等离子体技术在军事领域的应用

等离体技术在军事方面的应用才刚刚开始，但却以完全不同以往的方式使现在的隐身技术相形见绌，也能使火箭飞往火星的时间由7～8个月缩减到3个月……
　　 人们发现等离子体能够 反射或吸收电磁波纯属偶然。当年，前苏联的一艘宇宙飞船进入大气层后，曾一度与地面失去无线电联系。经研究发现，在飞船与大气层的摩擦中，在其周围形成了等离子体云。实际上，等离子体是由大量自由电子和离子组成，且在整体上表现为近似中性的电离气体，是物质存在的又一种聚集态，因此，等离子体又称为物质的第四态或称为等离子态。
　　 任何由中性粒子组成的普通气体，只要外界供给能量，使其温度升到足够高时，总可以成为等离子体。当气体中有足够多的原子被电离后，这种电离的气体已不是原来的气体了，而转化成新的物态--等离子态。等离子体具有很好的导电性，并在宏观上保持电中性。在普通气体中，即使只有0.1%的气体被电离，这种电离气体已具备很好的等离子体性质，如果有1%的气体被电离，这样等离子体便成了电导率很大的理想导电体。
　　 等离子体产生的方法有多种，例如热致电离、气体放电、高能粒子轰击、激光照射等方法都能使气体电离成为等离子体。在军事上，核爆炸、放射性同位素的射线，高超音速飞行器的激波，燃料中掺有铯、钾、钠等易电离成分的火箭和喷气式飞机的射流，都可以形成弱电离等离子体。
　　 等离子体对电磁波的传播有很大的影响。在一定条件下，等离子体能够反射电磁波；在另一种条件下，又能够吸收电磁波。当存在磁场时，在等离子体中沿磁场方向传播的电磁波极化方向会产生所谓的法拉第旋转，从而使雷达接收的回波极化方向与反射时不一致，造成极化失真。等离子体的这三个性质，可用于对雷达进行无源干扰。
　　 技术应用与发展
　　等离子体技术在军事上有着广泛的应用。自20世纪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少到原来的1%。美国在其《国防部1997年基础研究计划》提出"中性等离子体效应可 以为军用飞机和卫星提供隐身条件"。可见美国对这个问题也给予了足够的重视。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，基本不反射信号。
　　 飞行器隐身
　　 隐身技术又称目标特征信号控制技术，是通过控制武器系统的信号特征，使其难以被发现、识别和跟踪打击的技术。它是针对探测技术而言的。主要包括雷达隐身、红外隐身、声隐身以及视频隐身等。它是通过一些技术途径在飞行器表面形成等离子体，利用等离子体对雷达波的吸收、损耗作用来达到减少飞行器雷达反射截面（RCS）的目的。目前隐身军用飞机使用的隐身技术很大程度上是牺牲了飞行器本身气动特性，而等离子体隐身的优点在于：吸波频带宽、吸收率高、隐身效果好、使用简便、使用时间长、价格便宜、维护费用低；且无须改变飞机的外形设计，不影响飞行器的飞行性能。
　　 按热容量大小，等离子体可分为能等离子体、热等离子体和低温等离子体，目前世界上主要是应用低温等离子体。产生等离子体的方法有两种：一是利用等离子体发生器产生等离子体，即在低温下，通过电源以高频和高压的形式提供高能量产生间隙放电，将气体介质激活电离形成等离子体；另一种方法是在装备的特定的部位，如强散射区，涂一层放射性同位素，它的辐射剂量应确保它的α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。
　　 飞行器实现等离子体隐身的基本原理是：利用等离子体发生器、发生片或放射性同位素在飞行器表面形成一层等离子云，控制等离子体的能量、电离度、振荡频率等特征参数，使照射到等离子体云上的雷达波一部分被吸收，一部分改变传播方向，因而返回到雷达接收机的能量很小，使雷达难以探测，达到隐身目的；通过改变反射信号的频率，达到隐身目的；还能通过改变反射信号的频率，使敌雷达测出错误的飞机位置和速度数据以实现隐身。
　　 弹道导弹和飞机的等离子体隐身有所不同。弹道导弹可采用等离子体气包进行隐身，在弹头外包一个密封的气包，气包内充满低压等离子体。还可以在弹道导弹的弹头和飞机关键部位采用等离子体涂料隐身。涂料以钋-210、锔-242、锶-90等放射性同位素为原料，在飞行器飞行过程中放射出强α射线，高能粒子促使空气电离形成等离子体层，其吸收性能使信号在1～20吉赫范围内衰减可达17分贝。飞机一般不采用等离子体气包，主要采用等离子体发生器，在飞机表面形成等离子体层，从而实现飞机的隐身。
　　 俄罗斯克尔德什研究中心专家研制出的新的飞机等离子体隐身技术在不需要改变飞机外形结构的情况下，可使飞机被雷达发现的概率几乎为零。这种技术完全不同于美国"降低识别特征"的隐形技术，能够确保被保护目标的隐身，而且价格相当便宜。他们提出在飞机四周形成一种特殊的等离子体，这样做并不涉及飞机本身的空气动力特性。在不影响被保护飞机的技术性能的同时，人造等离子云可使飞机的被发现率降低99%以上，而且所耗资金很少。据说，可与美国F-22抗衡的俄"米格1.44"战机（又称MF1）就可能采用这项技术。
　　 当目标周围环绕着等离子云时，雷达的电磁波会发生几种现象。首先，电磁波的能量被吸收，因为在穿越等离子体时，电磁波会与等离子体的带电粒子相互作用，把部分能量传递给带电粒子，自身能量逐渐衰减。其次，受一系列物理作用的影响，电磁波急于绕过等离子体。这两种现象都会使反射信号大大减弱。在地面模拟设备和自然条件下进行的试验已经证明了这种技术的有效性。克尔德什中心曾经研制出第一代和第二代等离子体发生器，并在飞机上进行了成功实验。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，电离空气即可在飞机周围构成人造等离子体并减弱反射信号。第二代产品是加入了易电离气体的等离子体发生器，采用这一系统不仅能够减弱反射信号，改变信号长度，还能向敌人发出一些假信号对雷达进行干扰。这样可对敌人判断飞机飞行速度、所在位置造成极大困难。等离子体隐身技术使传统的隐身技术观念发生根本性的变化。这套系统质量不超过100千克，已经全面通过地面和飞行试验。
　　 克尔德什中心目前正在根据新的物理原理，研究第三代更有效的隐形系统。据预测，第三代产品可能利用飞行器周围的静电能量来减少飞行器的雷达截面积。现有的第一代和第二代系统已被列入了获准出口的俄制防御产品名单。
　　 拦截导弹
　　 在现代战争中。导弹打导弹已成为了一种有效的对抗方法，但这种方法命中率低。最近俄罗斯科学家推出一种采用等离子体武器拦截导弹的新方法。主要特点是，改变飞行物的飞行条件，即利用彼此交叉的大功率电磁能束或光束改变导弹的飞行环境，使飞行中的导弹偏离方向而失去战斗作用。
　　 所谓等离子体武器，就是利用安装在地面的发生器和天线发出超高频电磁能束或激光束在大气中聚焦，并形成高电离化空气云--等离子团，其密度和电离度比大气电离层高出1万～10万倍。这种等离子团可投射在目标前方和两侧，给目标下一个"电磁脚绊子"，使之产生旋转力矩，偏离飞行轨道，并在巨大的超重压差和惯性影响下销毁，整个拦截过程仅需1/10秒时间。
　　 据报道，俄已研制成功试验型等离子体武器，由超高频电磁波发生器、定向天线、电源及控制系统组成，采用集装箱式模块结构。这套试验装置曾成功地击落了炮弹。据透露，俄罗斯的实用化等离子体武器将由上述的各系统模块组成，各模块都能振荡输出以光速传播的超大功率（几十亿瓦）微波束。探测目标的雷达系统与产生等离子体云团的电磁波束发射系统合二为一，集搜索、发现和打击目标等功能于一身，无需耗费时间去识别目标真假或测定目标方位，只要发现飞行目标就可以将其击落。等离子体武器将大大提高俄现有的莫斯科反导系统的作战效能。
　　 等离子体火箭技术
　　 美国约翰逊航天中心正在研制先进等离子体火箭技术，利用这一技术将使飞抵火星的时间节省一半，使宇航员少受太空辐射，减少骨骼和肌肉损失以及循环系统所受的影响。
　　 这一技术被称为可变特定脉冲等离子体火箭，其发动机包括三个相连的磁元件，最前面的元件将推进气体离子化，中间的元件则起放大器的作用以进一步加热等离子体，最后一个元件是磁喷嘴，可将等离子体能量变为按一定方向运动的流体。
　　 等离子体火箭技术的关键在于它能改变、调整等离子体流，以保持最佳推进效率。在飞向火星的过程中，火箭利用常规的化学燃料需要飞行7到8个月，而等离子体火箭三个多月就可飞抵火星。
　　 等离子体无线电天线
　　 澳大利亚研究人员最近也宣布开发出一种等离子体无线电隐身天线，它在战场等特殊环境下具有不易被敌方雷达发现的优点。
　　 据报道，澳大利亚国立大学研制出采用等离子体技术的天线，与普通天线相比节省了大部分的金属材料。新型天线外观有点象一个长日光灯管，其中密封有惰性气体。管状外壳由抗冲击性的玻璃等介质制造，其基部带有一个金属电极。
　　 这种天线的原理是：当无线电波通过金属电极进入管中后，使惰性气体电离形成等离子体。由于等离子体中含有大量自由电子，因此可发挥与普通金属天线类似的作用。也就是说，通过促使等离子体中的自由电子振荡，产生电磁波，即可传送无线电信号；同样原理使该天线也可用来接收信号。只要将天线基部的金属电极关闭，其中的气体会马上恢复到不带电的中性状态，使敌方雷达难以发现。
　　 应用前景
　　等离子体技术在军事上有其广泛的应用前景，不仅可以应用于各种武器系统平台的隐身，而且可应用于电子对抗等方面。
　　 当然，等离子体技术在军事上的应用也存在着相当的难度和问题。这是一项十分复杂的系统工程，是大气等离子体技术、电磁理论与工程、机械与电气工程等学科的交叉学科。其关键技术是如何设计一种易于产生、易于控制的等离子体产生器，而且能适应各种武器平台的要求。等离体技术在军事方面的应用才刚刚开始，但却以完全不同以往的方式使现在的隐身技术相形见绌，也能使火箭飞往火星的时间由7～8个月缩减到3个月……
　　 人们发现等离子体能够 反射或吸收电磁波纯属偶然。当年，前苏联的一艘宇宙飞船进入大气层后，曾一度与地面失去无线电联系。经研究发现，在飞船与大气层的摩擦中，在其周围形成了等离子体云。实际上，等离子体是由大量自由电子和离子组成，且在整体上表现为近似中性的电离气体，是物质存在的又一种聚集态，因此，等离子体又称为物质的第四态或称为等离子态。
　　 任何由中性粒子组成的普通气体，只要外界供给能量，使其温度升到足够高时，总可以成为等离子体。当气体中有足够多的原子被电离后，这种电离的气体已不是原来的气体了，而转化成新的物态--等离子态。等离子体具有很好的导电性，并在宏观上保持电中性。在普通气体中，即使只有0.1%的气体被电离，这种电离气体已具备很好的等离子体性质，如果有1%的气体被电离，这样等离子体便成了电导率很大的理想导电体。
　　 等离子体产生的方法有多种，例如热致电离、气体放电、高能粒子轰击、激光照射等方法都能使气体电离成为等离子体。在军事上，核爆炸、放射性同位素的射线，高超音速飞行器的激波，燃料中掺有铯、钾、钠等易电离成分的火箭和喷气式飞机的射流，都可以形成弱电离等离子体。
　　 等离子体对电磁波的传播有很大的影响。在一定条件下，等离子体能够反射电磁波；在另一种条件下，又能够吸收电磁波。当存在磁场时，在等离子体中沿磁场方向传播的电磁波极化方向会产生所谓的法拉第旋转，从而使雷达接收的回波极化方向与反射时不一致，造成极化失真。等离子体的这三个性质，可用于对雷达进行无源干扰。
　　 技术应用与发展
　　等离子体技术在军事上有着广泛的应用。自20世纪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少到原来的1%。美国在其《国防部1997年基础研究计划》提出"中性等离子体效应可 以为军用飞机和卫星提供隐身条件"。可见美国对这个问题也给予了足够的重视。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，基本不反射信号。
　　 飞行器隐身
　　 隐身技术又称目标特征信号控制技术，是通过控制武器系统的信号特征，使其难以被发现、识别和跟踪打击的技术。它是针对探测技术而言的。主要包括雷达隐身、红外隐身、声隐身以及视频隐身等。它是通过一些技术途径在飞行器表面形成等离子体，利用等离子体对雷达波的吸收、损耗作用来达到减少飞行器雷达反射截面（RCS）的目的。目前隐身军用飞机使用的隐身技术很大程度上是牺牲了飞行器本身气动特性，而等离子体隐身的优点在于：吸波频带宽、吸收率高、隐身效果好、使用简便、使用时间长、价格便宜、维护费用低；且无须改变飞机的外形设计，不影响飞行器的飞行性能。
　　 按热容量大小，等离子体可分为能等离子体、热等离子体和低温等离子体，目前世界上主要是应用低温等离子体。产生等离子体的方法有两种：一是利用等离子体发生器产生等离子体，即在低温下，通过电源以高频和高压的形式提供高能量产生间隙放电，将气体介质激活电离形成等离子体；另一种方法是在装备的特定的部位，如强散射区，涂一层放射性同位素，它的辐射剂量应确保它的α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。
　　 飞行器实现等离子体隐身的基本原理是：利用等离子体发生器、发生片或放射性同位素在飞行器表面形成一层等离子云，控制等离子体的能量、电离度、振荡频率等特征参数，使照射到等离子体云上的雷达波一部分被吸收，一部分改变传播方向，因而返回到雷达接收机的能量很小，使雷达难以探测，达到隐身目的；通过改变反射信号的频率，达到隐身目的；还能通过改变反射信号的频率，使敌雷达测出错误的飞机位置和速度数据以实现隐身。
　　 弹道导弹和飞机的等离子体隐身有所不同。弹道导弹可采用等离子体气包进行隐身，在弹头外包一个密封的气包，气包内充满低压等离子体。还可以在弹道导弹的弹头和飞机关键部位采用等离子体涂料隐身。涂料以钋-210、锔-242、锶-90等放射性同位素为原料，在飞行器飞行过程中放射出强α射线，高能粒子促使空气电离形成等离子体层，其吸收性能使信号在1～20吉赫范围内衰减可达17分贝。飞机一般不采用等离子体气包，主要采用等离子体发生器，在飞机表面形成等离子体层，从而实现飞机的隐身。
　　 俄罗斯克尔德什研究中心专家研制出的新的飞机等离子体隐身技术在不需要改变飞机外形结构的情况下，可使飞机被雷达发现的概率几乎为零。这种技术完全不同于美国"降低识别特征"的隐形技术，能够确保被保护目标的隐身，而且价格相当便宜。他们提出在飞机四周形成一种特殊的等离子体，这样做并不涉及飞机本身的空气动力特性。在不影响被保护飞机的技术性能的同时，人造等离子云可使飞机的被发现率降低99%以上，而且所耗资金很少。据说，可与美国F-22抗衡的俄"米格1.44"战机（又称MF1）就可能采用这项技术。
　　 当目标周围环绕着等离子云时，雷达的电磁波会发生几种现象。首先，电磁波的能量被吸收，因为在穿越等离子体时，电磁波会与等离子体的带电粒子相互作用，把部分能量传递给带电粒子，自身能量逐渐衰减。其次，受一系列物理作用的影响，电磁波急于绕过等离子体。这两种现象都会使反射信号大大减弱。在地面模拟设备和自然条件下进行的试验已经证明了这种技术的有效性。克尔德什中心曾经研制出第一代和第二代等离子体发生器，并在飞机上进行了成功实验。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，电离空气即可在飞机周围构成人造等离子体并减弱反射信号。第二代产品是加入了易电离气体的等离子体发生器，采用这一系统不仅能够减弱反射信号，改变信号长度，还能向敌人发出一些假信号对雷达进行干扰。这样可对敌人判断飞机飞行速度、所在位置造成极大困难。等离子体隐身技术使传统的隐身技术观念发生根本性的变化。这套系统质量不超过100千克，已经全面通过地面和飞行试验。
　　 克尔德什中心目前正在根据新的物理原理，研究第三代更有效的隐形系统。据预测，第三代产品可能利用飞行器周围的静电能量来减少飞行器的雷达截面积。现有的第一代和第二代系统已被列入了获准出口的俄制防御产品名单。
　　 拦截导弹
　　 在现代战争中。导弹打导弹已成为了一种有效的对抗方法，但这种方法命中率低。最近俄罗斯科学家推出一种采用等离子体武器拦截导弹的新方法。主要特点是，改变飞行物的飞行条件，即利用彼此交叉的大功率电磁能束或光束改变导弹的飞行环境，使飞行中的导弹偏离方向而失去战斗作用。
　　 所谓等离子体武器，就是利用安装在地面的发生器和天线发出超高频电磁能束或激光束在大气中聚焦，并形成高电离化空气云--等离子团，其密度和电离度比大气电离层高出1万～10万倍。这种等离子团可投射在目标前方和两侧，给目标下一个"电磁脚绊子"，使之产生旋转力矩，偏离飞行轨道，并在巨大的超重压差和惯性影响下销毁，整个拦截过程仅需1/10秒时间。
　　 据报道，俄已研制成功试验型等离子体武器，由超高频电磁波发生器、定向天线、电源及控制系统组成，采用集装箱式模块结构。这套试验装置曾成功地击落了炮弹。据透露，俄罗斯的实用化等离子体武器将由上述的各系统模块组成，各模块都能振荡输出以光速传播的超大功率（几十亿瓦）微波束。探测目标的雷达系统与产生等离子体云团的电磁波束发射系统合二为一，集搜索、发现和打击目标等功能于一身，无需耗费时间去识别目标真假或测定目标方位，只要发现飞行目标就可以将其击落。等离子体武器将大大提高俄现有的莫斯科反导系统的作战效能。
　　 等离子体火箭技术
　　 美国约翰逊航天中心正在研制先进等离子体火箭技术，利用这一技术将使飞抵火星的时间节省一半，使宇航员少受太空辐射，减少骨骼和肌肉损失以及循环系统所受的影响。
　　 这一技术被称为可变特定脉冲等离子体火箭，其发动机包括三个相连的磁元件，最前面的元件将推进气体离子化，中间的元件则起放大器的作用以进一步加热等离子体，最后一个元件是磁喷嘴，可将等离子体能量变为按一定方向运动的流体。
　　 等离子体火箭技术的关键在于它能改变、调整等离子体流，以保持最佳推进效率。在飞向火星的过程中，火箭利用常规的化学燃料需要飞行7到8个月，而等离子体火箭三个多月就可飞抵火星。
　　 等离子体无线电天线
　　 澳大利亚研究人员最近也宣布开发出一种等离子体无线电隐身天线，它在战场等特殊环境下具有不易被敌方雷达发现的优点。
　　 据报道，澳大利亚国立大学研制出采用等离子体技术的天线，与普通天线相比节省了大部分的金属材料。新型天线外观有点象一个长日光灯管，其中密封有惰性气体。管状外壳由抗冲击性的玻璃等介质制造，其基部带有一个金属电极。
　　 这种天线的原理是：当无线电波通过金属电极进入管中后，使惰性气体电离形成等离子体。由于等离子体中含有大量自由电子，因此可发挥与普通金属天线类似的作用。也就是说，通过促使等离子体中的自由电子振荡，产生电磁波，即可传送无线电信号；同样原理使该天线也可用来接收信号。只要将天线基部的金属电极关闭，其中的气体会马上恢复到不带电的中性状态，使敌方雷达难以发现。
　　 应用前景
　　等离子体技术在军事上有其广泛的应用前景，不仅可以应用于各种武器系统平台的隐身，而且可应用于电子对抗等方面。
　　 当然，等离子体技术在军事上的应用也存在着相当的难度和问题。这是一项十分复杂的系统工程，是大气等离子体技术、电磁理论与工程、机械与电气工程等学科的交叉学科。其关键技术是如何设计一种易于产生、易于控制的等离子体产生器，而且能适应各种武器平台的要求。