等离子体隐身——理想还是现实

1、等离子体隐身理想还是现实 当任何不带电的普通气体在受到外界的高能激励作用(如对气体施加高能粒子轰击、激光照射、气体放电、热致电离等方法)后，部分原子中的电子脱离原子核束缚成为自由电子，原子因失去电子而成为带正电的离子，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，这类气体称为等离子体。等离子体被认为是继固态、液态和气态三种形态之外的第四态物质即等离子态，其运动主要受电磁力的支配。尽管等离子体在整体上呈电中性，却具有了很好的导电性，普通气体中如有0.1的气体被电离，这种气体就具有很好的等离子体特性，如果电离气体增加到1，这样的等离子体便成为

2、导电率很大的理想导电体。 等离子体按其热容量大小，可分为高温等离子体、热等离子体和低温等离子体。 (1)高温等离子体 高温等离子体是完全电离的核聚变等离子体，温度高达108K数量级，由核聚变反应产生。 (2)热等离子体 热等离子体为部分电离、温度约为104K数量级的等离子体，可以由稳态电源、射频、微波放电在1000Pa以上产生。热等离子体又分热平衡与非热平衡型，热平衡等离子体中的电子在电场中获得的能量充分传递给重粒子，电子温度与重粒子温度相等；非热平衡等离子体中的电子在电场中获得的能量不能充分传递给重粒子，电子温度高于重粒子温度。 (3)冷等离子体 冷等离子体是电子温度很高、重粒子温度很低、总

3、体温度接近室温的非平衡等离子体，可以由稳态电源、射频、微波放电在1000Pa以下产生。这种等离子体是常用机载隐身等离子体。 运用等离子体隐身的方法现在主要有两种：一种是利用等离子体发生器产生等离子体，即在低温下，通过高频和高压提供的高能量产生间隙放电，以便将气体介质激活电离形成所需厚度的等离子体以达到吸波和隐身的目的；另一种是在飞行器的特定部位如强雷达散射区，涂一层放射性同位素，它的辐射剂量应确保它的射线在电离空气时所产生的等离子体云具有足够的电离密度和厚度，以确保对雷达电磁波具有足够的吸收和散射能力。1等离子体隐身的机理和特点 等离子体隐身技术的原理是利用电磁波与等离子体互相作用的特性来实现

4、的，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，它是等离子体的重要特征。若等离子体频率小于入射电磁波频率，则电磁波不会进入等离子体，此时，等离子体反射电磁波，外来电磁波仅进入均匀等离子体约2mm，其能量的86就被反射掉了。但是当等离子体频率大于入射电磁波频率时，电磁波不会被等离子体截止，能够进入等离子体并在其中传播，在传播过程中，一部分能量传给等离子体中的带电粒子，被带电粒子吸收，而自身能量逐渐衰减。 等离子体之内电子密度越大，振荡频率越高，和离子、中性粒子碰撞的频率就高，对雷达波的吸收就越大。同时雷达波在等离子体中传

5、播时，由于在等离子体中有大量的中性分子或原子，所以还存在着介电损耗。等离子体介质在雷达波交变电场的作用下产生极化现象，在极化过程中，电荷来回反复越过势垒电场的能量，表现为电导损耗，松弛极化损耗和谐振损耗等。另外，由等离子体发生器喷射到飞机外围空间的等离子体是非均衡等离子体，处于非热动力平衡状态。经过一定时间离子间的碰撞才达到趋向密度均匀和温度均匀的热力学平衡状态 等离子体隐身具有如下独特的优点： （1）吸波频带宽、吸收率高、隐身效果好，使用简便、使用时间长、价格极其便宜； （2）由于等离子体是宏观呈电中性的优良导体，极易用电磁的办法加以控制，只要控制得当，还可以扰乱敌方雷达波的编码，使敌方雷达

6、系统测出错误的飞行器位置和速度数据以实现隐身； （3）无需改变飞机等装备气动外形设计，由于没有吸波材料和涂层，维护费用大大降低； （4）俄罗斯的实验证明，利用等离子体隐身技术不但不会影响飞行器的飞行性能，还可以减少30以上的飞行阻力。 虽然等离子体隐身具有很大优越性，但也存在以下难点。 （1）等离子体对雷达波的吸收能力在不同条件下相差非常大，与多方面的因素有关，如等离子体的密度、碰撞频率、厚度等，入射电磁波频率、电磁波入射角和极化方向等，如何在应用中实现最佳参数并随外界条件进行调节，有一定难度； （2）飞行速度对等离子体的影响； （3）等离子体是一项十分复杂的系统工程，涉及到大气等离子体技术、

7、电磁理论与工程、空气动力学、机械与电气工程等学科等，具有很强的学科交叉性。2产生等离子体的方法及其特点 产生等离子体主要有热致电离、气体放电、放射性同位素、激光照射、高功率微波激励等方法。而目前在机载条件下常用的方法主要是气体放电法和涂抹放射性同位素两种方法（二者均产生非均衡冷等离子体），其中常用的气体放电法分为以下几种： （1）大气压下的介质阻挡放电和辉光放电 大气压下利用介质阻挡放电和辉光放电来产生等离子体，无需真空装置，因此系统结构简单，已在许多技术领域广泛应用。利用介质阻挡放电产生等离子体，可以在局部获得1014cm3左右的电子密度,但是由于介质阻挡放电实际上是丝状流光放电，在两电极间

8、放电丝是随机分布的，这样等离子体是极不稳定的；同时，在两电极间加的是高交变电压，在一个周期内的一个放电电流脉冲只维持几微秒的时间，其占空比很小，在电流脉冲过后，等离子体扩散很快，以致于在大部分时间内，雷达波并未被等离子体所吸收。所以，利用介质阻挡放电来产生用于隐身的等离子体受到极大的限制。国内测试了在梳状电极间施加交流高压所产生的介质阻挡放电等离子体对微波的衰减情况，采用不锈钢电极，并用薄玻璃管套封，电极间距离为1.5cm，当电压在35kV，10010kHz范围内变化时，利用网络分析仪在218GHz内扫描，几乎无法测出等离子体对微波的衰减。在一定条件下，流光放电可以转化，得到大气压辉光放电。近

9、年来，国内外均对此等离子体的特性进行了大量研究。研究表明，虽然该等离子体均匀性较差、厚度较薄口，但当放电电压和频率适当时，所产生的等离子体对微波具有一定的衰减作用。由于大气辉光等离子体可通过覆盖在目标上的梳状平行电极来产生，入射微波可直接进入等离子体并与之发生作用，如果能改善其均匀性，提高其厚度，并能从理论上找到最佳电压和频率，将有助于加速其在隐身上的应用。 （2）电晕放电： 有时也称为单极放电，是指发生在电击穿之前的电气上受压状态的气体中的尖端、边缘和丝附近的高电场区的一种汤森暗放电现象。电晕根据所加电压的不同可分为直流电晕和脉冲电晕。对于直流电晕，由于气体直流耐压的限制，电晕电流相当小，因

10、而等离子体密度低，很难达到隐形的要求。当采用脉冲电晕时，可以大大提高放电电流，因而等离子体密度可以大幅度提高。当针电极布置得足够密，范围足够大时，可以形成等离子体“帘”。但是，利用脉冲放电，除非脉冲重复频率足够高，否则会出现与利用介质阻挡放电时一样的占空比问题。 （3）直流辉光放电： 直流辉光放电是一种研究得比较透彻、理论比较完善的技术，是指采用直流或脉冲直流高压，使气体发生正常或异常辉光放电，但通常利用其正常辉光区。需要指出的是，放电多是在封闭腔中产生的，必须有真空容器和抽真空的相应装置，真空腔应采用透微波的材料，如玻璃。利用直流辉光放电装置产生等离子体，其电子密度、温度等参数基本能满足要求

11、，但是在通常的应用场合下，这些装置产生的等离子体体积均较小，如经典直流放电管的直径通常只有12cm 左右，两电极间距离也只有几厘米，远远不能满足隐身要求。根据气体放电的相似性原理，如果增大电极的面积和间距，而放电电压不变，则会相应地降低等离子体的密度；同时，由于放电是在低压(通常 100Pa)下发生的，其等离子体碰撞频率约为108Hz量级，远小于雷达波频率，因而碰撞衰减较小。如果在经典的辉光放电装置中引入外加磁场(通常采用磁镜结构)，形成气体的潘宁放电，则一方面可以在增大其体积的同时增大电子密度和碰撞频率，同时还引入了电子和离子对微波的回旋共振吸收，从而有利于增大等离子体对电磁波的吸收。但是，

12、与高气压下等离子体的宽波段碰撞吸收不同，该吸收的带宽较窄，并受碰撞频率的影响 （4）强电离气体放电： 近年来，国内有人提出将高气压强电离气体放电方式产生的非平衡等离子体用于隐身，并展开了相应的研究，认为利用强电离气体放电方法产生非平衡等离子体的实用型等离子体发生器，可望解决当前等离子体隐身技术普遍存在的一些主要问题。但这一研究还处于初步阶段，理论模型尚需要完善，工程实验也需要进一步深入下去。 在兵器特定部位(如强散射区)涂一层放射性核素是另一种产生等离子体的常用方法，其涂层辐射剂量应确保它的射线电离空气所产生的等离子体包层具有足够的电子密度和厚度，以确保对雷达波有最强的吸收。与气体放电法相比，

13、涂抹放射性同位素这种方法比较昂贵，而且维护困难。 另外，热致电离法也可产生热等离子体，这是产生等离子体的一种最简单的方法。任何物质加热到足够的温度后都能产生电离，当粒子所具有的动能，在粒子间的碰撞中足以引起相碰粒子中的一个粒子产生电离时，才能得到等离子体。如将铯放至密闭的容器中加热而得到等离子体。实验表明，只有在碱金属存在的条件下，热致电离才能产生一定密度的等离子体，如用于磁流体发电的低温等离子体。而微波产生的冷等离子体比直流或射频等离子体有更高的电子温度，用微波产生等离子体的过程是气体击穿，击穿的条件是微波电场的均方根值大于击穿电场强度。当外磁场存在时，如果微波频率在电子回旋频率附近，击穿空

14、气所需的电场强度大大降低，这可以降低机载条件下高功率微波等离子体的产生条件。3国内外等离子体隐身的研究与进展 从20世纪60年代开始，美国和前苏联等军事强国就着手研究等离子体吸收电磁波的性能。前苏联最早开始进行等离子体实验的重点是等离子体在高空超声速飞机上的潜在应用；90年代初，美国休斯顿实验室进行的一项为期两年、投资65万美元的实验表明，应用等离子体技术可使一个13cm 长的微波反射器的雷达截面在414GHz频率范围内平均降低20dB，即雷达获取回波的信号强度减少到原来的1；1997年，美海军委托田纳西大学等机构发展等离子体隐身天线，其机理是：将等离子体放电管作为天线元件，当放电管通电时就成

15、为导体，能发射和接收无线电信号，当断电时便成为绝缘体，基本不反射雷达发出的探测信号，初步的演示已显示了这种天线的发射接收功能和隐身特性。美国在其1997年国防部基础研究计划中也提到，“中性等离子体效应可以为军用飞机和卫星提供隐身条件”，可见美国对等离子体技术给予了足够的重视。 近年来，等离子体隐身技术在俄罗斯取得了较多进展，其研究成果领先于美国。据报道，俄罗斯克尔德什研究中心已经开发出第一代和第二代等离子体发生器，通过在地面模拟设备、自然条件下以及飞机上进行实验充分证明了这种隐身技术的实用性。第一代产品是等离子体发生片，其厚度为0.50.7mm，电压几千伏，工作电流仅为零点几毫安。将这种等离子

16、体发生片贴在飞行器的电磁波强散射部位，即可电离空气产生等离子体。第二代产品是等离子体发生器。在等离子发生器中加入易电离的气体（还需携带专用气体），即可产生等离子体（但产生的等离子体厚度仍嫌过小），第二代产品重量不到100kg，耗电不超过几十千瓦（对飞机所能承担的有效载荷与供电功率而言仍嫌过大）。经飞行试验，它除了具备第一代等离子体隐身系统的功能外，还能改变反射信号的频率，通过向敌人发出假信号，使敌人判断错误来实现隐身。据报道，这种技术不涉及飞机本身的空气动力系统，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一定频率的雷达发现的概率可降低90以上。第一代和第二代等离子体隐身技术产品都已进

17、行了成功实验。本世纪初，俄罗斯公开的可与美国F22相抗衡的第五代战斗机米格1.42据说就是试验了这项先进技术。目前，克尔德什研究中心正在研制更有效的第三代产品。据推测，第三代产品可能是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。俄罗斯的最新试验表明，应用第三代等离子体隐身技术，在414GHz频率范围内可以使米格飞机的RCS值减少到原来的1。 除美、俄外，法国的研究人员正在研制一种新的有源隐身系统，据报道可能会采用等离子体屏蔽技术。对等离子的某些研究成果很可能用于作战飞机特别明显部位的屏蔽，如空气进口，排气口或机头。澳大利亚国立大学也已研制出了等离子体隐身天线。 鉴于隐身技术在军事上的重

18、要作用，中国在等离子体隐身方面的研究也进行了约10年时间。有不少科研机构和大专院校的有关院系都在进行等离子技术及其应用的研究，在对等离子雷达隐身方面已经取得了原理验证上和工程试验的成功，并有很多独到的创新，预计再经过大约l0年左右的时间，我国飞行器即有望实现全面等离子隐身。4目前等离子体隐身研究存在的局限性 等离子体隐身也有它本身的不足之处，如等离子体发生器有较大的重量和体积，产生等离子体的功耗比较大等；飞机上安装等离子体发生器的部位本身无法雷达隐身和等离子体发光暴露目标的问题；等离子体的高温损坏机体材料以及等离子体对机体材料的腐蚀问题；采用放射性同位素的问题是同位素的剂量难以控制等。实现等离

19、子隐身的关键在于如何对等离子体包层的电子密度进行控制。另一方面，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20GHz以内，还没有看到等离子体隐身技术适用毫米波波段的报道。 等离子体发生器一般采用气体放电法产生非平衡冷等离子体，这类发生器很大的重量、体积和功耗构成了阻碍等离子体隐身技术实用化的主要问题。因等离子体隐身需要的电子密度和振荡频率较高，并需要大面积使用，所以，若要求覆盖Ku波段以前的所有雷达电磁波，所需要的等离子体电子数密度为4.021012cm3的量级，相应的电子与中性粒子的碰撞频率为50200GHz这比当前工业上使用发生器能力高出12个量级。而又因为等离子体发生器发出的等

20、离子体要喷射到机体外部空间使用以形成变密度的等离子体云，导致与密封空间情况完全不同，等离子体复合速率大大增加。按飞机所需空间计算，等离子体云最小体积为2530m3，使用压力01个大气压，这是现有等离子体发生器难以达到的量级要达到这个量级，等离子发生器重量和体积都会有几个数量级级别的增长，这是内部空间有限并且有效载荷有限的飞行器所不可接受的。而且，在实验室条件下，虽可利用目前的常规放电方法来产生这样电子密度量级的等离子体，但不足在飞机外围这么大的空间中使用。而要产生在飞机外围空间使用的体积为30m3的等离子体云，即使电离最易电离的氦气，所需功率也高达95000千瓦，这对机载电源来说，是很难达到的

21、。何况，飞机上还不希望携带惰性气体。而若直接电离飞机周围的空气，因空气更难电离，所需功率比上述值还要大一个数量级。 高温问题也是等离子体在航空隐身工程应用中遇到的重要问题之一。因为高温不仅毁坏机体，也会引起额外辐射。我们感兴趣的是冷等离子体，而实际在非均衡等离子体中电子温度还高于10000摄氏度。过去，人们将等离子体的这一能量集聚起来做成电子枪，用于等离子体切割、焊接、表面处理等工业部门之中。可以断言，航空隐身工程可应用的就是非均衡的冷等离子体。产生这种等离子体的可能是一种低气压气体放电装置：当气压为13.3133Pa时，电子温度高达10000，而等离子体温度只有300，不会烧坏机体。另外，若

22、无法控制等离子体中的离子密度，会造成飞机表面材料的溅射腐蚀和表面发泡，形成三维缺陷(如针孔、气泡等缺陷)，导致材料强度、硬度和飞机气动性能的下降。 涂抹放射性同位素虽然可以实现飞机某些强散射部位（如进气道内腔等处）的隐身，但是其剂量难以控制，其生产、使用和维护的代价极为高昂，后勤维护也非常困难，其放射性还会给周围人员带来伤害。而更重要的问题是，放射性同位素产生的等离子体层较薄，产生速率较低，造成电子密度不够高，无法满足飞机对宽频段、大面积以及全方位的隐身需求。 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

23、报道，等离子体隐身技术距离完全实用化还有一段距离。也就是说，等离子体隐身在现实中还不是实用技术，还只是我们的理想。5等离子体隐身研究的新思路 近年来，国内有关研究单位提出了将高气压强电离气体放电方式产生的非平衡冷等离子体用于隐身，并展开了相应的研究，认为利用强电离气体放电方法产生非平衡冷等离子体的实用型等离子体发生器，可望解决当前等离子体隐身技术普遍存在的一些主要问题。 2005年，我国大连海事大学环境工程研究所下属的高气压强电离放电辽宁省重点实验室在高气压强电场电离放电理论及方法的研究取得了突破性进展，强电离放电间隙中大多数电子具有的能量足以把氮、氧等作为空气成分的气体分子电离成高浓度等离子

24、体，其等离子体浓度也可能达到1015 cm3左右（而用于隐身技术的临界电子浓度在1012cm3这个量级），远高于弱电离放电7个数量级。这就有可能使现有的弱电离放电非平衡冷等离子体源及其反应器的体积、质量、能耗等主要参数也相应减少5个数量级左右，为其在军事装备和工业上应用铺平了道路。再加上强电离放电的电子平均能量达到气体分子的平均电离能，这就能解决过去科学技术无法解决的军事和经济上的一些重大的技术疑难问题。它在未来的军事、经济上的应用意义是难以估量的。 大连海事大学环境工程研究所下属的高气压强电离放电辽宁省重点实验室还在2005年进行了外加非均匀强电场、空间电荷形成的本征电场对离子(正、负离子)的作用力及其定向运动(漂移)规律的研究。基本上掌握了高浓度离子(1014 cm3)在雪崩头空间积累电荷的物理演变过程及其物理量概算方法，并着重研究本征电场对气体电离过程以及对离子的运动速度影响规律。这就为研制强电离放电非平衡冷等离子体源提供了理论基础。另外，他们采用通过气体把外加力作用到强电场中的离子上，当外加作用力大于电场束缚力