪90年代W.W.Destler的研究小组利用高效率的微波脉冲照射等离子体，实验发现电磁波发生了发射和吸收，其衰减达到了30dB以上。袁忠才[2]等人通过对十几赫兹的电磁波在大气中燃烧等离子体内传输特性进行研究，发现电磁波在等离子体内会与带电粒子发生碰撞，导致一部分电磁波被吸收，衰减程度达到25dB。张晓友等人也对电磁波在等离子体中的衰减情况进行了试验研究，他们采用量级为G赫兹的电磁波穿过等离子体，发现衰减达到了18dB以上。马平[3]的研究小组对等离子体的电子密度与电磁波衰减情况进行了研究。他们采用试验的手段，通过控制火箭发动机中生成等离子体的电子密度，当电子密度达到1011cm-3时，电磁波的衰减程度最大，超过65%的电磁波被吸收。

2 等离子体隐身技术建模分析

由于等离子体可以看作一个流动的导体，研究电磁波在其中的传播需要用到流体力学的基本方程和电磁场方程，所以比较复杂。为简化分析，又符合事实，做以下几个假设：

（1）在电离层中，正离子的质量远大于电子的质量，所以在小信号高频外场作用下，可近似地认为正离子不运动，而只考虑电子的运动

（2）认为等离子体的密度很小，即单位体积中的电子数N较少，不发生电子彼此间和电子和中性粒子之间的碰撞。

（3）认为电离子体是“冷”气体，即没有热骚动，在一个较为长期的时段里由于温度是缓慢变化的，所以我们可以把高空电离层看作是没有热骚动的。

（4）认为等离子体的介电常数为ω0 ，磁导率为μ0 ，与真空中一样。

朗缪尔震荡频率 频率为ω的电磁炮在等离子体中的传

播速度为 ，n为等离子体的电子密度，me 和e分别为电子

的质量和所带电量，ε0 为真空中的介电常数.C为真空中的光速。

由上式可知，ωp≥ω 时，v为虚数，物理学的解释为电磁波在等离子体中不能传播，只能将电磁波反射出去，对雷达探测波产生干扰，捕捉到虚假的目标位置。当ωp<ω时，v为实数。电磁波虽然能在等离子体中传播，但是其能量大部分被等离子体吸收，使雷达接收不到反射波的能量。俄罗斯的米格1. 44战机采用等离子体隐身技术，使飞机的雷达反射截面在4MHz ～ 14MHz范围内减少到原来的1%。

物理模型如图所示。非均匀等离子体被分成n层。入射区域（0）和出射区域（P）可以是不同的媒质，这里取为自由空间。X方向极化的平面电磁波垂直入射到等离子体中。

（1）先讨论电磁波沿+z轴的方向传播的情况：根据波动方程的分量形式方程

假设1：若为直线极化波， ，展开上式可得，

，要使上面的方程组成立，则必有Ex=0（因为

）此结果表明，当电磁波沿+z轴传播的时候，等离子体内不可能存在直线极化波的解，即该假设是不成立的。假设2若再为右旋圆极化波，即 ，代入波动方程，可写成以下分量形式：

可求得： ，要想使kz有意义，必须满足 ，

电磁波才可以在磁化等离子体中无衰减的传播，如果不满足这个条件，电磁波只能在x、y平面内振荡或是沿z轴不断衰减。同样，对于左旋圆极化波，求得：

，可以看出必

须满足： ，電磁波才能在磁化等离子体中无衰减的传

播，如果不满足这个条件，电磁波只能在x、y平面内振荡或z轴不断衰减。

3 数值仿真

以上采用散射矩阵的方法分析了不同等离子体密度、不同碰撞频率对电磁波的反射、吸收和透射功率的影响，从而求出不同等离子体参数对电磁波的影响。等离子体对电磁波的损耗电磁波频率、等离子体频率以及等离子体碰撞频率共同决定。图为等离子体密度为n=10×1011cm-3时，吸收功率与碰撞频率的关系曲线。

分析这两张曲图，不难看出等离子体对电磁波有明显的吸收和衰减作用。在低频段，吸收功率随与电子碰撞频率呈正相关，在高频段，两个又呈负相关关系。

4 小结：

通过上述分析，可以得到下述结论：等离子体隐身技术的优点 ：①隐身效率高。等离子体可以达到99%的吸收或折射效果，这样的效率远远超过现有吸波材料，接近完全吸收，②吸收范围广。等离子体具有很宽的吸收波段，基本可以对所有波段的需达波进行吸收和干扰。③不改变装备外观设计。特别是应用在飞行器上，由于不改变飞行器的外观设计，对飞行器的战技术性能影响较小，有效降低飞行器的可探测性，可以广泛用于各类作战飞机、导弹弹头和卫星的隐身。

参考文献：

[1]李香，陈淑清，李伟，潘春样.雷达隐身技术研究[J]新材料和先进制造科学技术.

[2]袁忠才，时家明，汪家春. 大气中固体燃烧等离子体与微波相互作用的实验研究[J]. 强激光与粒子束，2005，05：707-710.

[3]马平，秦龙，石安华， 等. 激波管等离子体中太赫兹波传输特性仿真与实验研究[J]. 红外与毫米波学报，2014，04：420-425.