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等离子体隐形之我见――问浩浩长空之中谁更遁于无形 中国有时也称为等离子体隐身plasma stealth。 一、实现等离子体隐形的主要困难 等离子体隐形最主要的好处在于：在进行飞行器外形结构设计的时候不必牺牲速度和机动性能。当然还有其它许多优越性，如可以减少30%以上的飞行阻力等。优点很多，意义也是显然的，这里主要来看一下缺点。 距离实用还远，主要问题： 1、大气压放电控制问题。 要在飞行器表面形成长时间稳定的大面积均匀等离子体决非易事。飞机要在空中不断变换姿态（转弯、俯冲等），难以想象怎样才能在各种情况下保持等离子体云的均匀性和稳定性。大气是复杂的，飞机不可避免穿越各种气流，等离子体云必然会受到周围气流的影响。飞机要在不同海拔高度飞行，而不同海拔的气压是不同的、大气成分也不同，所以大气压放电必须具有自动适应不同气压和气体成分的功能。弹道导弹要飞出大气层，在稀薄空气的条件下如何维持稳定放电？（除非使用等离子体发生器，携带工作气体）。一言以蔽之，别说在超音速飞行的战机上，就是在地面上，要在飞机表面形成长时间稳定的大面积均匀等离子体也决非易事，吹来一阵风都可能增大雷达反射截面。在复杂大气环境下大气压放电难以稳定控制是限制其实用的最大障碍。 2、大功率电源体积重量问题。 大气压放电需要超过千伏的高压，要形成覆盖整个飞行器的等离子体，需要大功率的电源，电源的重量是一个问题。因此要用大气压放电的方法产生包覆整个飞行器的等离子体层，似乎不太现实，只能用在重点强反射部位。 3、能耗大带来的燃料重量问题。 大气压放电需要大功率电源，能耗很大，飞机需要额外携带很多燃料，这实际上大大缩短了飞机的作战半径，使得无法应用于远距离作战。 4、屏蔽自身通讯问题 等离子体屏蔽雷达探测信号的同时也屏蔽了飞行器自身的导航、通讯、火控等电磁系统。使飞行器和外界失去了联系。 可见，问题都是大气压放电带来的。要采用大气压放电，顶多用在重点强反射部位，其它部位还得使用常规隐形方法。 1999年1月塔斯社的Nicolai Novichkov采访了俄罗斯科学院院士Anatoliy Korteev，声称俄罗斯克尔德什研究所出于经济上的考虑，而且因为已经研制了第三代等离子体隐形产品，所以要将其前两代产品提供出口，这件事在美国上下引起震动。USAF美国空军和NASA美国国家航空和宇航局早在20世纪60年代就已经开始秘密研究等离子体隐形技术，但是得到结论却是： 1、要覆盖交通工具表面，必须大功率电源才能产生足够量的低温等离子体。能耗太大，电源和燃料都太重。（如果用常规能源） 2、大气压放电极难稳定维持。在大气中高速运动的飞行器表面低温等离子体极难控制。磁约束系统太重，能耗太大，不可行。 3、等离子体产生器对于机载弹药极端危险。产生等离子体通常需要高压，甚至高频微波来电离气体。有引爆机载弹药的潜在危险。 4、等离子体屏蔽雷锾讲庑藕诺耐币财帘瘟朔尚衅髯陨淼牡己健⑼ㄑ丁⒒鹂氐鹊绱畔低场Ｊ狗尚衅骱屯饨缡チ肆怠?br> 可见，问题都是大气压下放电带来的。 已经公开报道的实现等离子隐形的方法有：1、等离子体发生器；2、大气压局域放电；3、飞行器表面涂敷放射性涂层。最后一种方法使用有放射性危险，维护困难，成本较高，这里不考虑。主要看前两种方法。 等离子体发生器是等离子隐形途径中研究得最早的。其工作原理是利用电源将工作气体在发生器内电离，然后利用压力差释放到飞行器外面形成等离子体层。显然，这种发生器具有结构简单、工作可靠、维护便利、成本低廉等优点，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在大气压下电离工作气体；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，缺乏足够的通用性；三是发生器体积较大、重量较高；四是难以形成大面积均匀等离子体覆盖层。 由于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。其第二代产品是独立式等离子体发生器，重量不到100公斤，发生器中的工质为电晕放电气体。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”。 大气压局域放电就是在飞行器表面布置电极，利用飞行器周围的静电能量来实现大气压下的放电。据称这是俄罗斯第三代等离子体隐形产品所使用的方法。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，当然这可能是流言。这种方法的主要问题仍然是怎样长时间稳定地维持大面积均匀等离子体。大气压下这种高压直流放电经常是以脉冲的形式存在，类似闪电。再考虑到大气中高速运动的飞行器表面气流瞬息万变，很难想象如何用这种方法形成一个稳定的等离子体层。 总结一下，现在实现等离子体隐形的主要困难在于大气压下放电并非易事。 二、能否避开大气压放电？ 实践经验告诉我，大气压下放电很难控制，而真空腔体内放电很容易实现，直流辉光放电就能形成大面均匀等离子体，如果要较高密度可以采用射频放电甚至微波放电。中频可以考虑介质阻挡放电，有多种实现方法，可供选择的余地很大。 我们不妨使用排除法。 1、射频和微波放电需要使用很粗的同轴线或波导，在飞行器表面布满同轴线或波导，会增加载荷，而且泄露出的电磁波可能被被动雷达探测出，基本排除。但是在舰艇、潜艇、战车等表面是可以使用的。 2、中频介质阻挡放电在电压过零点附近时刻等离子体密度低，如果雷达探测脉冲正好在这一时刻到达，那么反射截面大，有被探测出的可能，所以隐形效果差，基本排除。 3、直流辉光放电能够形成长时间稳定的大面均匀等离子体，通过提高电压、适当选择工作气体，提高密度也是可能的。可以选用彭宁效应比较强的工作气体，如氦气等惰性气体，甚至可以使用混合气体来提高等离子体密度。密度要达到11012cm-3并非难事。 可见，最简单的直流辉光放电就能满足要求。 如果采用真空腔体内放电，显然腔体材料必须选择透波的轻型结构材料。首选材料就是玻璃钢：glass fiber reinforced plastic玻璃纤维增强树脂。玻璃钢是以玻璃纤维(如玻璃纤维织物、短切毡、玻璃纤维毡)为增强材料，以合成树脂(如聚酯树脂、环氧树脂)为基体而制成的一种复合材料。不同树脂和不同玻璃纤维制品复合，可以做成各式各样性能不同的玻璃钢产品。玻璃钢是通常被用来制作雷达罩的材料，电磁波透过率在95%以上，几个毫米厚的玻璃钢对雷达波来说基本是透明的。而且重量轻、强度高、绝缘好、耐腐蚀、耐老化、耐高温。 玻璃钢是一种功能和结构特性兼具的新型复合材料，它有着其它许多材料不可比拟的优点。玻璃钢本来就是制造飞机表面的材料，例如机翼、机身蒙皮等。 首先，它的密度在1.4-2.0 g/cm3之间，只有钢的1/4-1/5，比铝小1/3左右，比强度超过一般钢材、合金钢、铝合金。因此，在火箭、导弹等要求减轻重量、提高效率的构件及产品中，具有卓越的成效。 玻璃钢不仅具有电绝缘性能好，在高频作用下仍能保持良好的介电性能，而且具有不受电磁作用，不反射无线电波，微波透过性好等优点。近代复合材料的第一个产品就是1940年制造的军用飞机的雷达天线罩。中国生产的雷达罩，最大的直径达44米，它能抵御45米/秒的风速，透波率为95%以上。 玻璃钢的导热系数相当低，只有金属的1/100-1/1000，有些玻璃钢的耐瞬时高温性能十分突出，是一种很好的耐烧蚀隔热材料。如美国“发现者”号航天飞机使用尼龙/酚醛或玻璃钢蜂窝加强的低密度烧蚀材料。它可起到有效保护航天飞机在穿越大气层时能够承受5000-10000K的高温高速气流的作用。 总之，玻璃钢具有轻质、高强、绝缘、耐蚀、耐热、防振等优点，成型工艺简单、方便，生产周期短，是一种功能和结构特性兼具的新型材料。 玻璃钢是制作等离子体放电腔体的极佳材料。这是因为： 1、轻质、高强、耐腐蚀、耐老化。玻璃钢本来就是制造飞机表面的材料，例如机翼、机身蒙皮等，只不过这里透波性能是首选因素。 2、绝缘、透波。是绝缘体，在高压下不易击穿。透波频带宽，覆盖普通雷达频率范围。 3、耐瞬时高温。是一种很好的耐烧蚀隔热材料。玻璃钢长期耐高温性与金属相比，相差甚远，它的机械强度会有明显下降。即使耐高温玻璃钢如环氧树脂玻璃钢、双马来聚酰亚胺玻璃钢，长期工作温度只能在200-300℃之内。玻璃钢耐高温、耐腐蚀性能和玻璃接近，玻璃是低温等离子体的常用腔体材料，因此玻璃钢也同样适用。 4、低温性能良好。它不会像金属材料那样出现低温脆性，有试验表明－70℃左右玻璃钢层板的冲击韧性有随温度下降而上升的趋势。 5、不透可见光，红外透过率也低。表面刷上漆可以实现红外隐形。 6、成型工艺简单。是一种热固型材料，只要模具能加工出来，什么复杂的形状和结构都能铸造出来。可以根据飞行器表面铸造出不同形状和大小的玻璃钢瓦片。 7、廉价、工艺成熟、来源广泛。是普通材料，我国玻璃钢工业从解放后开始起步，现在已形成规模，而且北京、上海有专门的玻璃钢研究所，技术力量强大。 三、玻璃钢瓦片实现等离子体隐形 一种实现等离子体隐形的可能方案就是：用玻璃钢透波材料制造瓦片覆盖飞行器表面，瓦片的形状和大小可以根据飞行器表面的特定部位铸造。每片瓦片中间是一个真空腔体，里面封装了一定的工作气体，瓦片底部布电极，机载发电机提供电源，通过网状排列的电线为每片瓦片供电。形象的说，每片瓦片就相当于一盏霓虹灯，因为是真空下放电，所以功耗和大气压下放电相比微不足道。对电源的要求低，电压、功率都降下来了，相应的电源体积、重量，以及燃料的消耗问题都不存在了。因为是在腔体内放电，不受外界气流的影响，无论周围大气多复杂、气压变化多大、空气成分如何、飞行器运动多快、飞行姿态如何、甚至在空气稀薄的大气层之外也没有任何影响。非常容易实现长时间稳定的大面积均匀等离子体。通过设计特定的瓦片结构，可以用螺丝将瓦片固定在飞机表面，甚至可以使用玻璃钢铸造的螺丝。拆卸更换非常方便，维护成本低廉，就相当于换灯泡。另外，控制极为方便，打开、关闭隐形功能，就相当于开关电灯。需要和外界通讯的时候可以自动关闭遮蔽天线的隐形罩，而不影响其它部位的隐形，并且可以做到通讯和隐形控制同步，使暴露目标的几率降到最低。 因为玻璃钢是一种廉价的、工艺成熟的、来源广泛的普通材料，瓦片结构简单，制造工艺要求低，可以大规模工业化生产，在短期内投入使用，大规模武装军队。而且更重要的是，因为瓦片真空腔体内放电产生的等离子体不受外界环境的影响，而且功耗低，所以除了用在战机、导弹等飞行器上，还能够用在海上的舰艇、潜艇等，陆上的导弹发射车、移动雷达站等战车上。应用范围极为广泛，几乎覆盖所有军事交通工具。 可见，大气压下放电存在的所有问题，如放电控制、电源功耗、电源和燃料重量、屏蔽自身通讯等问题，它都不存在。大规模使用这种等离子体隐形技术必将彻底改变军事力量的对比。下面具体谈一下玻璃钢瓦片的结构设计。 四、玻璃钢瓦片结构设计 上图是一片玻璃钢瓦片的结构设计透视图，下图是其消隐图。前端是楔形结构，用于瓦片之间的连接，同时避免暴露被遮蔽的表面。后端两个螺丝孔用于把瓦片固定在飞行器表面。用平头螺丝，压住下面的玻璃钢板。瓦片中间的真空腔体内封装一定量的工作气体，电极布在底面上，电极布置的疏密可根据电源来设计，使得电压和电流合理匹配使功耗最低。大面积均匀等离子体在瓦片的腔体内产生，类似一盏霓虹灯。瓦片的形状和大小可以根据飞行器表面的特定部位铸造，这里显示的是一片平瓦片，只是起到抛砖引玉的作用。因为作为飞行器表面，需要保证一定的结构强度，所以玻璃钢腔体壁需要有几个毫米的厚度。瓦片的整个厚度就决定了等离子体的厚度，可以根据实际需要折中选择，1厘米厚已足够。瓦片的大小也可以根据特定部位的形状来设计。总之设计的灵活性很大。 上图是四片玻璃钢瓦片组装在一起的鳞片状结构透视图，下图是其消隐图。可见每片瓦片只需要两个螺丝固定后端，前端通过楔形结构相互嵌套，两片压一片，层层相压，形成鳞片状结构。这种组装结构十分简单，螺丝用量少，不需要胶粘，而且可以避免暴露被遮蔽的表面。值得注意的是螺丝也被遮蔽了起来。组装后外表面是平面，刷上漆则从外表看不出任何隐形的痕迹，而且不会暴露红外特征，在作战中具有一定的迷惑性。 总之，有一点是必须强调的，这就是：之所以采用瓦片结构和鳞片状组装方式是为了便于大规模标准化生产和武装军队。瓦片作为可拆卸、更换的标准零部件，使用极为方便，维护成本低廉。而且万一在作战中坏了一块，只需要切断这一块的电源，不影响其它瓦片的正常工作。 另外，因为瓦片用玻璃钢制造，所以可以和夹层结构吸波复合材料有机结合，在瓦片外表面可以再加一层雷达吸波结构复合材料，用同样的透波玻璃钢，其夹芯制成蜂窝、波纹或角锥结构，在夹芯壁上涂覆铁氧体等吸波涂层或在夹芯中填充轻质泡沫型吸收材料，构成夹层结构吸波材料。起到双保险的作用，进一步减小雷达反射截面。 五、总结 现在，实现等离子体隐形的主要困难都是大气压下放电带来的。如果避开大气压放电，采用透波材料制作的真空腔体内放电是可行的。最简单的直流辉光放电就能满足要求。用玻璃钢透波材料制造瓦片覆盖飞行器表面,瓦片中间的真空腔体内封装一定工作气体,大面积均匀等离子体在瓦片的腔体内产生，类似一盏盏霓虹灯。瓦片组装成鳞片状，机载发电机提供电源。这一等离子体隐形方案避开了大气压下放电存在的所有问题。控制简单，类似控制电灯，功耗小，消耗燃料少，对电源的要求低，重量轻，不受环境影响，可以解决屏蔽自身通讯问题。总之，易于实现长时间稳定的大面积均匀等离子体。 更重要的是：成本低廉、使用简单、工作可靠、维护方便、结构简单、便于大规模标准化生产，可以在一两年内大规模武装军队。除了用在战机、导弹等飞行器上，还能够用在海上的舰艇、潜艇等，陆上的导弹发射车、移动雷达站等战车上。应用范围极为广泛，几乎覆盖所有军事交通工具。大规模使用这种等离子体隐形技术必将彻底改变军事力量的对比。 本文的主要参考文献来自一个等离子体隐形技术的专门网站Venik’s Aviation“(苏联)金星探测器的航空学” http://www.aeronautics.ru/archive/plasma/。 |
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