等离子隐形技术

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<P>张洋


F／A-22隐身设计左外形上最主要的体现是多个相互平行的前缘。图中可见进气道前缘，机翼前缘和平尾前缘、平尾后缘内侧相互平行
                     




                      　　<b>等离子体(我国台湾地区称为“电浆”)是宇宙中已知的五种基本物质形态之一，其他四种形态，除了大家熟悉的固态、液态和气态以外还有超密态(如中子星物质)。从物理本质上来说，等离子体是一种宏观上处于电中性、但不是由分子而是由离子组成的气体，这决定了它具有许多独特的性质，而对新技术嗅觉比狗还灵敏的军事家们早已注意到这些独特性质在军事上巨大的应用潜力，他们认为等离子体技术为武器的新发展提供了新的强有力的技术途径，率先掌握实用等离子体技术的国家将获得军事上的战略优势。现在世界各个军事大国都在积极展开相关技术研究，但从目前情况来看，等离子体技术的大部分研究仍然处在概念、理论和试验的初级发展阶段。</b>
　　<b>基本原理</b>
　　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。
　　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。
　　<b>研究情况</b>
　　于是，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。
　　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。
　　由于独立式等离子体发生器技术相对简单，因此其研究成果也最明显。根据公开报道，俄罗斯克尔德什研究中心已经开发出两代等离子隐形产品，并经地面模拟试验和飞机试验证实了其实用性。其第二代产品是独立式等离子体发生器，重量不到100公斤，发生器中的工质为具有电晕放电形式的气体。俄罗斯对该产品的公开描述是“不仅能够减弱雷达反射信号，而且还能够向敌方雷达发射一些假信号，使敌方难以正确判断目标位置和速度”。最近的报道显示，苏－27IB“鸭嘴兽”将成为俄第一种采用等离子体隐形的作战飞机。不过该机在外形设计上，例如机头的棱边也有隐形考虑。此外。美国还认为俄罗斯已在某种空射巡航导弹上采用该技术。
　　目前，已知的这种产品有俄罗斯克尔德什研究中心公布的其第一代等离子体隐形产品，即等离子发生片。这种发生片厚度为500～700微米，电压为数千伏（电流则为几百微安），贴在飞行器强散射部位使其周围空气电离形成等离子体层以实现隐形。该产品同样可以提供出口，但是其技术细节也没有详细透露。此外，法国航空刊物2000年的一篇文章描述了美国诺斯罗普·格鲁门公司B－2A“幽灵”战略轰炸机的电空气动力学特性。它认为B－2A也采用了这种等离子体隐形技术。报道称B－2A飞翼前缘与尾喷管之间电位差高达1.5兆伏，从而电离周围空气，使整个飞机处于一个等离子体的包覆层内实现隐形。如果B－2A确实采用了这种隐形技术，那么最值得关注的是它如何做到保持等离子体层的均匀性及如何使自身的电子设备能够正常地工作。
　　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报道看重点是在独立式等离子体发生器上。20世纪90年代后期以来，美国公开刊物上每年发表的有关等离子体隐形技术的论文远远超过包括俄罗斯在内的其他国家。
　　<b>未来展望</b>
　　等离子隐形技术和等离子体雷达天线技术目前是等离子体最受关注的军事应用方向。不过，尽管这方面已经取得不少研究成果，目前对等离子隐形技术的价值目前仍然存在争议：一些专家认为等离子隐形技术难度太大，并没有可以预见的实用价值；但另一些专家则支持它的研究与发展，认为它是最有发展前途的隐形技术，最终将带来飞行器隐形技术的一场革命。
　　等离子体隐形技术如果说在应用上还存在问题，那么主要集中在能量和控制方面。除了涂敷放射性涂层，目前其他等离子体隐形途径所需要的能量太高，所以形成能包覆整个飞行器的离子层不太现实，只适合对重点强散射部位采用；而如果采用涂敷放射性涂层的方法，则显而易见这是一种难以控制的主动隐形途径，存在使用效益和使用安全性等问题。
　　等离子体隐形技术使用在航空飞行器上，将导致飞机一体化设计朝更高的方向发展：如果采用涂敷放射性涂层的方法，则需要考虑气动、结构和隐形的综合设计；采用其他方法还必须考虑全机的电功率问题，与作战飞机多电、全电化的发展趋势及采用内置能束武器的发展趋势对飞机综合设计提出的要求相吻合。而无论采用哪种等离子体隐形技术，可能都需要对飞行器的电空气动力学进行研究。
　　与所有创新的工程技术概念在其研究阶段所遭遇的一样，等离子体隐形技术目前受到质疑是可以理解的，但从长远看，等离子隐形技术终将投入广泛实用。
　　采用等离子体隐形技术，最重大的意义恐怕并不在于改变作战方式，而在于它可能极大地改变一些力量对比。目前，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。如果这些技术能够成熟并应用到EF2000“台风”这样的战斗机上，那么，在双方作战体系接近的情况下，从现在开始号称要统治天空40年的F/A－22“猛禽”在面对“台风”时，还会有什么难以逾越的决定性优势呢？


EF2000采用了局部隐身技术，正面雷达散射截面权据称在2千方米左右

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<P>张洋


F／A-22隐身设计左外形上最主要的体现是多个相互平行的前缘。图中可见进气道前缘，机翼前缘和平尾前缘、平尾后缘内侧相互平行
                     




                      　　<b>等离子体(我国台湾地区称为“电浆”)是宇宙中已知的五种基本物质形态之一，其他四种形态，除了大家熟悉的固态、液态和气态以外还有超密态(如中子星物质)。从物理本质上来说，等离子体是一种宏观上处于电中性、但不是由分子而是由离子组成的气体，这决定了它具有许多独特的性质，而对新技术嗅觉比狗还灵敏的军事家们早已注意到这些独特性质在军事上巨大的应用潜力，他们认为等离子体技术为武器的新发展提供了新的强有力的技术途径，率先掌握实用等离子体技术的国家将获得军事上的战略优势。现在世界各个军事大国都在积极展开相关技术研究，但从目前情况来看，等离子体技术的大部分研究仍然处在概念、理论和试验的初级发展阶段。</b>
　　<b>基本原理</b>
　　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。
　　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。
　　<b>研究情况</b>
　　于是，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。
　　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。
　　由于独立式等离子体发生器技术相对简单，因此其研究成果也最明显。根据公开报道，俄罗斯克尔德什研究中心已经开发出两代等离子隐形产品，并经地面模拟试验和飞机试验证实了其实用性。其第二代产品是独立式等离子体发生器，重量不到100公斤，发生器中的工质为具有电晕放电形式的气体。俄罗斯对该产品的公开描述是“不仅能够减弱雷达反射信号，而且还能够向敌方雷达发射一些假信号，使敌方难以正确判断目标位置和速度”。最近的报道显示，苏－27IB“鸭嘴兽”将成为俄第一种采用等离子体隐形的作战飞机。不过该机在外形设计上，例如机头的棱边也有隐形考虑。此外。美国还认为俄罗斯已在某种空射巡航导弹上采用该技术。
　　目前，已知的这种产品有俄罗斯克尔德什研究中心公布的其第一代等离子体隐形产品，即等离子发生片。这种发生片厚度为500～700微米，电压为数千伏（电流则为几百微安），贴在飞行器强散射部位使其周围空气电离形成等离子体层以实现隐形。该产品同样可以提供出口，但是其技术细节也没有详细透露。此外，法国航空刊物2000年的一篇文章描述了美国诺斯罗普·格鲁门公司B－2A“幽灵”战略轰炸机的电空气动力学特性。它认为B－2A也采用了这种等离子体隐形技术。报道称B－2A飞翼前缘与尾喷管之间电位差高达1.5兆伏，从而电离周围空气，使整个飞机处于一个等离子体的包覆层内实现隐形。如果B－2A确实采用了这种隐形技术，那么最值得关注的是它如何做到保持等离子体层的均匀性及如何使自身的电子设备能够正常地工作。
　　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报道看重点是在独立式等离子体发生器上。20世纪90年代后期以来，美国公开刊物上每年发表的有关等离子体隐形技术的论文远远超过包括俄罗斯在内的其他国家。
　　<b>未来展望</b>
　　等离子隐形技术和等离子体雷达天线技术目前是等离子体最受关注的军事应用方向。不过，尽管这方面已经取得不少研究成果，目前对等离子隐形技术的价值目前仍然存在争议：一些专家认为等离子隐形技术难度太大，并没有可以预见的实用价值；但另一些专家则支持它的研究与发展，认为它是最有发展前途的隐形技术，最终将带来飞行器隐形技术的一场革命。
　　等离子体隐形技术如果说在应用上还存在问题，那么主要集中在能量和控制方面。除了涂敷放射性涂层，目前其他等离子体隐形途径所需要的能量太高，所以形成能包覆整个飞行器的离子层不太现实，只适合对重点强散射部位采用；而如果采用涂敷放射性涂层的方法，则显而易见这是一种难以控制的主动隐形途径，存在使用效益和使用安全性等问题。
　　等离子体隐形技术使用在航空飞行器上，将导致飞机一体化设计朝更高的方向发展：如果采用涂敷放射性涂层的方法，则需要考虑气动、结构和隐形的综合设计；采用其他方法还必须考虑全机的电功率问题，与作战飞机多电、全电化的发展趋势及采用内置能束武器的发展趋势对飞机综合设计提出的要求相吻合。而无论采用哪种等离子体隐形技术，可能都需要对飞行器的电空气动力学进行研究。
　　与所有创新的工程技术概念在其研究阶段所遭遇的一样，等离子体隐形技术目前受到质疑是可以理解的，但从长远看，等离子隐形技术终将投入广泛实用。
　　采用等离子体隐形技术，最重大的意义恐怕并不在于改变作战方式，而在于它可能极大地改变一些力量对比。目前，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。如果这些技术能够成熟并应用到EF2000“台风”这样的战斗机上，那么，在双方作战体系接近的情况下，从现在开始号称要统治天空40年的F/A－22“猛禽”在面对“台风”时，还会有什么难以逾越的决定性优势呢？


EF2000采用了局部隐身技术，正面雷达散射截面权据称在2千方米左右

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