等离子体隐身技术的研究已经有五十多年的历史。1957年,苏联发射第一颗人造卫星“斯普特尼克1号”时,有关科学家就发现了球形人造卫星的电磁散射特性与普通金属球差别很大的奇怪现象,分析表明这是由于卫星穿越大气层时与空气剧烈摩擦产生高温,从而在其表面产生等离子体所导致的。然而在接下来的二三十年内,针对等离子体对电磁波作用的研究并没有取得显著的发展。等离子体隐身技术的研究才有长足的进展,形成大量的研究成果,要到20世纪九十年代以后。在国外尤其是美国和俄罗斯已有将等离子隐身技术用于飞机上的实例,等离子体的隐身特性成为现今国际社会受到高度重视的研究热点。30427
所说的隐身是指目标对雷达的隐身,为了在敌方雷达的探测下保护目标不被发现,需要降低目标的雷达反射特性,其核心方法是降低目标的雷达散射截面(RCS)[5-6],国际上主要采用的传统隐身技术有以下两种:
(1)外形隐身技术
外形隐身技术是应用最广、发展最成熟、效果最好的传统隐身技术。它的实质是通过改变目标飞行器的表面反射特性,在重要威胁的方向大大降低雷达散射截面。外形隐身技术主要通过改变飞机外部形状,实现预定方向上的隐身。这种隐身方式在实际中应用非常广泛,也取得了相当优秀的隐身效果。然而外形隐身技术也存在缺点,例如由于只是对飞机外部形状的改变,在某些方向上雷达散射截面减小,那么必然在其他的某些方向上雷达散射截面增加,因此这种方式对于威胁方向上的雷达可以实现隐身,但对于其他方向上的雷达,则失去隐身效果。另外由于要改变飞机的外形,会影响飞机的平衡性和气动力学特性。论文网
(2)材料隐身技术
材料隐身技术即在目标的表面涂上一层具有吸收电磁波特性的雷达吸波材料(RAM)。由于电磁波具有电场和磁场分量,雷达吸波材料分为电吸收和磁吸收两种。与外形隐身技术只能改变RCS不同方向的分布不同,雷达吸波材料可以在各个方向上吸收电磁波,从而在各个方向上都能实现隐身效果。然而传统的材料隐身技术具有涂覆材料过于脆弱或者笨重等缺点,制约了其在实际中的作用。
等离子体即电离气体是自然界物质存在形式之一,独立于固体、液体和气体之外。等离子体中有相等数量的自由电子和正离子,并且有额外的中性粒子。等离子体是一种新型的雷达吸波材料,其原因是等离子体对电磁波具有吸收特性。它具有传统雷达吸波材料不具备的优势,例如它对电磁波的能量有着巨大的损耗,它作用的入射波频带更宽等等[7]。由于等离子体具备诸多独有的优势,因此受到格外重视。在机身表面覆盖一层等离子体层,可以对各个方向上的雷达波进行吸收衰减,大大降低了敌方雷达的探测能力。这种涂层还具有价格便宜,装备轻便等特点。
等离子体隐身的传统研究方法主要有两种,分别是有限时域差分法(FDTD)和WKB法。有限时域差分是对麦克斯韦方程中的电场和磁场分量在时间和空间上进行离散[8],达到数值计算的目的。该方法在等离子体与电磁波相互作用领域有着广泛应用,得到了大量的研究成果。WKB方法是一种解析法,在等离子体隐身领域有着重要的意义,是研究等离子体隐身时使用最多的解析方法[9]。本文采用了与以上两种不同的研究方法,即有限元方法。用有限元方法建立模型可以方便的计算电磁波在等离子体中的传播,具有建模方便、计算时间短的优点。
等离子体隐身技术的研究已有半个世纪之长,由于其在国防中的重要地位,各国都将研究进展都视为绝对机密[10,11]。目前等离子体隐身技术虽然在国外有应用实例,但距大规模装备与应用仍存在技术上的问题,有待进一步的研究与解决。目前的研究重点主要在电磁波与等离子体的相互作用和等离子体隐身优化上。等离子体对电磁波有反射和吸收作用,有很多参数会产生影响,例如等离子体的自由电子密度和温度,等离子体频率,入射波的频率和入射角度等等[12,13]。研究结果表明等离子体隐身技术在理论上是有充分依据的,在合适的参数设置下,等离子体隐身效果会大大加强。
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