等离子体隐身技术研究综述

李洪友

摘要：隐身技术是目前国防科技的重点研究对象，各种探测技术的发展对作战武器装备的生存能力构成严重威胁。等离子体隐身技术作为一种新概念、新原理隐身技术，由于具有很大的军用潜在应用价值而受到广泛关注。本文通过大量梳理相关文献，总结等离子体隐身原理、国内外研究进展，介绍了目前等离子体实际应用方向以及优缺点，并对等离子体隐身技术未来应用前景做出展望。

关键词：等离子体，隐身，武器装备

1引言

信息化作战是海、陆、空、天一体化作战背景下由多种武器装备和探测手段构成的协同作战。随着侦察探测技术的不断发展，作战空间内的各种武器装备都具备了全时域、全空间的侦察能力。另外随着精确制导武器和进攻武器的发展，军事目标面临“发现即被摧毁”的情况。雷达探测是目前最广泛使用的探测方式，适用于空中、海上、地面的多种目标探测。除此之外雷达波具有一定的穿透能力，对地下目标也具有很好的识别能力。为了减小军事目标被敌方雷达探测到的概率，需要积极发展目标隐身防护技术。目前采用隐身技术的作战平台，如F117战斗轰炸机、B2轰炸机、F22战斗机等广泛采用的是外形隐身技术和吸波材料。但随着探测波段频带范围的增加、探测精度的提高，已有的隐身技术已经难以满足需要。

等离子体隐身技术是利用等离子体来回避雷达探测的一种不同于外形隐身、吸波材料等传统隐身技术的非常规隐身技术，可以在无须改变外形或材料的前提下大大降低目标的雷达散射截面（Radar Cross Section，RCS）。等离子体隐身主要利用喷射等离子体气流，致使作战平台周围环绕等离子云，同时利用等离子体与雷达波的相互作用来吸收雷达波、衰减反射信号，进而实现隐身[1]。与目前的隐身技术相比，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。

本文详细介绍了等离子体隐身的原理与实现过程，通过大量文献查询目前国内外的研究现状，总结等离子体隐身的特点与实际应用，为未来等离子体隐身技术的发展提供参考。

2等离子体隐身的基本原理

等离子体是由大量带电粒子组成的非束缚态宏观体系。当不带电的普通气体粒子受到外界高能激励作用，部分原子中的电子脱离原子核束缚成为自由电子，这样原来中性气体就因电离而转变成由大量自由电子、正电离子和部分中性原子组成的宏观仍呈电中性的电离气体。等离子体被认为是继固态、液态和气态3种形态之外的第4态物质[2-3]。

雷达探测技术在现代信息化作战中占有重要地位，可以通过控制等离子体参数（如等离子体频率、碰撞频率）来实现规避不同电磁波频段探测的要求。其中等离子体频率起着重要的作用。等离子体频率指等离子体电子的集体振荡频率，频率的大小代表等离子体对电中性破坏反应的快慢。其表达式为

等离子体隐身技术的原理就是利用电磁波与等离子体互相作用的特性，等离子体对电磁波有两个隐身作用：一是吸收隐身，即人射电磁波在等离子体层中传播时，电离层中的自由电子在电磁波的作用下发生振动发热，吸收电磁波的能量，使电磁波的振度衰减;二是折射隐身，通过非均匀等离子体对入射电磁波的折射作用使电磁波传播轨迹发生弯曲，使目标雷达回波信号减小，继而达到隐身的目的。只要在兵器表面形成一层等离子体，满足要求的特征参数（厚度、电离度、振荡频率、碰撞频率），就能使照射到等离子体层下的雷达波一部分被吸收，一部分改变方向，达到隐身目的[5-6]。

3等离子体隐身技术发展现状

自20世纪50年代以来，以俄罗斯和美国为首的国家致力于军事隐身技术的发展，等离子隐身技术作为一种新的隐身技术已引起了广泛的关注。早于1999年，俄罗斯克尔德什研究中心宣称，他们已研制出完全不同于美国“常规”隐身技术的新机制飞行器隐身系统，开发出了等离子体装置。第一代装置是比较简单的等离子体发生片，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，加入了易电离的中性气体即可产生等离子体，除具备发生片的功能外，还能向敌人发出假信号。目前，这两代等离子体隐身技术产品已进行了成功试验。正在研究的第三代等离子体隐身系统，可利用飞行器周围的静电能量来减小飞行器的雷达反射截面积。2010年7月，俄罗斯对外宣布其第五代战机T50采用了等离子体隐身技术，具有良好的隐身性能[7-11]。

美国对等离子体隐身技术进行了大量的研究，取得了一些突破性进展。20世纪90年代初，美国休斯实验室进行了为期2年的研究计划。第一阶段是测量电磁波在充满等离子体的矩形波导管中传播的透射和反射，取得了重要突破。第二阶段，研制和验证了等离子体隐身模型组件，所测量的充满等离子体的外壳反射微波信号的衰减为37dB，在4到14GHz频段范围内的RCS减小量为20～25dB。据美国《航空周刊与航天技术》2006年3月报道，美国研制的AGM-158A型导弹也采用了等离子体隐身技术。2004年美国STAVATTI公司在出口型战斗机F-26机身和机翼内放置等离子体包，利用等离子体发生装置在机身蒙皮和机翼蒙皮内产生低压等离子体和探测雷达波相互作用，达到隐身效果。

国内对等离子体隐身技术的研究起步较晚。起初主要对等离子和电磁波的相互作用理论和数值模拟进行探索和研究，研究等离子体的物理性质，并提出一些具有实际应用价值的方法与模型。2002年开始我国将等离子隐身技术研究列为国家自然科学基金重点项目之一。目前，国内主要进行等离子体隐身的原理验证和数值模拟并未真正进入实践阶段。2000年以后，等离子体隐身技术的研究受到了国内的关注。许多相关项目已获得各种国家科研基金的资助，在理论、数值模拟和实验研究上都取得了重大突破，但与实际应用还是存在很大距离。

4等离子体隐身的实际应用

1、等离子体技术在隐身雷达天线方面的应用

等离子隐形雷达天线采取的是低压放电方法，可以产生具有均匀电子密度分布的平面等离子体，根据等离子反射电磁波的特性进行天线设计。当入射在等离子体平面上的电磁波频率小于等离子体频率时，入射波不能透过等离子体层，然后入射的电磁波就会像入射在平面镜上的可见光一样在等离子体表面形成全反射。此种雷达的特点是可以在一种密度的平面等離子上传输宽频带或多频带电磁波，等离子体镜面的形成时间与关闭时间短，一般为10 ，等离子体平面的方位角和仰角可以控制，可形成空间任意方向的等离子体镜面。因此，等离子体镜像雷达可以迅速跟踪和定位空中多个高速运动的目标;此外，等离子体镜像雷达优越性还表现在它可以对雷达传输频率、电子战中靶标的照射和低雷达散射截面目标的检测进行优化，通常的雷达系统是难以做到的。

2、等离子体隐身在飞行器的应用

飞行器的等离子体隐身技术是目前等离子体隐身应用研究最热门的方面，世界各军事大国均为此投入了大量的人力物力，并已经取得了一定的成果，甚至开始转入实用化阶段[4]。

飞行器的等离子体隐身主要是针对其前向的RCS值，即减弱机头方向的雷达、座舱和进气道三大强散射部位的散射，同时应考虑其正下方、后方和侧面散射。因为外挂武器会极大地增加飞行器的RCS，飞行器后方的尾喷口也是强散射元。因此在进行飞行器隐身设计时，可以考虑将等离子体覆盖在這些强散射部位，即在机头、进气口、机翼、平尾以及垂尾、侧向的机翼与机身、垂尾与后机身、后机身与平尾构成的角反射器等处形成等离子体。飞行器隐身用等离子体可以根据位置的不同采用多种方法来实现。考虑到通信、导航以及敌方识别信号的传送，在机头方向应采用能适时产生等离子体的方法;在进气口和尾喷管附近，可以采用涂敷放射性同位素的方法。

5等离子体隐身技术主要特点

利用等离子体实现目标隐身是一个非常有效的手段。等离子体在隐身领域中主要是应用它的吸收隐身和折射隐身，由于产生等离子体的密度多是不均匀的，所以吸收隐身占据主要地位;与常规的外形隐身、吸波材料隐身相比，等离子体隐身具有以下几点优势[14-16]：

（1）可以实现外形隐身和吸波材料的隐身效果。

（2）具有吸波频带宽、效率高、使用简便、价格便宜等优点。

（3）可以调节等离子体频率和碰撞频率来改变工作频带范围。

（4）无需改变武器平台的气动外形设计，不影响武器的工作性能。

（5）由于没有吸波材料涂层，维护费用较低。

（6）对作战平台的外形没有特殊的要求，可以把没有隐身性能的武器平台改装成隐身武器。

尽管等离子体隐身有诸多优点，可是在应用的过程中仍然存在着许多需要解决的问题：

（1）产生等离子体并维持一定的电子密度和范围需要消耗一定的能源。

（2）产生等离子体需要分子或者原子作为电离对象，这给在真空中飞行的卫星和稀薄大气层中的战略导弹利用等离子体隐身造成了困难。

（3）用电弧放电的方法产生等离子体的同时，会产生射频辐射、强烈的闪光和紫外线。这些信号泄露不仅不利于隐身效果，还可能对人员产生损伤。

（4）作战武器周围的等离子体在吸收对方雷达波的同时，对其本身的通信、导航、雷达和敌我识别信号的传输都能造成衰减，甚至中断。

（5）产生的等离子体参数存在一定误差，难以完全满足要求。

6结语

对等离子体的研究仅仅有几十年，把它用作军事用途研究的时间更短，但等离子体却发挥着越来越广泛、越来越重要的作用。等离子体隐身技术作为新概念隐身方法和防御系统，目前在理论和试验上已经获得成功，如果在实际工程上研制成功，将对未来战争产生革命性的影响。

由于等离子体的特点，它可以在不影响作战武器本身外形和材料的基础上实现隐身效果，除此之外还可以通过调节等离子体的物理参数改变工作频带范围，而且价格相当便宜，能够广泛用于各类作战飞机、导弹弹头和卫星的隐身。随着等离子体隐身技术的发展，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，对未来的高技术战争、导弹突防技术和导弹、飞机等武器系统的发展和作战模式产生巨大而深远的影响。

参考文献

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