Плазменная невидимость - Plasma stealth

Плазменная невидимость предлагаемый процесс использования ионизированного газа (плазма ) для уменьшения поперечное сечение радара (RCS) самолет. Взаимодействие между электромагнитное излучение и ионизированный газ были тщательно изучены для многих целей, в том числе для сокрытия самолетов от радаров в качестве стелс-технология. Вероятно, различные методы могли бы сформировать слой или облако плазмы вокруг средство передвижения отклонять или поглощать радар от более простых электростатических или радиочастота разряды в более сложные лазерные разряды.[1] Теоретически можно уменьшить RCS таким способом, но на практике это может быть очень сложно. Некоторые российские системы, например в 3М22 Циркон Сообщается, что в ракете (SS-N-33) используется плазменная невидимость.

Первые претензии

В 1956 году Арнольд Элдридж из General Electric подал заявку на патент на «Метод и устройство маскировки объекта», в котором предлагалось использовать ускоритель частиц в самолете для создания облака ионизации, которое «... преломляет или поглощает падающий радар. балки ". Неясно, кто финансировал эту работу, и был ли ее прототип и испытан. Патент США 3,127,608 был выдан в 1964 году.[2]

Во время Project OXCART работа Локхид А-12 самолет-разведчик, ЦРУ финансировало попытку уменьшить RCS А-12. входные конусы. Известный как проект KEMPSTER, он использовал генератор электронного луча для создания облака ионизации перед каждым входом. Система прошла летные испытания, но никогда не использовалась на действующих А-12 или СР-71с.[3]

В 1992 г. исследовательская лаборатория Хьюза провела исследовательский проект по изучению распространения электромагнитных волн в немагниченной плазме. Серия высоковольтных разрядников использовалась для генерации УФ-излучения, которое создает плазму за счет фотоионизации в волноводе. Обтекатели ракет с плазменным наполнением были испытаны в безэховой камере на ослабление отражения.[4] Примерно в то же время Р. Дж. Видмар изучал использование плазмы атмосферного давления в качестве электромагнитных отражателей и поглотителей.[5] Другие исследователи также изучали случай неоднородной замагниченной плазмы.[6]

Несмотря на очевидную техническую сложность разработки плазменного невидимого устройства для боевых самолетов, есть утверждения, что система была предложена на экспорт компанией Россия в 1999 г. В январе 1999 г. ИТАР-ТАСС информагентство опубликовало интервью с доктором Анатолий Коротеев, директор Научно-исследовательского центра имени М.В. Келдыша (НИИ тепловых процессов ФКА), который рассказал о плазменном стелс-устройстве, разработанном его организацией. Заявление было особенно интересно в свете солидной научной репутации доктора Коротеева и Института тепловых процессов,[нужна цитата ] которая является одной из ведущих научно-исследовательских организаций в мире в области фундаментальной физики.[7]

В Журнал электронной защиты сообщил, что разработанная в России «технология создания плазменных облаков для скрытых приложений» снижает RCS самолета в 100 раз (20 дБ). Согласно этой статье от июня 2002 г., российское плазменное стелс-устройство испытывалось на борту Сухой Су-27 Истребитель-бомбардировщик ИБ. Журнал также сообщил, что аналогичные исследования по применению плазмы для снижения RCS проводятся Корпорация точной автоматизации (Чаттануга, Теннесси ) и Университет Старого Доминиона (Норфолк, Вирджиния) в США; и по Dassault Aviation (Сен-Клу, Франция) и Фалес (Париж, Франция).[8]

Плазма и ее свойства

Основная статья: Плазма (физика)

Плазма - это квазинейтральный (общий электрический заряд близка к нулю) смесь ионы (атомы которые были ионизированы и поэтому имеют чистый положительный заряд), электроны, и нейтральные частицы (неионизированные атомы или молекулы). Большинство плазм ионизируются только частично, на самом деле степень ионизации обычных плазменных устройств, таких как люминесцентные лампы, довольно низка (менее 1%). Почти все вещество во Вселенной представляет собой плазму очень низкой плотности: твердые тела, жидкости и газы редко встречаются вдали от планетных тел. Плазма имеет множество технологических применений, от флуоресцентного освещения до плазменной обработки при производстве полупроводников.

Плазма может сильно взаимодействовать с электромагнитным излучением: вот почему плазма может использоваться для изменения радиолокационной сигнатуры объекта. Взаимодействие между плазмой и электромагнитным излучением сильно зависит от физических свойств и параметров плазмы, в первую очередь от температуры электронов и плотности плазмы.

  • Характеристическая плазменная частота электронов, частота, с которой колеблются электроны (плазменное колебание ):

Плазма может иметь широкий диапазон значений как температуры, так и плотности; температура плазмы колеблется от близкой к абсолютному нулю и намного выше 109 кельвины (для сравнения, вольфрам плавится при 3700 кельвинах), а плазма может содержать менее одной частицы на кубический метр. Электронная температура обычно выражается в электронвольтах (эВ), а 1 эВ эквивалентно 11604 К. Обычная температура и плотность плазмы в люминесцентных лампах и процессах производства полупроводников составляют около нескольких эВ и 109-12на см3. В широком диапазоне параметров и частот плазма является электропроводной, и ее реакция на низкочастотные электромагнитные волны аналогична реакции металла: плазма просто отражает падающее низкочастотное излучение. Низкочастотный означает, что он ниже характеристического электрона. плазменная частота. Использование плазмы для управления отраженным электромагнитным излучением от объекта (плазменная невидимость) возможно на подходящей частоте, где проводимость плазмы позволяет ей сильно взаимодействовать с приходящей радиоволной, и волна может либо поглощаться, либо преобразовываться в тепловую. энергия, либо отраженная, либо передаваемая в зависимости от соотношения между частотой радиоволн и характеристической плазменной частотой. Если частота радиоволны ниже плазменной частоты, она отражается. если он выше, то передается. Если эти двое равны, возникает резонанс. Есть еще один механизм, позволяющий уменьшить отражение. Если электромагнитная волна проходит через плазму и отражается от металла, а отраженная волна и приходящая волна примерно равны по мощности, то они могут образовывать два вектора. Когда эти два вектора находятся в противофазе, они могут компенсировать друг друга. Чтобы получить существенное ослабление радиолокационного сигнала, плазменная пластина должна иметь соответствующую толщину и плотность.[9]

Плазма поддерживает широкий диапазон волн, но для немагнитной плазмы наиболее актуальными являются Волны Ленгмюра, соответствующий динамическому сжатию электронов. В случае намагниченной плазмы может возбуждаться множество различных волновых мод, которые могут взаимодействовать с излучением на частотах радара.

Плазма на аэродинамических поверхностях

Плазменные слои вокруг самолета рассматривались не для скрытности. Есть много исследовательских работ по использованию плазмы для уменьшения аэродинамического тащить. Особенно, электрогидродинамический Муфта может использоваться для ускорения воздушного потока вблизи аэродинамической поверхности. Одна бумага[10] рассматривает использование плазменной панели для контроля пограничного слоя на крыле на малой скорости аэродинамическая труба. Это демонстрирует возможность образования плазмы на обшивке самолета. Радиоактивный ксенон ядерный яд или изотопы полония, когда они успешно суспендированы в образовавшихся слоях плазмы или легированы в корпус транспортных средств, могут быть использованы для уменьшения поперечного сечения радара путем создания слоя плазмы на поверхности.[11] Если настраивается, это может защитить от оружия HMP / EMP и HERF или действовать как оптические приводы давления излучения.[требуется разъяснение ]

Компания Boeing подала серию патентов, связанных с концепцией плазменной невидимости. В патенте США №7744039 B2, июнь 2010 г. описана система для управления воздушным потоком с помощью электрических импульсов. В патенте США 7,988,101 B2, август 2011 г., устройство генерации плазмы используется для создания потока плазмы на заднем фронте, который может изменять его RCS. В патенте США 8 016 246 B2, сентябрь 2011 г., система плазменного привода используется для маскировки отсека для оружия на истребителе, когда он открыт. В патенте США 8016247 B2 подробно описана система плазменного исполнительного механизма, которая в основном представляет собой устройство для разряда с диэлектрическим барьером. В US 8,157,528 B1, апрель 2012 г. описана каскадная матрица с плазменным приводом для использования на лопасти ротора. В US 8220753 B2 Jul. 2012 описана система для управления воздушным потоком на поверхности крыла с помощью импульсного разряда.

Поглощение ЭМ излучения

Когда электромагнитный волны, такие как сигналы радаров, распространяются в проводящую плазму, ионы и электроны смещаются в результате изменяющихся во времени электрических и магнитных полей. Волновое поле придает энергию частицам. Частицы обычно возвращают некоторую часть энергии, которую они получили, в волну, но некоторая энергия может постоянно поглощаться в виде тепла посредством таких процессов, как рассеяние или резонансное ускорение, или передаваться другим типам волн посредством преобразование режима или нелинейные эффекты. Плазма может, по крайней мере в принципе, поглощать всю энергию набегающей волны, и это ключ к невидимости плазмы. Однако плазменная невидимость подразумевает существенное сокращение летательного аппарата. RCS, что затрудняет (но не обязательно невозможно) обнаружение. Сам факт обнаружения самолета радаром не гарантирует точного определения цели, необходимого для перехвата самолета или поражения его ракетами. Уменьшение RCS также приводит к пропорциональному уменьшению дальности обнаружения, позволяя самолету приблизиться к радару до того, как его обнаружат.

Центральным вопросом здесь является частота входящего сигнала. Плазма просто будет отражать радиоволны ниже определенной частоты (характерной электронной плазменной частоты). Это основной принцип коротковолновой радиосвязи и связи на большие расстояния, потому что низкочастотные радиосигналы отражаются между Землей и ионосферой и поэтому могут распространяться на большие расстояния. Загоризонтные радары раннего предупреждения используют такие низкочастотные радиоволны (обычно ниже 50 МГц). Однако большинство военных радаров воздушного базирования и противовоздушной обороны работают в диапазонах ОВЧ, УВЧ и микроволновых диапазонов, которые имеют частоты выше, чем характерная плазменная частота ионосферы, поэтому микроволновое излучение может проникать в ионосферу, и связь между землей и спутниками связи демонстрирует возможность. (Немного частоты могут проникать в ионосферу).

Плазма, окружающая самолет, может поглощать входящее излучение и, следовательно, уменьшать отражение сигнала от металлических частей самолета: в этом случае самолет будет фактически невидимым для радаров на большом расстоянии из-за принимаемых слабых сигналов.[9] Плазма также может быть использована для изменения отраженных волн, чтобы сбить с толку радарную систему противника: например, изменение частоты отраженного излучения нарушит доплеровскую фильтрацию и может затруднить различение отраженного излучения от шума.

Контроль свойств плазмы, таких как плотность и температура, важен для работающего плазменного невидимого устройства, и может потребоваться динамическая регулировка плотности плазмы, температуры или комбинаций, или магнитного поля, для эффективного поражения различных типов радарных систем. Огромное преимущество Plasma Stealth перед традиционными методами радиочастотной невидимости, такими как преобразование формы в Геометрия LO[требуется разъяснение ] и использование радиопоглощающие материалы заключается в том, что плазма перестраиваемая и широкополосная. Столкнувшись с радаром со скачкообразной перестройкой частоты, можно, по крайней мере в принципе, изменить температуру и плотность плазмы, чтобы справиться с ситуацией. Самая большая проблема - создать плазму большой площади или объема с хорошей энергоэффективностью.

Технология плазменной невидимости также сталкивается с различными техническими проблемами. Например, сама плазма испускает электромагнитное излучение, хотя обычно оно слабое и шумоподобное по спектру. Кроме того, требуется некоторое время для повторного поглощения плазмы атмосферой и образования следа ионизированного воздуха за движущимся самолетом, но в настоящее время не существует метода обнаружения этого вида плазменного следа на большом расстоянии. В-третьих, плазма (например, тлеющие разряды или флуоресцентные лампы) имеет тенденцию испускать видимое свечение: это несовместимо с общей концепцией низкой наблюдаемости. Однако существующие оптические устройства обнаружения, такие как FLIR, имеют меньшую дальность действия, чем радар, поэтому Plasma Stealth все еще имеет рабочее пространство. И последнее, но не менее важное: чрезвычайно сложно создать радиопоглощающую плазму вокруг всего летательного аппарата, движущегося с высокой скоростью, при этом требуется огромная электрическая мощность. Тем не менее, существенного снижения RCS самолета все же можно достичь за счет генерации поглощающей радар плазмы вокруг наиболее отражающих поверхностей самолета, таких как лопасти вентилятора турбореактивного двигателя, воздухозаборники двигателя, вертикальные стабилизаторы и бортовая радиолокационная антенна.

Было проведено несколько вычислительных исследований по методике уменьшения поперечного сечения радара на основе плазмы с использованием трехмерного конечно-разностного моделирования во временной области. Chaudhury et al. с помощью этого метода исследовали затухание электромагнитных волн в плазме профиля Эпштейна.[12] Чанг изучил радиолокационные перекрестные изменения металлического конуса, когда он покрыт плазмой, явление, которое происходит при входе в атмосферу.[13] Чанг смоделировал радиолокационное поперечное сечение обычного спутника, а также радиолокационное поперечное сечение, когда оно покрыто искусственно созданными плазменными конусами.[14]

Теоретическая работа со Спутником

Из-за очевидного военного применения этого предмета, существует немного доступных экспериментальных исследований влияния плазмы на радиолокационное сечение (RCS) самолета, но взаимодействие плазмы с микроволнами - хорошо изученная область общей физики плазмы. Стандартные справочные тексты по физике плазмы являются хорошей отправной точкой и обычно посвящают некоторое время обсуждению распространения волн в плазме.

Одна из самых интересных статей, связанных с воздействием плазмы на ЭПР самолета, была опубликована в 1963 г. IEEE. Статья озаглавлена ​​"Радиолокационные сечения проводящих сфер и круглых цилиндров с диэлектрическим или плазменным покрытием"(Протоколы IEEE по антеннам и распространению радиоволн, сентябрь 1963 г., стр. 558–569). Шесть лет назад, в 1957 г., Советы запустили первый искусственный спутник Земли. Спутник было замечено, что его электромагнитные свойства рассеяния отличались от того, что ожидалось от проводящей сферы. Это было связано с путешествием спутника внутри плазменной оболочки: ионосфера.

Простая форма спутника служит идеальной иллюстрацией воздействия плазмы на RCS самолета. Естественно, самолет имел бы гораздо более сложную форму и был бы сделан из большего разнообразия материалов, но основной эффект должен остаться прежним. В случае полета Спутника через ионосфера на высокой скорости и окруженный естественной плазменной оболочкой, возникают два отдельных отражения радара: первое от проводящей поверхности спутника, а второе - от диэлектрической плазменной оболочки.

Авторы статьи установили, что диэлектрическая (плазменная) оболочка может как уменьшать, так и увеличивать эхо-площадь объекта. Если одно из двух отражений значительно больше, то более слабое отражение не будет сильно влиять на общий эффект. Авторы также заявили, что электромагнитный сигнал, который проникает через плазменную оболочку и отражается от поверхности объекта, будет падать по интенсивности при прохождении через плазму, как было объяснено в предыдущем разделе.

Наиболее интересный эффект наблюдается, когда два отражения имеют одинаковый порядок величины. В этой ситуации два компонента (два отражения) будут добавлены как фазоры и результирующее поле будет определять общую RCS. Когда эти два компонента не совпадают по фазе друг с другом, происходит отмена. Это означает, что при таких обстоятельствах RCS становится нулевым, и объект полностью невидим для радара.

Сразу становится очевидным, что выполнение аналогичных числовых приближений для сложной формы самолета будет затруднительно. Это потребует большого объема экспериментальных данных для конкретного планера, свойств плазмы, аэродинамических аспектов, падающего излучения и т. Д. Напротив, первоначальные расчеты, обсуждаемые в этой статье, были выполнены несколькими людьми на IBM 704 компьютер, сделанный в 1956 году, и в то время это была новая тема с очень небольшим исследовательским опытом. С 1963 года в науке и технике изменилось так много, что различия между металлической сферой и современным боевым самолетом меркнут по сравнению.

Простым применением плазменной невидимости является использование плазмы в качестве антенны: металлические антенные мачты часто имеют большое поперечное сечение радара, но полая стеклянная трубка, заполненная плазмой низкого давления, также может использоваться в качестве антенны и полностью прозрачна для радара, когда не используется.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ И.В. Адамович; Дж. У. Рич; А.П. Чернухо; Жданок С.А. (2000). «Анализ энергетического баланса и устойчивости неравновесной воздушной плазмы высокого давления» (PDF). Материалы 31-й конференции AIAA по плазмодинамике и лазерам, 19–22 июня 2000 г.. С. Документ 00–2418. Архивировано из оригинал (PDF) 10 сентября 2006 г.
  2. ^ США 3127608, Элдридж, Арнольд, «Метод и устройство маскировки объектов», опубликовано 6 августа 1956 г., выпущено 31 марта 1964 г. 
  3. ^ Предполагаемый преемник U-2: Project Oxcart 1956-1968, одобрен к выпуску ЦРУ в октябре 1994 года. Дата обращения: 26 января 2007 г..
  4. ^ Грегуар, Д. Дж .; Santoro, J .; Шумахер, Р. В. (1992). Распространение электромагнитных волн в безмагниченной плазме.. Управление научных исследований ВВС. Архивировано из оригинал на 2016-03-04. Получено 2015-04-14.
  5. ^ Видмар, Роберт Дж. (Август 1990 г.). «Об использовании плазмы атмосферного давления в качестве электромагнитных отражателей и поглотителей». IEEE Transactions по науке о плазме. 18 (4): 733–741. Bibcode:1990ITPS ... 18..733В. Дои:10.1109/27.57528.
  6. ^ Ларусси М. и Рот Дж. Р. «Численный расчет отражения, поглощения и пропускания микроволн неоднородной плазменной пластиной», IEEE Trans. Plasma Sci. 21, 366 (1993)
  7. ^ Николай Новичков.Российские ученые создали революционные технологии снижения радиолокационной заметности самолетов. «ИТАР-ТАСС», 20 января 1999 г.
  8. ^ Фишер, Михал и Ежи Грушински. «Россия работает над стелс-плазмой». Журнал электронной защиты, Июнь 2002 г.
  9. ^ а б Шен Шоу Макс Чунг (2013). «Глава 1: Манипуляции с поперечными сечениями радара с помощью плазмы». Ин Ван, Вэнь-Цинь (ред.). Радиолокационные системы: технологии, принципы и применение (1-е изд.). Хауппог, Нью-Йорк: Издательство NOVA. С. 1–44. Дои:10.13140/2.1.4674.4327. ISBN  978-1-62417-884-9.
  10. ^ Дж. Рис Рот; Balkey, M. M .; Keiter, P. A .; Scime, E. E .; Keesee, A.M .; Солнце, X .; Hardin, R .; Комптон, С .; и другие. (2003). «Ускорение аэродинамического потока с использованием параэлектрических и перистальтических электрогидродинамических (EHD) эффектов плазмы однородного тлеющего разряда в одной атмосфере (OAUGDP)». Физика плазмы. 10 (5): 2127–2135. Bibcode:2003ФПЛ ... 10,2127К. Дои:10.1063/1.1563260.[неудачная проверка ]
  11. ^ Август, Генри (23 января 1973 г.). «Поглощение энергии плазмой, произведенной радиоизотопом». ВПТЗ США 3 713 157.
  12. ^ Бхаскар Чаудхури и Шашанк Чатурведи (2009). «Исследование и оптимизация плазменного радиолокационного уменьшения поперечного сечения с использованием трехмерных вычислений». IEEE Transactions по науке о плазме. 37 (11): 2116–2127. Bibcode:2009ITPS ... 37.2116C. Дои:10.1109 / TPS.2009.2032331.
  13. ^ Чунг, Шен Шоу Макс (8 февраля 2012 г.). «Моделирование методом FDTD на радиолокационных сечениях металлического конуса и металлического конуса, покрытого плазмой». Вакуум. 86 (7): 970–984. Bibcode:2012Vacuu..86..970M. Дои:10.1016 / j.vacuum.2011.08.016.
  14. ^ Чунг, Шен Шоу Макс (30 марта, 2016). «Моделирование изменения поперечного сечения стандартного спутникового радара с помощью искусственно созданных плазменных брызг». Наука и технологии источников плазмы. 25 (3): 035004. Bibcode:2016PSST ... 25c5004C. Дои:10.1088/0963-0252/25/3/035004.