[科普中国]-等离子体隐身技术

发展背景

隐身技术是当代具有陆、海、空、天、电磁五位一体的立体化战争中最重要、最有效的突防战术技术措施之一。海湾战争中F-117A 隐身战斗机的成功运用， 使这一技术对未来战争产生了极其深远影响。隐身兵器及相关的隐身技术已引起了各国军事部门的极大关注。据《俄罗斯研究出全新的飞机隐身技术》的报道，俄罗斯已掌握了一种隐身技术，其特点是用高功率微波在飞机的主要散射面积区域产生等离子体以吸收或衰减入射电磁波，从而达到隐身的目的。俄克尔德什科学研究中心已研制出第三代飞机隐身系统，该系统质量轻、 耗能低。这种新技术的主要原理就是在飞机周围形成一种特殊的等离子体，从而不需要改变飞机的外形机构。飞机装上这个系统后, 探测雷达的有效区将减小到“不及原来的1/100” ，使飞机被雷达发现的概率几乎下降到零。2

等离子体物理学是在50年代迅速发展起来并在工程技术上得到广泛的应用的。虽然导弹学院等离子体与电磁波的相互作用一开始就是研究重点，如磁流体发电机、高功率微波产生器、受控热核聚变等，但是等离子体用于隐身，则是来源于近几年媒体对俄罗斯等离子体隐身系统的报道。2

等离子体等离子体是气体电离形成的第四态物质，是一种总体呈电中性，由正离子、自由电子和中性原子组成的电离气体。如地球上空80 ～ 400km 处的电离层、火焰和电弧中的高温部分，火箭喷射的废气和流星遗迹等都是等离子体。等离子体密度是等离子体的基本参量之一，表示单位体积内所含粒子数的多少。形成等离子体的方式不同，密度差异很大。如恒星灼热的高温使其成为等离子体密度高达1028 ～1031m-3 ；用高功率激光束加热而得到的等离子体密度为1026 ～ 1028m-3 ；地球外层空间电离层中的等离子体密度为109 ～ 1012m-3 ，则属于稀薄等离子体。2

分类等离子体按其热容量大小可分为高温等离子体、热等离子体和冷等离子体。

（1）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）冷等离子体是电子温度很高、重粒子温度很低、总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。

产生等离子体的方法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），2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1014/cm3左右的电了密度，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，等离子体扩散过快，以致于在大部分时间内，雷达波并末被等离子体所吸收，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问施加受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，电极问距离为1.5cm，当电压在 3～5kv，100～10kHz范围内变化时．利用网络分析仪在2～l8GHZ内扫描，几乎无法测出等离了体对微波的衰减。在一定条件下．流光放电可以转化，得到大气压辉光放电。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．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。由于人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，入射徽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于体，其电子密度、温度等参数基本能满足要求。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1～2cm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渡的同旋共振吸收，从而有利于增大等离子体对电磁波的吸收。但是，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：

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。

在兵器的特定部位（如强散射区）涂上以钋210、锔242、锶90等放射性同位素为原料的涂层，在飞行器飞行过程中，利用放射出的强α 射线促进飞行器表面外的空气电离形成等离子体，其辐射剂量应确保等离子体层具有足够的电离密度和厚度，对探测波具有较强的散射和吸收能力。1

（5）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。1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。

等离子体隐身技术的原理及特点隐身机理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。若等离子体频率大于入射电磁波频率，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小于入射电磁波频率时，电磁波不会被等离于体截止，能够进入等离子体并在其中传播，在传播过程中．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。3

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，消耗电场的能量．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。4

独特的优点与美国的B-2 、F-117 、F-22 等广泛采用的外形和材料隐身技术相比，等离子体隐身技术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）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；（3）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。2

据称，采用等离子体隐身后能使被发现的概率降低99%，即可真正实现“全隐身” 。世界上现在运用的主要等离子体隐身技术是低温等离子体，其隐身方法主要有两种：（1）利用等离子体发生器产生等离子体，这种方法简单易行但效果差；（2）在装备的特定部位, 如强散射区，涂一层放射性同位素，它的辐射计量应确保其射线能电离空气所产生的等离子包层具有足够的“电子厚度和密度” ，对雷达波有足够的吸收率。这一方法成本较高，且维修也较难。2

缺点等离子体隐身存在一些主要问题：（1）兵器安装等离子体发生器的部位无法隐身；（2）所需电源功率很高，设备庞大；（3）很难控制。因此，在满足对等离子体包层厚度的要求下，必须降低等离子体发生器的电源功率和减小设备体积。5

存在难点等离子体隐身存在以下难点：（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、电磁理论与工程、空气功力学、机械与电气工程等学科，具有很强的学科交叉性。

研究进展从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音速飞机上的潜在应用：90年代初，美国体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，应用等离子本技术可使一个13cm长的微波反射器的雷达截面在 4～14GHZ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无线元件，当放电管通电时就成为导体，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。

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0.5~0.7mm，电压几千伏。工作电流仅为零点几毫安。将这种等离子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苛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于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于体隐身技术产品都已进行了成功实验。1

本世纪初俄罗斯公开的可与美国F22相抗衡的第五代米格1.44战斗机据说就是试验了这项先进技术。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4～14GHZ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，法国航空航天研究院采用等离子体平面天线替代传统的平板式和抛物面天线，研制成了全隐身的等离子体雷达天线，该天线的分辨率及性能优于常规天线。目前，其最佳工作频率范围为8～15 GHz，但是在分米波上可扩展至更长波长，在毫米波上可扩展至100 GHz。法国海军将该等离子体天线用于防御超声速反舰导弹，天线结构紧凑，发射和接收距离约为300km，尤其是近两年来研究的基于等离子体阵列天线技术，有望替代相控阵雷达天线，成为下一代无线电信号传感设备的主力军。1

鉴于隐身技术在军事上的重要作用，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10年左右的时间，我国飞行器即有望实现全面等离子隐身。

发展前景美苏两国研究自60年代以来，美国、前苏联等军事强国就开始研究等离子体吸收电磁波的性能。80年代初，前苏联最早开始进行等离子体实验，研究的重点是等离子体在高空超音速飞行器上的潜在应用；90年代初，美国休斯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13厘米长的微波反射器的雷达截面能够在4-14吉赫兹频率范围内平均降低20分贝，即雷达获取回波的信号强度减小到原来的1%。1997年，美国海军委托田纳西大学等单位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，基本不反射敌探测信号。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。6

突破性进展等离子体隐身技术在俄罗斯取得了突破性进展，其研究领先于美国。据报道，俄罗斯克尔德什研究中心开发出第一代和第二代等离子体发生器，并在飞机上进行了试验，获得了成功。第一代产品是等离子体发生片，其厚度为0.5－0.7毫米，电压为几千伏，电流为零点几毫安，将该发生片贴在飞行器的强散射部位，电离空气即可产生等离子体。第二代产品是等离子体发生器，在等离子体发生器中加入易电离的气体，经过“脉冲电晕”，气体由高温转为低温，即可产生等离子体。第二代产品的重量不到100公斤，已经全面进行了地面和飞行试验，它不仅能减弱雷达反射信号，还能通过改变反射信号的频率以实现隐身。克尔德什研究中心正在应用新的物理知识研制效果更好的第三代产品，据预测，第三代产品可能利用飞行器周围的静电能量来减小飞行器的雷达截面。6

俄罗斯未来的1.42隐身战斗机样机并没有像美国那样的隐身外形设计，其隐身能力是利用他们称之为“自己开发的减少雷达特征的方法”来实现的，这很可能包括等离子体隐身技术。由于等离子体隐身技术已受到世界军事强国的关注，因此它将可能具有广阔的应用前景。6

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4.02×1012/cm3的量级，相应的电子与中性粒子的碰撞频率为50～200GHz——这比当前工业上使用发生器能力高出1～2个量级。而又因为等离子体发生器发出的等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25～ 30m3，使用压力0～1个大气压，这是现有等离子体发生器难以达到的量级一要达到这个量级，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问使用的体积为30m3的等离子体云，即使电离最易电离的氨气，所需功率也高达95000千瓦．这对机载电源来说，是很难达到的。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. 3～133Pa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、使用和雏护的代价极为高昂，后勤维护也非常围难，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。

新思路研制等离子体产生器件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。

提出问题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氨、氧等作为空气成分的气体分子电离成高浓度等离子体，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1012/cm3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略。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军事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。

研制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，当外加怍用力大于电场束缚力时，就可使强电离放电非平衡冷等离子体源里的高浓度等离子体部分或全部被输送出去。己经做到一个有效放电体积技为 0.8cm3的高气压非平衡等离子体源，处理气量达到12m3 / h，输出的等离子体浓度达到了1012/cm3以上，还有提高2个数量级的余地。

特点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，如今研制的等离子体产生器件是一种薄片式器件，外型尺寸为：厚0.15cm，宽 4cm，长K5cm，10cm，20cm三种规格，根据要求选取，它可贴附在电磁波强散射部位或进气壁上。它具有如下特点：

（1）折合电场强度高，电子浓度高（在1015/cm3～1016/cm3之间，而用于隐身技术的临界电子浓度在1012/cm3个量级）；

（2）外型尺寸为0.15cm×4cm×20cm的器件放电消耗能量仅为100W，能产生10L等离子体，而其自身质量仅为0.1kg。在4GHZ～14GHz，频率范围可使飞机的RCS值衰减30dB，减少到原来的0.1%；

（3）强电离放电等离子体产生器件外表面自身也具有隐身性能。

采用强电离放电方法可使非平衡冷等离子体产生器件（或叫等离子体发生器）体积、质量以及放电能耗成几个数量级减少。用于隐身技术的临界电子浓度在 1012/cm3这个量级．强电离放电等离子体产生器件产生的大产成量的冷等离子体的电子浓度大于1015/cm3，再稀释1000倍后也足以满足飞行器等离子体隐身技术的要求。