強(qiáng)勇游俊

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

等離子體隱身技術(shù)研究始于二十世紀(jì)五六十年代，等離子體隱身技術(shù)首先應(yīng)用于航空飛行器，是與F-117和F-22等美國隱身戰(zhàn)機(jī)靠外形設(shè)計(jì)和涂料隱身所不同的一種新的隱身方法，無需改變飛機(jī)外形和氣動(dòng)性能，開辟了一條飛行器實(shí)現(xiàn)隱身的新途徑［1］。等離子體隱身技術(shù)有以下幾個(gè)特點(diǎn):一是等離子體能夠吸收寬頻帶的雷達(dá)波，吸收率高;二是無需改變飛機(jī)等裝備的氣動(dòng)外形和氣動(dòng)性能，同時(shí)還可大大降低飛行阻力;三是在隱身的同時(shí)，具有抗強(qiáng)電磁脈沖輻射的功能。

俄羅斯是研究等離子隱身方面代表性國家，已經(jīng)歷了三代產(chǎn)品，1999年，第二代等離子體隱身產(chǎn)品已經(jīng)用于“米格”戰(zhàn)機(jī)并進(jìn)行過飛行和地面試驗(yàn)，俄羅斯最近將第三代等離子體隱身技術(shù)用于新一代戰(zhàn)機(jī)T-50上。該技術(shù)是在不改變飛機(jī)氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)的前提下，將飛機(jī)周圍的空氣變成等離子云，借此來達(dá)到吸收和散射雷達(dá)波的效果。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著越來越多的國家對于這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)注，等離子體技術(shù)在軍事領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，正在逐漸從實(shí)驗(yàn)室走向武器裝備工程化應(yīng)用，并且從航空領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸走向航海艦船的隱身以及地面武器裝備的隱身。

等離子體隱身技術(shù)研究分為兩個(gè)階段，一是在物體表面形成自由態(tài)等離子體的隱身技術(shù)，一是內(nèi)封閉等離子體隱身技術(shù)，內(nèi)封閉等離子體隱身技術(shù)是低壓常溫等離子體產(chǎn)生技術(shù)突破后近年來出現(xiàn)的新技術(shù)，即將等離子體置于裝備表層內(nèi)部密封空間內(nèi)，腔體結(jié)構(gòu)可根據(jù)武器裝備外形設(shè)計(jì)［2，3］。內(nèi)封閉等離子體隱身技術(shù)的突破，使等離子體隱身技術(shù)用于陸軍裝備成為可能，下面對等離子體隱身技術(shù)用于陸軍裝備的可行性及面臨的困難進(jìn)行分析。

1 等離子體隱身原理

等離子體隱身技術(shù)是指利用等離子體與電磁波的相互作用來回避雷達(dá)探測系統(tǒng)的一種技術(shù)。由于等離子體與電磁波的相互作用很復(fù)雜，因此，等離子體隱身由多種因素決定［4～8］。例如，等離子體對入射電磁波的折射，改變電磁波的傳播路徑;等離子體對入射電磁波的碰撞吸收，降低了透射波的能量;在外加磁場的作用下，等離子體中的電子做回旋運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生共振吸收的作用;磁化等離子體表現(xiàn)為各向異性介質(zhì)，能夠改變?nèi)肷洳ǖ臉O化方式;時(shí)變等離子體隱身等。目前，對于折射隱身和吸收隱身的研究較為成熟，如圖1所示。

圖1 等離子體隱身示意圖

1.1 等離子體折射隱身原理

等離子體作為一種色散媒質(zhì)，當(dāng)忽略帶電粒子間的碰撞時(shí)，介電常數(shù)可以表示為

其中，ε0表示真空的介電常數(shù);ωp表示等離子體頻率，由等離子體的自由電子密度 ne決定，ωp=，即自由電子密度越大等離子體頻率越高;ω0表示入射電磁波的角頻率。那么等離子體對電磁波的折射率為

當(dāng)ω0＜ωp時(shí)，電磁波不能在等離子體中傳播，在分界面出現(xiàn)全反射，就無法照射到目標(biāo)，回波也不再具備目標(biāo)特征信息，降低了目標(biāo)被識別的可能;當(dāng)ω0＞ωp時(shí)，電磁波可以在等離子體中無衰減地傳播，但是會(huì)在分界面處出現(xiàn)折射，而且等離子體頻率越高，折射率越小。如果等離子體自由電子密度分布不均勻，并且滿足一定的梯度分布條件，斜入射到等離子體的電磁波就會(huì)發(fā)生多次折射，從而引起電磁波傳播方向的變化，如圖2所示。如果在目標(biāo)表面覆蓋不均勻的等離子體，就可能出現(xiàn)以下情況:一方面部分入射波在等離子體中經(jīng)過多次折射甚至全反射，會(huì)嚴(yán)重偏離原方向，照射不到目標(biāo);另一方面入射波即使能夠照射到目標(biāo)上，但是在折射率變化的分界面處會(huì)出現(xiàn)反射，經(jīng)過多次折射反射，實(shí)際照射到目標(biāo)上的電磁波相對入射波也有一定程度的衰減，從而降低目標(biāo)的后向RCS。

圖2 電磁波在非均勻等離子體中的傳播

為了達(dá)到一定的隱身效果，這種折射隱身要求等離子體層具有相當(dāng)?shù)暮穸龋覍ζ鋮?shù)分布有一定的要求。而且折射隱身只是將入射波折射到其它方向，單純降低后向RCS，同時(shí)必然導(dǎo)致其它方向RCS升高。

1.2 等離子體吸收隱身原理

電磁波入射到等離子體中，通過與電子的相互作用將其能量轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)能，而電子通過與中性粒子的彈性碰撞、與離子及其它電子的庫倫碰撞將其動(dòng)能傳遞給其它粒子，轉(zhuǎn)化為粒子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的能量，于是電磁波的能量就會(huì)被減弱。利用等離子體的碰撞吸收就能達(dá)到隱身的效果。

存在碰撞時(shí)，非磁化等離子體的介電常數(shù)如下:

其中，νc是電子與中性分子的碰撞頻率，一般是電子密度和溫度的函數(shù)。這樣電磁波在有碰撞等離子體中的波數(shù)就是一個(gè)復(fù)數(shù)值，

2 等離子體隱身技術(shù)在未來陸軍裝備的應(yīng)用

2.1 等離子體兵器裝備隱身的應(yīng)用

等離子體隱身最早應(yīng)用于航空飛行器，技術(shù)難度大，成本高，門檻高。后來發(fā)展到航海艦船、導(dǎo)彈和陸軍坦克和裝甲車等，陸軍裝備特點(diǎn):1)平臺速度不高，2)平臺在地面行駛，受地形影響較大，3)平臺較飛行器對體積、重量要求不高，4)要求低成本。特點(diǎn)1、2使得等離子云方式隱身不奏效，一是受環(huán)境影響較大，二是常壓下形成等離子云會(huì)發(fā)光發(fā)熱，在其他譜段會(huì)被暴露。特點(diǎn)3、4，降低了等離子體應(yīng)用的門檻，使得低壓常溫等離子體隱身用于陸軍裝備成為可能。

等離子體兵器裝備隱身是在裝備表面產(chǎn)生等離子體，吸收或折射電磁波以減少雷達(dá)反射截面積(RCS)而達(dá)到不被發(fā)現(xiàn)的目的。目前用于飛行器隱身的等離子體存在方式主要有外放式和封閉式兩種，外放式通過高能激發(fā)周圍空氣，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體，對于外形和結(jié)構(gòu)不做任何改變，但是不易控制而且難以維持穩(wěn)定。封閉式將等離子體封閉在透波材料中，容易控制而且需要能量較少，但是很難完全覆蓋裝備?？紤]地面裝備的特點(diǎn)和工作環(huán)境，主要降低上方以及側(cè)面的RCS，采用封閉式等離子體隱身較適宜。

2.2 等離子體電磁脈沖防護(hù)的應(yīng)用

產(chǎn)生強(qiáng)電磁脈沖的高功率微波武器嚴(yán)重危害電子設(shè)備的安全。雖然對強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)的手段很多［9－10］，但是，具備武器裝備隱身同時(shí)兼顧強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)，等離子體具備突出的優(yōu)勢。

強(qiáng)電磁脈沖一般是指高功率微波(HPM)電磁脈沖和超寬帶(UWB)。高功率微波與等離子體相互作用時(shí)，通過以下兩種方式產(chǎn)生屏蔽作用。當(dāng)強(qiáng)電磁脈沖頻率低于等離子體頻率時(shí)，等離子體能夠反射強(qiáng)電磁脈沖，使能量反射出去;當(dāng)強(qiáng)電磁脈沖頻率高于等離子體頻率時(shí)，等離子體又能吸收高功率微波，使透射進(jìn)入電子設(shè)備的強(qiáng)電磁脈沖功率低于干擾或破壞閾值;當(dāng)高功率微波入射角度變化時(shí)，等離子體可以改變高功率微波的傳播方向，避免電子設(shè)備受到損傷［11］。

目前，超寬帶(UWB)強(qiáng)電磁脈沖產(chǎn)生的頻率一般在1GHz以下，而等離子體產(chǎn)生頻率一般在2GHz以上，等離子體抗強(qiáng)電磁脈沖屏蔽作用主要靠第一種方式產(chǎn)生屏蔽作用即頻率低于等離子體特征頻率的入射電磁波將在等離子體邊界被反射，無法進(jìn)入等離子體內(nèi)部。隨著高功率微波武器的發(fā)展，輻射頻率也在提高，10GHz的UWB高功率微波武器正在研究，高功率微波 HPM武器頻帶范圍在1～300GHz［12］，采用等離子體反射和吸收以上兩種方式對強(qiáng)電磁脈沖進(jìn)行屏蔽。

3 等離子體選擇性隱身關(guān)鍵技術(shù)分析

基于低溫等離子體選擇性隱身有兩層含義，一是時(shí)間的選擇性隱身，主要針對帶有雷達(dá)系統(tǒng)的武器裝備，控制等離子體產(chǎn)生，雷達(dá)不工作或者降額工作，實(shí)現(xiàn)隱身;二是頻率的選擇性隱身，針對外部感知環(huán)境提供的信息，對于威脅照射的窄帶頻率增強(qiáng)隱身效果，對于其他頻率可以暫時(shí)降低要求。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，需要對以下關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行突破。

3.1 等離子體產(chǎn)生維持技術(shù)

無論是折射隱身還是吸收隱身，要達(dá)到一定的隱身效果，都要求等離子體具有一定的厚度和覆蓋范圍及持續(xù)時(shí)間。因此等離子體的產(chǎn)生和維持是一個(gè)關(guān)鍵性問題。

產(chǎn)生等離子體的關(guān)鍵是提供足夠能量使得粒子中的外層電子能夠克服粒子的束縛。提供能量的典型方法有:放射性同位素，電子束，介質(zhì)阻擋放電，燃燒噴流，微波放電，穩(wěn)態(tài)電源，高頻放電等。目前研究最多的隱身等離子體產(chǎn)生方法主要有三種:一是利用高壓氣體放電產(chǎn)生等離子體;二是利用噴流式等離子體發(fā)生器產(chǎn)生等離子體;三是在兵器的特定部位涂敷放射性同位素，利用其衰變過程中釋放的高能射線產(chǎn)生等離子體。選擇合適的電離氣體也是需要考慮的問題，較易電離并能維持足夠的等離子體密度和較長時(shí)間的氣體較為理想。

封閉式等離子體隱身技術(shù)控制簡單，激發(fā)功率小，消耗能量少，不受外部環(huán)境的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)長時(shí)間、大面積、均勻、穩(wěn)定的等離子體;但是，裝配制造是采用封閉式等離子體隱身技術(shù)的最大難點(diǎn)，裝備所有表面鋪設(shè)閉式等離子體材料，必然影響其機(jī)動(dòng)性能。封閉式等離子體用于強(qiáng)散射部位隱身是較為可行的等離子體隱身方式［13］。

封閉式等離子體隱身技術(shù)的兩個(gè)技術(shù)要點(diǎn)是獲取合適的透波材料和等離子體生成方法。前者要求有足夠的透波率和強(qiáng)度;后者可以用等離子體發(fā)生器制造等離子體并保證氣體循環(huán)，也可以對氣體放電形成等離子體。

3.2 等離子體參數(shù)控制技術(shù)

等離子體隱身效果主要取決于等離子體頻率ωp和等離子體的電子碰撞頻率νc兩個(gè)參數(shù)。等離子體頻率ωp由自由電子密度ne決定

其中，e表示電子電量;ε0表示真空介電常數(shù);me表示電子質(zhì)量。

等離子體的電子碰撞頻率νc一般是自由電子密度和溫度的函數(shù)，電子密度越大，電子碰撞頻率越高;電子溫度越高，電子碰撞頻率也越高。此外電子碰撞頻率還可能與電離氣體的粒子有關(guān)。電子碰撞頻率無法測量，但是可以利用一些經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。例如，在低空大氣中冷等離子體的有效電子碰撞頻率可表示為［14］

式中，T為等離子體的溫度，單位為K。

封閉式等離子體隱身技術(shù)通過控制產(chǎn)生等離子體的能量和灌入的等離子體量控制自由電子數(shù)密度以及電子溫度，就能達(dá)到控制等離子體頻率以及電子碰撞頻率的目的。

3.3 等離子體選擇性隱身技術(shù)

由于等離子體對電磁波的吸收能力在不同條件下相差非常大，可以通過控制等離子體的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)等離子體的選擇性隱身。等離子體對電磁波的吸收效果主要取決于等離子體頻率和電子碰撞頻率。

碰撞頻率極大或極小時(shí)，等離子體吸收系數(shù)均很小。由于電磁場的作用，等離子體中的自由電子會(huì)將電磁波的一部分能量轉(zhuǎn)換為自身的動(dòng)能，然后通過與離子、中性粒子之間的碰撞，將部分動(dòng)能傳遞給離子或中性粒子。當(dāng)碰撞很微弱時(shí)，電子平均需要經(jīng)過幾個(gè)電場的振蕩周期才會(huì)受到一次碰撞，于是單位時(shí)間內(nèi)僅有不多的電磁波能量轉(zhuǎn)化為電子的熱能，等離子體對電磁波的吸收率也不高。但隨著碰撞的逐漸增強(qiáng)，不斷有更多的電磁波能量轉(zhuǎn)化為電子熱能，電磁波能量的損失越來越大，但當(dāng)碰撞頻率進(jìn)一步增大到一定程度時(shí)，電子在電場中還來不及被充分加速就受到了碰撞，電子在單位時(shí)間內(nèi)從電場獲得的動(dòng)能減少，吸收率隨碰撞頻率的增大而降低，電磁波的能量還來不及傳遞便以透過等離子體［13］。

參數(shù)的不同，可能導(dǎo)致完全不同的隱身效果。如何選取等離子體頻率和碰撞頻率就是等離子體選擇性隱身技術(shù)的關(guān)鍵。

3.4 腔體優(yōu)化設(shè)計(jì)增加隱身效能

封閉式等離子體隱身技術(shù)需要一個(gè)閉合腔，適合鋪設(shè)在目標(biāo)的重點(diǎn)部位，因此需要對腔體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以適應(yīng)裝備不同部位的特殊隱身要求，達(dá)到最佳的隱身效果。

4 全頻譜選擇性隱身用于未來陸軍裝備的設(shè)想

未來陸軍裝備達(dá)到全頻譜選擇性隱身的要求，往往單靠一種隱身手段難以達(dá)到的，這里針對武器裝備和武器裝備上的雷達(dá)系統(tǒng)，提出采用涂覆型隱身材料和多種隱身手段相結(jié)合的隱身方式。現(xiàn)有的技術(shù)已經(jīng)支持多種隱身手段在雷達(dá)、紅外、可見光等目標(biāo)探測波段形成較好選擇性隱身效果［15～19］。

·地面武器裝備隱身采用多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對于地面武器裝備采用多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最外層采用偽裝涂層以及吸波涂料，實(shí)現(xiàn)光學(xué)隱身和微波，毫米波隱身。中間層采用光子晶體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)紅外和中紅外隱身。光子晶體的概念1987年提出的，它是指介電常數(shù)(或折射率)空間周期性分布而具有光子帶隙的特殊材料［20－21］。光子晶體的基本特征是具有光子帶隙和“光子局域”。解放軍電子工程學(xué)院時(shí)家明團(tuán)隊(duì)利用薄膜光學(xué)理論中的特征矩陣法計(jì)算了設(shè)計(jì)的摻雜ZnSe的CdSe/SiO2光子晶體薄膜的反射、透射和吸收光譜，計(jì)算結(jié)果表明，摻雜光子晶體能夠很好地滿足熱紅外與1.06 μm或10.6 μm激光隱身兼容的要求［22］。內(nèi)層設(shè)計(jì)成與武器裝備共形的密閉腔體結(jié)構(gòu)，可控產(chǎn)生低壓常溫等離子體實(shí)現(xiàn)微波及VHF頻段隱身。

·雷達(dá)隱身采用雷達(dá)天線罩兩層設(shè)計(jì)

雷達(dá)天線罩使用透波材料設(shè)計(jì)成密閉腔體，腔體外采用光子晶體材料的迷彩蒙布，對光學(xué)、紅外、激光等頻段具有隱身效果，腔體內(nèi)層使用等離子體發(fā)射器產(chǎn)生低溫等離子體在微波波段進(jìn)行選擇性隱身，對不同頻率的電磁波具有選擇性吸收和透過作用。在雷達(dá)的工作頻段內(nèi)呈現(xiàn)帶通特性，在其他頻段內(nèi)對照射波具有吸收衰減特性，既能保證雷達(dá)工作，又能保證在其他微波頻段對照射波具有吸收衰減，從而達(dá)到頻率選擇性隱身的效果，同時(shí)，為了保證隱身和雷達(dá)探測最佳效果，雷達(dá)可采用外輻射源發(fā)射，或雙基地發(fā)射，隱身裝備上的雷達(dá)被動(dòng)接收的方式探測目標(biāo)，這樣可以達(dá)到全時(shí)段、全頻譜選擇性隱身的效果。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合中國兵器工業(yè)集團(tuán)公司軍品科技發(fā)展路線圖，討論等離子體選擇性隱身技術(shù)在未來陸軍裝備的應(yīng)用，對等離子體選擇性隱身工程化所需要突破的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，最后，提出了未來陸軍武器裝備多層次多頻譜隱身的設(shè)想，也是我們下一步開展工作的研究的重點(diǎn)。

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