等离子隐形技术.pdf

1 浅谈等离子体物理学的应用——等离子隐形技术摘要 ：等离子体物理学（ plasma physics ）是研究等离子体的形成、性质和运动规律的物理学分支学科等离子体是宇宙中物质存在的主要形式，太阳及其他恒星、脉冲星、许多星际物质、地球电离层、极光、电离气体等都是等离子体等离子隐形技术，即通过在飞行器的某些部位放置一些等离子发生器，飞行过程中释放等离子流，在飞行器周围形成一种等离子电磁屏蔽层，把飞行器“屏蔽”起来，使雷达无法发现目前，已经公开报道的实现等离子隐形的方法有独立式等离子体发生器法和大气压局域放电法法国、英国等欧洲国家都加强了包括该技术在内的多种主动隐形技术的研究力度而实现雷达隐形，最重要的是飞机外形设计，降低RCS值本文通过对等离子体隐形技术的浅谈，为读者提供了一个了解等离子体隐形技术的平台关键字： 等离子体隐形技术飞行器等离子发生器2 引言：何谓等离子体及等离子体隐形？等离子体是继固体、液体、气体之后的第四种特质形态，因而也被称为物质的第四态以水为例：正常条件下，当温度低于0 度时水呈固态，也就是所谓的冰；当温度超过0 度时，水呈液态也就是通常所说的水；当温度超过100 度时水呈气态，也就是水蒸气；再将水蒸气继续加热至几千度水就进入了第四种形态，也就是等离子态。

等离子体根据温度的高低可分为热等离子体和冷等离子体热等离子体温度可达几千、几万、甚至上亿摄氏度冷等离子体的温度则接近于常温；从成因上看等离子体又何分为天然或者人造二种形式 地球环境中的等离子体主要是闪电、陨星再入所致而在地球之外等离子体则大量存在，距地表几百公里的电离层就是一个等离子体层，太阳之类的恒星也是一个大等离子体，据称宇宙中 97%的物质都是以等离子体的形式存在；人类制造的等离子体也是多种多样，核弹爆炸会产生大量高温等离子体而日常生活中的霓红灯、灯棒、等离子电视等也会产生等离子体只是这些等离子体都是低温等离子体，主要是能过电离某些惰性气体而产生；所以，切莫以为等离子体距离我们很遥远，其实它是无处不在，甚至每天都存在于我们的身边；等离子体为什么具有隐形功能呢？这主要是因为等离子体对无线电波具有折射与吸收作用对此可以引述一下相关的材料给3 予说明： “ 等离子体是一种特殊的滤波器，当雷达频率低于等离子体频率时，雷达波被全反射，等离子体能以电磁波反射体的形式对雷达进行电子干扰，即通过雷达波往返传播途径弯曲，雷达显示屏上出现的是攻击武器的虚像，而不是武器的真实位置当雷达频率高于等离子体频率时，雷达波能进入等离子体被吸收，从而使雷达接受到的攻击武器的信号大为减弱。

以上这些功能，使等离子体成为新型电子干扰和隐身物质，其中应用隐身技术是最有发展前景的一项技术 关于等离子体对于无线电波的吸收作用可以从卫星/飞船回收过程中所经历的“ 黑障区 ” 有个直观的认识：当卫星/飞船以极高的速度返回大气层时，其表面的温度会因剧烈的空气摩擦急速上升到几千、上万摄氏度，此时卫星与飞船的表面空气会因为温度升高而变成等离子体并将卫星/飞船严密包裹起来；由于等离子体对无线电有强烈的吸收作用，因此地面跟踪雷达将会因为没有回波信号丢失目标，无线通信也因等离子气团的包裹而无法进行此时卫星 /飞船与地面之间的一切联系将中断，即形成所谓的“ 黑障区 ” 只有等卫星/飞船速度下降、表面空气温度降低，等离子体消失之后雷达才能重新跟踪，通信也才能恢复正常正是基于等离子体这种奇妙的电波吸收与屏蔽作用，军事强国都对等离子体隐形抱有极大的兴趣，试想：如果在己方的飞机、军舰、导弹等主战装备上也都包裹一层等离子体，那敌方的雷达岂不都成了睁眼瞎？4 正文：一、研究内容等离子体物理学的理论研究包括粒子轨道理论，磁流体力学和等离子体动力论3 个方面，前两者是近似方法，后者是严格的统计方法1）粒子轨道理论把等离子体看成由大量独立的带电粒子组成的集体，只讨论单个带电粒子在外加电磁场中的运动，而忽略粒子间的相互作用。

粒子轨道理论适用于稀薄等离子体，对于稠密等离子体也可提供某些描述，但由于没有考虑重要的集体效应，局限性很大粒子轨道理论的基本方法是求解粒子的运动方程在均匀恒定磁场条件下，带电粒子受洛伦兹力作用，沿着以磁力线为轴的螺旋线运动（见带电粒子的回旋运动）如果还有静电力或重力，或磁场非均匀，则带电粒子除了以磁力线为轴的螺旋线运动外，还有垂直于磁力线的运动——漂移漂移是粒子轨道理论的重要内容，如由静电力引起的电漂移、由磁场梯度和磁场曲率引起的梯度漂移和曲率漂移等都是粒子轨道理论的另一个重要内容是浸渐不变量（曾称绝热不变量）当带电粒子在随空间或时间缓慢变化的磁场中运动时，在一级近似理论中，存在着可视为常量的浸渐不变量比较重要的一个浸渐不变量是带电粒子回旋运动的磁矩，等离子体的磁约束以及地磁场约束带电粒子形成的地球辐射带即范艾伦带等，都可以利用磁矩的浸渐不变性来解释5 2）磁流体力学把等离子体当作导电的流体来处理，它是等离子体的宏观理论导电流体除了具有一般流体的重力、压强、粘滞力外，还有电磁力当导电流体在磁场中运动时，流体内部感生的电流要产生附加的磁场，同时电流在磁场中流动导致的机械力又会改变流体的运动。

因此，导电流体的运动比通常的流体复杂得多，磁流体力学的方程组是流体力学方程（包括电磁作用项）和麦克斯韦方程的联立磁流体力学适宜于研究稠密等离子体的宏观性质如平衡、宏观稳定性以及冷等离子体中的波动问题（所谓冷等离子体是指等离子体的温度较低，热压强可以忽略）平衡问题研究磁约束等离子体的压强被磁力平衡的条件以及可能的平衡位形宏观不稳定性对平衡具有严重的破坏作用，它的种类很多，有扭曲不稳定性、交换不稳定性、撕裂模不稳定性等，这些问题的研究对受控热核聚变装置中磁约束的等离子体来说，是十分重要的（见等离子体不稳定性）等离子体中的波是等离子体的基本运动形态，波的研究意义重大，磁流体力学可研究冷等离子体中的波，如寻常波和非常波，回旋波，剪切阿尔文波，哨声等但由于磁流体力学不考虑粒子的速度空间分布函数，无法揭示波和粒子的相互作用以及微观不稳定性等一系列重要性质磁流体力学适用于缓慢变化的等离子体现象，在这种情形，等离子体近似地处于局域的热平衡状态，才可以用宏观参量来描述等离子体的宏观运动6 3）等离子体动力论等离子体动力论是等离子体非平衡态的统计理论，即等离子体的微观理论，这是严格的理论与气体不同，由于等离子体包含大量带电粒子，其间的主要作用是长程的集体库仑作用，因此需要重新建立粒子分布函数随时间的演化方程，它是等离子体动力论的出发点。

已经建立的在不同条件下适用的等离子体动力论方程有弗拉索夫方程，福克尔-普朗克方程，朗道方程等等离子体动力论适宜于研究等离子体中的弛豫过程和输运过程等离子体弛豫过程是从非平衡的速度分布向热平衡的麦克斯韦分布过渡的过程，可用各种弛豫时间来描述输运过程是稳定的非平衡态有物质、动量、能量流动的过程，包括电导、扩散、粘性、热导等，用各种输运系数描述输运过程是受控热核聚变研究的重大课题，尤其是其中出现的不能用碰撞理论解释的反常输运现象等离子体动力论还适宜于研究等离子体中种类繁多的波和微观不稳定性问题只有动力论才能给出在无碰撞情形由于粒子对波的共振吸收所导致的朗道阻尼起源于空间不均匀性或速度空间不均匀性等原因的微观不稳定性是宏观理论无法研究的，只能由动力论给出动力论还可以讨论等离子体中的涨落效应等离子体动力论是严格的理论，由动力论方程可以导出磁流体力学的连续方程、动量方程和能量方程，指明各种不同形式的磁流体力学方程的近似条件和适用范围7 在现有的等离子体理论中，无论磁流体力学方程或动力论方程，都是非线性的偏微分方程，难于严格求解析解为了求得解析解，只能采用经过大大简化的物理模型，其结果往往是许多过程和效应都被掩盖了。

因而借助于计算机的数值计算在等离子体研究中的作用越来越大，已经成为与实验研究和理论研究相配合的重要研究方法等离子体辐射是等离子体物理的一个重要组成部分，等离子体辐射的分析研究是了解等离子体性质和运动特征的基础，对于天体和空间的等离子体来说，辐射几乎是认识它们的唯一途径另外，辐射又是等离子体能量损耗的重要方式，这在受控热核聚变研究中尤其重要二、等离子体的特性1）电磁学特性人们通过研究发现了等离子体对于电磁波的传播有这样的特点：对于某种等离子体，当入射电磁波频率大于某个临界数值的时候，它可以进入等离子体传播，但是在传播过程中其能量将被等离子体吸收而不断衰减；而当入射电磁波频率小于这个数值时，电磁波通常将无法进入等离子层，在其表面即发生全反射，同时等离子体以电磁波反射体的形式对电磁波产生干扰作用，即使电磁波往返途径弯曲这个临界数值的频率就叫作等离子体的截止频率2）优越性8 等离子体的这种独特的电磁学特性为其应用于雷达隐形展示了奇妙的前景：如果能够以等离子体层包覆飞行器，那么，当敌方雷达频率高于截止频率时，雷达波进出等离子体层后能量将严重衰减，使飞行器自身雷达反射信号大大减弱，而当敌方雷达频率低于截止频率时，等离子体层将使雷达波传播途径发生弯曲，这将使雷达接收不到反射波，即使接收到了，雷达得到的也将是飞行器的虚像位置而不是实际位置（也不能得到目标真实的速度和尺寸信息），这时敌方如果依据所接收到的信息指挥进行空中拦截，那么拦截编队到达预定区域后将很可能找不到目标。

这就是飞行器等离子隐形技术的基本原理与传统的外形设计加吸波涂料的飞行器隐形设计方法相比较，等离子隐形的突出优越性在于它几乎不需要飞行器作任何结构和性能上的改变—也就是说，在现代飞行器的设计中可以不再将隐形作为重要的考虑因素，对于战斗机而言，就可以将其隐形、速度和机动3 方面的设计考虑简化为速度和机动此外，等离子体隐形还有吸收频带宽、吸收效果好、使用简便、维护费用低等优点，而且该技术还能用来实现红外隐形三、研究情况1）发展隐形技术一个新的分支—等离子体隐形技术（PST ）开始发展起来从目前已知的资料看，苏联和美国在20 世纪 60 年代就已经开始秘密进行飞行器用等离子体隐形技术机理和使用方法的9 研究 20 世纪 80 年代开始两国先后进入相关技术的试验阶段，通过对雷达散射特性确定的目标采用等离子隐形措施，证实了该技术具有雷达隐形作用从已经公开的信息来看，两国目前的总体研究水平各有特色：俄罗斯在实际研究成果方面可能领先于美国，而美国则在等离子体隐形新的实现途径的研究方面领先于俄罗斯西欧和我国也在开展一系列相关研究工作，但总体研究水平都落后于俄罗斯和美国目前，已经公开报道的实现等离子隐形的方法有独立式等离子体发生器法和大气压局域放电法。

2）独立式等离子体发生器独立式等离子体发生器是等离子隐形途径中研究得最早的它在原理上与现代工业中已经广泛应用的多种等离子体发生器很相似（但后者无法直接用于飞行器隐形）这种发生器通常由能够产生某种放电形式的工质、离子发生器和电源组成其工作原理是利用电源将工质在离子发生器内电离，然后利用压力差释放到飞行器外面形成等离子体层，从而实现飞行器雷达隐形显然，这种独立式离子发生器具有结构简单、工作可靠、维护便利等优点，但是其缺点也是很明显的：一是对电源要求高，电源要有较高的功率以电离工质；二是发生器必须根据每种飞行器的使用部位的特点来设计，缺乏足够的使用灵活性；三是发生器体积、重量和制造要求比较高；四是比较难以产生均匀的等离子体层，且难以在飞行器表面上大面积覆盖3）大气压局域放电法10 大气压局域放电法除了可以以上述在飞行器上设置电极的方法实现外，还可以采用在飞行器表面涂敷放射性涂层的方法来产生等离子体层其原理是利用放射性元素发出的射线轰击空气分子使之电离，形成具有足够密度和厚度的等离子层这种方法的优点是容易实现密度较大、分布均匀的等离子体层，容易实现，易于控制等美国20 世纪 70 年代提出这种原理，90 年代初已经进入研究高潮时期，但目前还没有飞行器实际试验和使用的报道；而俄罗斯的研究从公开。