等离子体选择性隐身技术在未来陆军装备的应用分析

强勇游俊

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

等离子体隐身技术研究始于二十世纪五六十年代，等离子体隐身技术首先应用于航空飞行器，是与F-117和F-22等美国隐身战机靠外形设计和涂料隐身所不同的一种新的隐身方法，无需改变飞机外形和气动性能，开辟了一条飞行器实现隐身的新途径［1］。等离子体隐身技术有以下几个特点:一是等离子体能够吸收宽频带的雷达波，吸收率高;二是无需改变飞机等装备的气动外形和气动性能，同时还可大大降低飞行阻力;三是在隐身的同时，具有抗强电磁脉冲辐射的功能。

俄罗斯是研究等离子隐身方面代表性国家，已经历了三代产品，1999年，第二代等离子体隐身产品已经用于“米格”战机并进行过飞行和地面试验，俄罗斯最近将第三代等离子体隐身技术用于新一代战机T-50上。该技术是在不改变飞机气动外形设计的前提下，将飞机周围的空气变成等离子云，借此来达到吸收和散射雷达波的效果。进入21世纪，随着越来越多的国家对于这项技术的关注，等离子体技术在军事领域发挥着越来越重要的作用，正在逐渐从实验室走向武器装备工程化应用，并且从航空领域的应用逐渐走向航海舰船的隐身以及地面武器装备的隐身。

等离子体隐身技术研究分为两个阶段，一是在物体表面形成自由态等离子体的隐身技术，一是内封闭等离子体隐身技术，内封闭等离子体隐身技术是低压常温等离子体产生技术突破后近年来出现的新技术，即将等离子体置于装备表层内部密封空间内，腔体结构可根据武器装备外形设计［2，3］。内封闭等离子体隐身技术的突破，使等离子体隐身技术用于陆军装备成为可能，下面对等离子体隐身技术用于陆军装备的可行性及面临的困难进行分析。

1 等离子体隐身原理

等离子体隐身技术是指利用等离子体与电磁波的相互作用来回避雷达探测系统的一种技术。由于等离子体与电磁波的相互作用很复杂，因此，等离子体隐身由多种因素决定［4～8］。例如，等离子体对入射电磁波的折射，改变电磁波的传播路径;等离子体对入射电磁波的碰撞吸收，降低了透射波的能量;在外加磁场的作用下，等离子体中的电子做回旋运动，产生共振吸收的作用;磁化等离子体表现为各向异性介质，能够改变入射波的极化方式;时变等离子体隐身等。目前，对于折射隐身和吸收隐身的研究较为成熟，如图1所示。

图1 等离子体隐身示意图

1.1 等离子体折射隐身原理

等离子体作为一种色散媒质，当忽略带电粒子间的碰撞时，介电常数可以表示为

其中，ε0表示真空的介电常数;ωp表示等离子体频率，由等离子体的自由电子密度 ne决定，ωp=，即自由电子密度越大等离子体频率越高;ω0表示入射电磁波的角频率。那么等离子体对电磁波的折射率为

当ω0＜ωp时，电磁波不能在等离子体中传播，在分界面出现全反射，就无法照射到目标，回波也不再具备目标特征信息，降低了目标被识别的可能;当ω0＞ωp时，电磁波可以在等离子体中无衰减地传播，但是会在分界面处出现折射，而且等离子体频率越高，折射率越小。如果等离子体自由电子密度分布不均匀，并且满足一定的梯度分布条件，斜入射到等离子体的电磁波就会发生多次折射，从而引起电磁波传播方向的变化，如图2所示。如果在目标表面覆盖不均匀的等离子体，就可能出现以下情况:一方面部分入射波在等离子体中经过多次折射甚至全反射，会严重偏离原方向，照射不到目标;另一方面入射波即使能够照射到目标上，但是在折射率变化的分界面处会出现反射，经过多次折射反射，实际照射到目标上的电磁波相对入射波也有一定程度的衰减，从而降低目标的后向RCS。

图2 电磁波在非均匀等离子体中的传播

为了达到一定的隐身效果，这种折射隐身要求等离子体层具有相当的厚度，且对其参数分布有一定的要求。而且折射隐身只是将入射波折射到其它方向，单纯降低后向RCS，同时必然导致其它方向RCS升高。

1.2 等离子体吸收隐身原理

电磁波入射到等离子体中，通过与电子的相互作用将其能量转化为电子的动能，而电子通过与中性粒子的弹性碰撞、与离子及其它电子的库伦碰撞将其动能传递给其它粒子，转化为粒子无规则运动的能量，于是电磁波的能量就会被减弱。利用等离子体的碰撞吸收就能达到隐身的效果。

存在碰撞时，非磁化等离子体的介电常数如下:

其中，νc是电子与中性分子的碰撞频率，一般是电子密度和温度的函数。这样电磁波在有碰撞等离子体中的波数就是一个复数值，

2 等离子体隐身技术在未来陆军装备的应用

2.1 等离子体兵器装备隐身的应用

等离子体隐身最早应用于航空飞行器，技术难度大，成本高，门槛高。后来发展到航海舰船、导弹和陆军坦克和装甲车等，陆军装备特点:1)平台速度不高，2)平台在地面行驶，受地形影响较大，3)平台较飞行器对体积、重量要求不高，4)要求低成本。特点1、2使得等离子云方式隐身不奏效，一是受环境影响较大，二是常压下形成等离子云会发光发热，在其他谱段会被暴露。特点3、4，降低了等离子体应用的门槛，使得低压常温等离子体隐身用于陆军装备成为可能。

等离子体兵器装备隐身是在装备表面产生等离子体，吸收或折射电磁波以减少雷达反射截面积(RCS)而达到不被发现的目的。目前用于飞行器隐身的等离子体存在方式主要有外放式和封闭式两种，外放式通过高能激发周围空气，使其转变为等离子体，对于外形和结构不做任何改变，但是不易控制而且难以维持稳定。封闭式将等离子体封闭在透波材料中，容易控制而且需要能量较少，但是很难完全覆盖装备。考虑地面装备的特点和工作环境，主要降低上方以及侧面的RCS，采用封闭式等离子体隐身较适宜。

2.2 等离子体电磁脉冲防护的应用

产生强电磁脉冲的高功率微波武器严重危害电子设备的安全。虽然对强电磁脉冲防护的手段很多［9－10］，但是，具备武器装备隐身同时兼顾强电磁脉冲防护，等离子体具备突出的优势。

强电磁脉冲一般是指高功率微波(HPM)电磁脉冲和超宽带(UWB)。高功率微波与等离子体相互作用时，通过以下两种方式产生屏蔽作用。当强电磁脉冲频率低于等离子体频率时，等离子体能够反射强电磁脉冲，使能量反射出去;当强电磁脉冲频率高于等离子体频率时，等离子体又能吸收高功率微波，使透射进入电子设备的强电磁脉冲功率低于干扰或破坏阈值;当高功率微波入射角度变化时，等离子体可以改变高功率微波的传播方向，避免电子设备受到损伤［11］。

目前，超宽带(UWB)强电磁脉冲产生的频率一般在1GHz以下，而等离子体产生频率一般在2GHz以上，等离子体抗强电磁脉冲屏蔽作用主要靠第一种方式产生屏蔽作用即频率低于等离子体特征频率的入射电磁波将在等离子体边界被反射，无法进入等离子体内部。随着高功率微波武器的发展，辐射频率也在提高，10GHz的UWB高功率微波武器正在研究，高功率微波 HPM武器频带范围在1～300GHz［12］，采用等离子体反射和吸收以上两种方式对强电磁脉冲进行屏蔽。

3 等离子体选择性隐身关键技术分析

基于低温等离子体选择性隐身有两层含义，一是时间的选择性隐身，主要针对带有雷达系统的武器装备，控制等离子体产生，雷达不工作或者降额工作，实现隐身;二是频率的选择性隐身，针对外部感知环境提供的信息，对于威胁照射的窄带频率增强隐身效果，对于其他频率可以暂时降低要求。为了实现这些功能，需要对以下关键技术进行突破。

3.1 等离子体产生维持技术

无论是折射隐身还是吸收隐身，要达到一定的隐身效果，都要求等离子体具有一定的厚度和覆盖范围及持续时间。因此等离子体的产生和维持是一个关键性问题。

产生等离子体的关键是提供足够能量使得粒子中的外层电子能够克服粒子的束缚。提供能量的典型方法有:放射性同位素，电子束，介质阻挡放电，燃烧喷流，微波放电，稳态电源，高频放电等。目前研究最多的隐身等离子体产生方法主要有三种:一是利用高压气体放电产生等离子体;二是利用喷流式等离子体发生器产生等离子体;三是在兵器的特定部位涂敷放射性同位素，利用其衰变过程中释放的高能射线产生等离子体。选择合适的电离气体也是需要考虑的问题，较易电离并能维持足够的等离子体密度和较长时间的气体较为理想。

封闭式等离子体隐身技术控制简单，激发功率小，消耗能量少，不受外部环境的影响，能够实现长时间、大面积、均匀、稳定的等离子体;但是，装配制造是采用封闭式等离子体隐身技术的最大难点，装备所有表面铺设闭式等离子体材料，必然影响其机动性能。封闭式等离子体用于强散射部位隐身是较为可行的等离子体隐身方式［13］。

封闭式等离子体隐身技术的两个技术要点是获取合适的透波材料和等离子体生成方法。前者要求有足够的透波率和强度;后者可以用等离子体发生器制造等离子体并保证气体循环，也可以对气体放电形成等离子体。

3.2 等离子体参数控制技术

等离子体隐身效果主要取决于等离子体频率ωp和等离子体的电子碰撞频率νc两个参数。等离子体频率ωp由自由电子密度ne决定

其中，e表示电子电量;ε0表示真空介电常数;me表示电子质量。

等离子体的电子碰撞频率νc一般是自由电子密度和温度的函数，电子密度越大，电子碰撞频率越高;电子温度越高，电子碰撞频率也越高。此外电子碰撞频率还可能与电离气体的粒子有关。电子碰撞频率无法测量，但是可以利用一些经验公式计算。例如，在低空大气中冷等离子体的有效电子碰撞频率可表示为［14］

式中，T为等离子体的温度，单位为K。

封闭式等离子体隐身技术通过控制产生等离子体的能量和灌入的等离子体量控制自由电子数密度以及电子温度，就能达到控制等离子体频率以及电子碰撞频率的目的。

3.3 等离子体选择性隐身技术

由于等离子体对电磁波的吸收能力在不同条件下相差非常大，可以通过控制等离子体的参数，实现等离子体的选择性隐身。等离子体对电磁波的吸收效果主要取决于等离子体频率和电子碰撞频率。

碰撞频率极大或极小时，等离子体吸收系数均很小。由于电磁场的作用，等离子体中的自由电子会将电磁波的一部分能量转换为自身的动能，然后通过与离子、中性粒子之间的碰撞，将部分动能传递给离子或中性粒子。当碰撞很微弱时，电子平均需要经过几个电场的振荡周期才会受到一次碰撞，于是单位时间内仅有不多的电磁波能量转化为电子的热能，等离子体对电磁波的吸收率也不高。但随着碰撞的逐渐增强，不断有更多的电磁波能量转化为电子热能，电磁波能量的损失越来越大，但当碰撞频率进一步增大到一定程度时，电子在电场中还来不及被充分加速就受到了碰撞，电子在单位时间内从电场获得的动能减少，吸收率随碰撞频率的增大而降低，电磁波的能量还来不及传递便以透过等离子体［13］。

参数的不同，可能导致完全不同的隐身效果。如何选取等离子体频率和碰撞频率就是等离子体选择性隐身技术的关键。

3.4 腔体优化设计增加隐身效能

封闭式等离子体隐身技术需要一个闭合腔，适合铺设在目标的重点部位，因此需要对腔体进行优化设计，以适应装备不同部位的特殊隐身要求，达到最佳的隐身效果。

4 全频谱选择性隐身用于未来陆军装备的设想

未来陆军装备达到全频谱选择性隐身的要求，往往单靠一种隐身手段难以达到的，这里针对武器装备和武器装备上的雷达系统，提出采用涂覆型隐身材料和多种隐身手段相结合的隐身方式。现有的技术已经支持多种隐身手段在雷达、红外、可见光等目标探测波段形成较好选择性隐身效果［15～19］。

·地面武器装备隐身采用多层结构设计

对于地面武器装备采用多层结构设计，最外层采用伪装涂层以及吸波涂料，实现光学隐身和微波，毫米波隐身。中间层采用光子晶体结构，实现远红外和中红外隐身。光子晶体的概念1987年提出的，它是指介电常数(或折射率)空间周期性分布而具有光子带隙的特殊材料［20－21］。光子晶体的基本特征是具有光子带隙和“光子局域”。解放军电子工程学院时家明团队利用薄膜光学理论中的特征矩阵法计算了设计的掺杂ZnSe的CdSe/SiO2光子晶体薄膜的反射、透射和吸收光谱，计算结果表明，掺杂光子晶体能够很好地满足热红外与1.06 μm或10.6 μm激光隐身兼容的要求［22］。内层设计成与武器装备共形的密闭腔体结构，可控产生低压常温等离子体实现微波及VHF频段隐身。

·雷达隐身采用雷达天线罩两层设计

雷达天线罩使用透波材料设计成密闭腔体，腔体外采用光子晶体材料的迷彩蒙布，对光学、红外、激光等频段具有隐身效果，腔体内层使用等离子体发射器产生低温等离子体在微波波段进行选择性隐身，对不同频率的电磁波具有选择性吸收和透过作用。在雷达的工作频段内呈现带通特性，在其他频段内对照射波具有吸收衰减特性，既能保证雷达工作，又能保证在其他微波频段对照射波具有吸收衰减，从而达到频率选择性隐身的效果，同时，为了保证隐身和雷达探测最佳效果，雷达可采用外辐射源发射，或双基地发射，隐身装备上的雷达被动接收的方式探测目标，这样可以达到全时段、全频谱选择性隐身的效果。

5 结束语

本文结合中国兵器工业集团公司军品科技发展路线图，讨论等离子体选择性隐身技术在未来陆军装备的应用，对等离子体选择性隐身工程化所需要突破的关键技术进行了分析，最后，提出了未来陆军武器装备多层次多频谱隐身的设想，也是我们下一步开展工作的研究的重点。

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