动态可调控等离子体隐身技术

第1章 绪论 1.1 研究背景 随着现代反隐身技术的发展，飞机、导弹等飞行器的隐身设计指标不断提高，为了尽量降低空中目标的可观测性，避免雷达等设备被探测和识别，新型隐身技术不断涌现。等离子体是由大量接近自由运动的带电粒子和中性粒子组成的、具有集体行为的准中性气体，是继物质存在的固态、液态和气态之后出现的第四种物质形态。任何普通气体在外界的高能作用下都有可能变为等离子体，这些高能作用包括高电压激励、高温处理、强激光照射以及高能粒子轰击等。在这个过程中，电子吸收的能量超过原子的电离能而成为自由电子，同时失去电子的原子成为带正电的离子，因自由电子数与离子数密度近似相等，故等离子体整体上呈现电中性。等离子体的粒子行为特征受到电磁场力的支配与作用，对电磁波的传播具有很大的影响。 1.1.1 隐身技术 飞机隐身技术是飞行器低可探测技术的俗称，其是指利用各类目标特征缩减技术减少己方飞行器被敌方探测系统截获的探测性信息特征，从而降低己方飞行器被敌方发现、跟踪、锁定的概率，使飞行器在战斗中的突防、生存等能力获得显著提高。尽管当前飞行器面对的探测威胁从雷达电磁域已经扩展至红外、射频、可见光和声等更多特征域，但在可以预见的未来雷达依然是防空武器*主要的探测手段，是飞行器探测威胁*主要的来源[1，2]。雷达隐身是通过各类电磁散射特征缩减技术衰减雷达波能量，或者将回波偏折至远离雷达的方向，其目标是减小飞机的雷达截面积(radar cross section，RCS)，缩短雷达对目标的探测距离[3]。 在1989年的巴拿马战争中，美国首次将隐身战斗机F-117A投入使用。在1991年海湾战争中，隐身战斗机F-117A凭借其良好的隐身性能，在战场中展示了极好的突防能力，再次令世界各国对隐身技术刮目相看。海湾战争后，美国加强了对隐身技术的研究，也引发了世界各军事强国研究隐身技术的热潮。当前，雷达隐身技术已经历了几十年的研究和发展，研究人员根据影响雷达波的传播和目标电磁散射的不同机理提出了多种实现隐身的手段，其中多项外形隐身和材料隐身技术已经经过了实战的检验[4]，其理论发展趋于成熟。与此同时，还有各类新概念隐身技术不断涌现，如等离子体隐身、超材料隐身等也引起了相关研究机构的关注[5，6]。在未来探测威胁复杂的战场环境中，隐身性能已成为先进飞行器的一个重要技术指标，高隐身性能的飞机将占据压倒性的优势。 在高隐身飞行器的研制中，外形隐身是设计者首先要考虑的雷达目标特征信号缩减手段。研究表明，外形复杂物体的目标RCS会随着雷达波入射角度的改变产生较大改变，不同相位的若干干涉可导致散射中心偏离几何中心。外形隐身利用气动外形设计技术改变战斗机的外形几何轮廓并遮挡强散射源，将目标在雷达探测方向的强反射特性转化为弱反射特性，可减少特定角域内的回波[7]。从隐身机理上考虑，由于外形隐身并不能削弱反射波的总能量，某个角域范围内RCS的缩减必然导致另外角域内RCS的增加，因此外形隐身只对重要威胁方向上有效，面对多站雷达和雷达组网技术的发展，外形隐身存在技术失效的风险。此外，外形隐身技术会对飞行器气动特性和弹药装载量产生一定的影响。 材料隐身是当前飞行器隐身广泛采用的技术，该技术利用雷达吸波材料(radar absorbing materials，RAM) 吸收入射雷达波的能量，显著降低雷达回波强度[8]。RAM的吸波原理是采用与空气阻抗相匹配的特殊材料作为边界表面，使入射雷达波在边界产生较少反射，内部采用介电常数虚部或者磁导率较高的材料，使进入内部的电磁波被*大限度地衰减。单一吸波材料单元的有效频段有限，因此为了满足飞行器雷达的宽频隐身需求，RAM通常由多个雷达吸收材料单元组成进而形成复合吸波材料[9]。 有源隐身技术又称主动隐身，是利用有源手段降低被发现概率技术的统称，当前是对外形隐身和材料隐身的有效补充，主要的有源隐身措施包括电子欺骗干扰、低截获概率雷达、有源对消等手段。其中，有源对消是指利用己方发射的电磁波抵消反射雷达波的能量，需要己方飞行器获取探照雷达波的入射角、强度、频段、极化和波形等信息，尽管上述原理比较简单，但在工程实现上却非常困难，还处于实验研究阶段[10]。 1.1.2 反隐身技术 飞行器隐身技术的快速发展对防空/防御系统提出了巨大的挑战。根据雷达工作原理，目标飞行器的RCS每下降10～20dB，雷达对该目标的探测距离减少至原距离的一半甚至更多，探测距离的急剧下降会导致雷达不能及时发现和连续跟踪目标，无法及时为防空系统和火力系统提供敌方目标的方位和速度信息[11]。为了应对隐身战斗机的巨大威胁，各国都非常重视反隐身探测技术的研究。由于当前外形和材料隐身技术都存在一定的缺陷，远不能实现全角度、全频段的雷达隐身，研究人员利用这些缺陷提出了多项反隐身手段。 针对外形隐身，主要反隐身途径总结为两类。**，改变雷达波的入射角度或者接收不同方向雷达回波实现反隐身。隐身飞行器的隐身重点一般在鼻锥方向，其RCS满足头部较小、尾部和两侧相对较大的分布规律。研究和实践证实，当双站雷达与目标的散射角大于130°时，目标的RCS会有显著的增大趋势[12]。因此，通过接收不同方位雷达回波来探测目标在不同方位的散射特征，可克服外形隐身对目标RCS的定向缩减，实现雷达反隐身。第二，当雷达波的波长接近飞行器的特征长度时，目标的散射处于谐振区，在目标反射波与爬行波之间会产生较强的谐振现象，对于米波段、超高频和甚高频等波段，飞行器的特征长度与雷达波长接近，外形隐身技术无法克服谐振作用而引起RCS的振荡[13]，例如，隐身战斗机F117A在微波波段RCS仅为0.01m2，而在谐振区却高达10～20m2。 针对材料隐身，主要采用扩展雷达频段的手段实现反隐身。针对L波段至X波段的雷达波，理想的谐振吸波材料是把吸收层与蒙皮作为特性阻抗与空气特性阻抗相同的一段末端短路的1/4波长有耗传输线，吸波材料的厚度取决于介质的正切损耗，而宽带吸收效能取决于对频率的依赖关系[14，15]。当前宽带吸收材料一般由不均匀损耗介质层组成，其厚度要大于*小衰减频率波长的1/4。对于预警雷达等较低频段，在实际应用中总厚度受限(1～3cm)的吸波材料不能满足对低频雷达波的衰减需求，增加吸波层厚度会导致飞行器的重量增加，降低飞行器的机动性和有效载荷。 下面以几种典型的反隐身雷达为例介绍反隐身雷达的基本特性。米波雷达的工作频段(甚高频/特高频)较低，在反隐身领域特别具有优势[16]：①目前雷达吸波材料有效频段尚无法覆盖到米波及其以下频段；②高隐身飞行器的外形总体呈尖锥体，米波雷达对尖锥体的探测距离与工作波长的平方根成正比()，其回波中谐振区特征较强；③反辐射导弹的接收天线不匹配米波雷达信号，无法精确获取米波雷达位置，生存力较好。但是米波雷达也存在一些明显的缺点：雷达信号处理能力差；波束宽，测量精度和分辨力太低；信号带宽普遍较窄、抗干扰能力较差等。 超视距雷达是利用电离层的反射或地表绕射等特殊方式传输雷达信号，其工作频段主要是短波波段[17]，如天波雷达，其作用距离不受地球曲率限制，可以探测到超远距离目标，实现对远程轰炸机的低空突防、对洲际导弹的发射预警等。例如，美国研制的ROTHR可移动式后向散射超视距雷达，其工作频率为4～30MHz，作用距离为800～3000km，与常规雷达相比，其空中目标的预警时间缩短至原来的1/5～1/10[18]。 超宽带雷达采用极窄脉冲信号，可以覆盖接近直流到数太赫兹(THz)的超宽频带[19]，具有较高的反隐身潜力，如冲击脉冲雷达或无载波雷达等。从频域角度看，当冲击脉冲信号照射目标飞机时，其反射波频谱包含了瑞利区、谐振区和光学区。在瑞利区，目标的RCS仅取决于目标体积；在谐振区，其探测能力接近于米波雷达。从时域角度来看，冲击脉冲雷达发射的脉冲宽度极窄，是一种瞬态的电磁作用，从瞬变电磁场和时域理论角度来分析，经典的雷达方程中目标的RCS和其他参数的定义都不再适用。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 等离子体产生技术研究现状 等离子体按其热力学平衡状态可分为高温等离子体、热等离子体和低温等离子体。由于拥有较高的电子能量和较低的离子及气体温度这一非平衡特性，低温等离子体在传统工业和高新技术领域中均有广泛的用途。当前，针对飞行器隐身应用的主要是低温等离子体，其关键技术是产生等离子体并维持一定的密度、范围和时间。下面对几种产生等离子体的典型方式、优缺点及其在飞行器隐身上应用的相关研究进行介绍。 1. 放射性同位素法 放射性同位素法是较早用于隐身研究的等离子体产生方式，利用放射性同位素在衰变过程中放出的具有高能量的射线，轰击空气分子使其电离，形成等离子体。20世纪70年代，研究发现在武器装备上涂覆一层放射性同位素，其产生的等离子体可有效降低武器的RCS[20]。但是，为了达到特定频段电磁波的衰减效果，需使用较大的辐射剂量，这可能对武器装备和人员都造成伤害，且该方法的成本昂贵，维护困难。 2. 微波放电法 微波等离子体是将微波功率通过波导和谐振腔馈入等离子体发生器中，产生强的交变电场使气体电离，从而产生并维持等离子体，一般采用的频率为2.45GHz。在20世纪90年代之前，微波等离子体源的研究集中在低气压环境中，短短十年后，大气压微波等离子体得到迅猛发展。英国Al-Shamma’a小组设计的微波等离子体喷射装置利用10kW的微波功率源在大气压下产生稳定的氦、氮、氩和空气等离子体，易于实现且成本较低[21，22]。西北工业大学杨涓等对微波等离子体的产生及电子密度分布规律与影响因素进行了研究，并对微波等离子体的隐身应用进行了探讨[23，24]。为突破密度限度，引入磁场，发展了电子回旋共振等离子体，可以形成高密度等离子体[25，26]。微波等离子体具有放电稳定、电磁兼容性好以及无电极烧蚀的优点，但放电系统较复杂、效率低，且激励源频率处于雷达敏感波段，所以该放电方式不适于作为隐身等离子体应用。 3. 电子束法 20世纪80年代，Vidmar等以氦气作为工质气体，采用电子束方式产生等离子体，经验证对0.1～10GHz的电磁波有一定的吸收作用[27]。Manheimer等研究了利用电子束产生大范围等离子体的方法，分析了将等离子体作为雷达反射体对其参数的需求[28，29]。国内研究小组对电子束等离子体产生过程进行了实验与仿真研究，分析了电子束电流波形、等离子体参数分布以及两者的关系[30-32]。采用电子束方式获得等离子体效率高、面积大且对气体加热小，但电子束发生器设备繁重，耗能大，不利于作为机载等离子体源。 4. 直流辉光放电法 在气体中放置两个金属电极并施加直流电压，增大电压直至击穿气体，形成等离子体，如图1.1所示。美国海军研究实验室(United States Naval Research Laboratory， NRL)Murphy等在低气压条件下以氧气为工质采用四种不同直流辉光放电模式产生等离子体，并对X波段电磁波的作用特性进行了研究[33]。白希尧等设计了可贴附强散射部位的薄片式等离子体器件，采用强电场电离放电方法，在放电间隙产生高密度等离子体，再通过外力作用将其输出发生器，外输等离子体密度可达1012cm?3[34，35]。直流辉光放电方式效率高、结构简单，适合作为微型等离子体发生器。但对于产生大面积等离子体，高气压、大间距导致气体难以击穿，能耗大，电极烧蚀强，不便于在飞行器上应用。 图1.1 直流辉光放电示意图 5. 介质阻挡放电法 介质阻挡放电(dielectric barrier discharge， DBD)是通过放电间隙的电流由大量快脉冲电流细丝组成，呈微通道放电结构。其放电结构简单，可根据环境设置多