Плазменная невидимость
Предлагаемая технология малозаметности для самолетов

Плазменная скрытность — это предлагаемый процесс использования ионизированного газа ( плазмы ) для уменьшения эффективной площади рассеяния (ЭПР) самолета . Взаимодействие между электромагнитным излучением и ионизированным газом широко изучалось для многих целей, включая сокрытие самолета от радаров в качестве технологии скрытности . Различные методы, вероятно, способны сформировать слой или облако плазмы вокруг транспортного средства для отклонения или поглощения радара, от более простых электростатических или радиочастотных разрядов до более сложных лазерных разрядов. [1] Теоретически возможно уменьшить ЭПР таким образом, но на практике это может быть очень сложно сделать. Сообщалось, что некоторые российские ракеты, например, ракеты 3М22 «Циркон» (SS-N-33) и Х-47М2 «Кинжал», используют плазменную скрытность.

Первые претензии

В 1956 году Арнольд Элдридж из General Electric подал заявку на патент на «Метод и устройство для камуфляжа объектов», в котором предлагалось использовать ускоритель частиц в самолете для создания облака ионизации, которое «...преломляло или поглощало бы падающие лучи радара». Неясно, кто финансировал эту работу или был ли создан прототип и испытан. Патент США 3,127,608 был выдан в 1964 году. [2]

Во время проекта OXCART, эксплуатации разведывательного самолета Lockheed A-12 , ЦРУ финансировало попытку уменьшить ЭПР входных конусов A-12 . Известный как проект KEMPSTER, он использовал генератор электронного пучка для создания облака ионизации перед каждым входом. Система была испытана в полете, но никогда не была развернута на действующих A-12 или SR-71 . [3] A-12 также имел возможность использовать топливную добавку на основе цезия под названием «A-50» для ионизации выхлопных газов, тем самым блокируя отражение радиолокационных волн от заднего квадранта и выхлопных труб двигателя. Цезий использовался, потому что он легко ионизировался горячими выхлопными газами. Физик-радар Эд Ловик-младший утверждал, что эта добавка спасла программу A-12. [4]

В 1992 году Исследовательская лаборатория Хьюза провела исследовательский проект по изучению распространения электромагнитных волн в незамагниченной плазме. Серия высоковольтных искровых разрядников использовалась для генерации УФ-излучения, которое создает плазму посредством фотоионизации в волноводе. Ракетные обтекатели, заполненные плазмой, были испытаны в безэховой камере на ослабление отражения. [5] Примерно в то же время Р. Дж. Видмар изучал использование плазмы атмосферного давления в качестве электромагнитных отражателей и поглотителей. [6] Другие исследователи также изучали случай неоднородной намагниченной плазменной пластины. [7]

Несмотря на очевидную техническую сложность проектирования плазменного стелс-устройства для боевых самолетов, есть утверждения, что система была предложена на экспорт Россией в 1999 году. В январе 1999 года российское информационное агентство ИТАР-ТАСС опубликовало интервью с доктором Анатолием Коротеевым , директором Научно-исследовательского центра имени Келдыша (ФКА Научно-исследовательский институт тепловых процессов), который рассказал о плазменном стелс-устройстве, разработанном его организацией. Утверждение было особенно интересным в свете солидной научной репутации доктора Коротеева и Института тепловых процессов, [ требуется ссылка ], который является одной из ведущих научно-исследовательских организаций в мире в области фундаментальной физики. [8]

Журнал Electronic Defense сообщил, что «технология генерации плазменных облаков для стелс-приложений», разработанная в России, снижает ЭПР самолета в 100 раз (20 дБ). Согласно этой статье от июня 2002 года, российское плазменное стелс-устройство было испытано на борту истребителя-бомбардировщика Су-27 ИБ. Журнал также сообщил, что аналогичные исследования по применению плазмы для снижения ЭПР проводятся Accurate Automation Corporation ( Чаттануга, Теннесси ) и Old Dominion University (Норфолк, Вирджиния) в США; а также Dassault Aviation (Сен-Клу, Франция) и Thales (Париж, Франция). [9]

Плазма и ее свойства

Плазма — это квазинейтральная (общий электрический заряд близок к нулю) смесь ионов ( атомов , которые ионизированы и, следовательно, обладают чистым положительным зарядом), электронов и нейтральных частиц (неионизированных атомов или молекул). Большинство плазм ионизированы лишь частично, фактически, степень ионизации обычных плазменных устройств, таких как люминесцентная лампа, довольно низкая (менее 1%). Почти вся материя во Вселенной — это плазма очень низкой плотности: твердые тела, жидкости и газы редко встречаются вдали от планетарных тел. Плазма имеет множество технологических применений, от люминесцентного освещения до плазменной обработки для производства полупроводников.

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

  • Характерная электронная плазменная частота , частота, с которой колеблются электроны ( плазменные колебания ):
ω п е = ( 4 π н е е 2 / м е ) 1 / 2 = 5.64 × 10 4 н е 1 / 2 рад/с = 9000 × н е 1 / 2 Гц {\displaystyle \omega _{pe}=(4\pi n_{e}e^{2}/m_{e})^{1/2}=5,64\times 10^{4}n_{e}^{1/2}{\mbox{rad/s}}=9000\times n_{e}^{1/2}{\mbox{Гц}}}

Плазма может иметь широкий диапазон значений как температуры, так и плотности; температура плазмы варьируется от близкой к абсолютному нулю и значительно выше 10 9 кельвинов (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 эквивалентен 11 604 К. Обычные температура и плотность плазмы в люминесцентных лампах и процессах производства полупроводников составляют около нескольких эВ и 10 9-12 на см 3 . Для широкого диапазона параметров и частот плазма является электропроводящей, и ее реакция на низкочастотные электромагнитные волны аналогична реакции металла: плазма просто отражает падающее низкочастотное излучение. Низкая частота означает, что она ниже характерной электронной плазменной частоты . Использование плазмы для управления отраженным электромагнитным излучением от объекта (плазменная скрытность) осуществимо на подходящей частоте, где проводимость плазмы позволяет ей сильно взаимодействовать с входящей радиоволной, и волна может быть либо поглощена и преобразована в тепловую энергию, либо отражена, либо передана в зависимости от соотношения между частотой радиоволны и характерной частотой плазмы. Если частота радиоволны ниже плазменной частоты, она отражается. Если она выше, она передается. Если эти две частоты равны, то происходит резонанс. Существует также другой механизм, при котором отражение может быть уменьшено. Если электромагнитная волна проходит через плазму и отражается металлом, а отраженная волна и входящая волна примерно равны по мощности, то они могут образовать два вектора. Когда эти два вектора находятся в противоположной фазе, они могут компенсировать друг друга. Чтобы получить существенное ослабление радиолокационного сигнала, плазменный слой должен иметь достаточную толщину и плотность. [10]

Плазма поддерживает широкий спектр волн, но для немагнитной плазмы наиболее значимыми являются волны Ленгмюра , соответствующие динамическому сжатию электронов. Для магнитной плазмы может быть возбуждено много различных волновых мод, которые могут взаимодействовать с излучением на частотах радара.

Поглощение электромагнитного излучения

Когда электромагнитные волны, такие как сигналы радара, распространяются в проводящей плазме, ионы и электроны смещаются в результате изменяющихся во времени электрических и магнитных полей. Поле волны дает энергию частицам. Частицы обычно возвращают некоторую часть энергии, которую они приобрели, волне, но часть энергии может быть постоянно поглощена в виде тепла такими процессами, как рассеяние или резонансное ускорение, или преобразована в другие типы волн путем преобразования мод или нелинейных эффектов. Плазма может, по крайней мере в принципе, поглощать всю энергию входящей волны, и это является ключом к плазменной скрытности. Однако плазменная скрытность подразумевает существенное снижение ЭПР самолета, что затрудняет (но не обязательно делает невозможным) его обнаружение. Сам факт обнаружения самолета радаром не гарантирует точного решения по наведению, необходимого для перехвата самолета или поражения его ракетами. Уменьшение ЭПР также приводит к пропорциональному сокращению дальности обнаружения, позволяя самолету приблизиться к радару до того, как его обнаружат.

Центральным вопросом здесь является частота входящего сигнала. Плазма будет просто отражать радиоволны ниже определенной частоты (характерная частота электронной плазмы). Это основной принцип коротковолновых радиоволн и дальней связи, поскольку низкочастотные радиосигналы отражаются между Землей и ионосферой и, следовательно, могут распространяться на большие расстояния. Загоризонтные радары раннего оповещения используют такие низкочастотные радиоволны (обычно ниже 50 МГц). Однако большинство военных бортовых и противовоздушных радаров работают в диапазонах VHF, UHF и микроволновых, которые имеют частоты выше характерной плазменной частоты ионосферы, поэтому микроволны могут проникать в ионосферу, и связь между землей и спутниками связи демонстрирует возможность. ( Некоторые частоты могут проникать в ионосферу).

Плазма, окружающая самолет, может поглощать входящее излучение и, следовательно, уменьшать отражение сигнала от металлических частей самолета: тогда самолет будет фактически невидим для радаров на большом расстоянии из-за слабых принимаемых сигналов. [10] Плазму также можно использовать для изменения отраженных волн, чтобы сбить с толку радиолокационную систему противника: например, сдвиг частоты отраженного излучения нарушит доплеровскую фильтрацию и может сделать отраженное излучение более трудноотличимым от шума.

Управление свойствами плазмы, такими как плотность и температура, важно для функционирования плазменного стелс-устройства, и может потребоваться динамическая регулировка плотности, температуры или комбинаций плазмы или магнитного поля для эффективного поражения различных типов радиолокационных систем. Большим преимуществом Plasma Stealth по сравнению с традиционными методами радиочастотной стелс-технологии, такими как геометрия с низкой заметностью и использование радиопоглощающих материалов , является то, что плазма является настраиваемой и широкополосной. При столкновении с радаром со скачкообразной перестройкой частоты возможно, по крайней мере в принципе, изменять температуру и плотность плазмы, чтобы справиться с ситуацией. Самая большая проблема заключается в создании большой площади или объема плазмы с хорошей энергоэффективностью.

Технология плазменной скрытности также сталкивается с различными техническими проблемами. Например, сама плазма испускает электромагнитное излучение, хотя оно обычно слабое и похоже на шум по спектру. Кроме того, плазме требуется некоторое время, чтобы снова поглотиться атмосферой, и за движущимся самолетом будет создан след ионизированного воздуха, но в настоящее время не существует метода обнаружения такого рода 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. И последнее, но не менее важное: чрезвычайно сложно создать поглощающую радиолокационные лучи плазму вокруг всего самолета, летящего с высокой скоростью, необходимая электрическая мощность огромна. Однако существенного снижения ЭПР самолета все еще можно добиться путем создания поглощающей радиолокационные лучи плазмы вокруг наиболее отражающих поверхностей самолета, таких как лопатки вентилятора турбореактивного двигателя, воздухозаборники двигателя, вертикальные стабилизаторы и антенны бортового радара.

Было проведено несколько вычислительных исследований по плазменному методу уменьшения эффективной площади рассеяния с использованием трехмерного конечно-разностного моделирования во временной области. Чанг изучал изменение эффективной площади рассеяния металлического конуса, когда он покрыт плазмой, явление, которое происходит во время входа в атмосферу. [11] Чанг смоделировал эффективную площадь рассеяния обычного спутника, а также эффективную площадь рассеяния, когда он покрыт искусственно созданными плазменными конусами. [12]

Теоретическая работа со Спутником

Из-за очевидных военных применений предмета имеется мало легкодоступных экспериментальных исследований влияния плазмы на эффективную площадь рассеяния (ЭПР) самолета, но взаимодействие плазмы с микроволнами является хорошо изученной областью общей физики плазмы. Стандартные справочные тексты по физике плазмы являются хорошей отправной точкой и обычно уделяют некоторое время обсуждению распространения волн в плазме.

Одна из самых интересных статей, связанных с влиянием плазмы на ЭПР самолетов, была опубликована в 1963 году IEEE . Статья называется « Радиолокационные сечения диэлектрических или плазменно-покрытых проводящих сфер и круглых цилиндров » (IEEE Transactions on Antennas and Propagation, сентябрь 1963 г., стр. 558–569). Шестью годами ранее, в 1957 году, Советы запустили первый искусственный спутник. При попытке отследить Спутник было замечено, что его электромагнитные рассеивающие свойства отличались от ожидаемых для проводящей сферы. Это было связано с тем, что спутник перемещался внутри плазменной оболочки: ионосферы .

Простая форма спутника служит идеальной иллюстрацией влияния плазмы на ЭПР самолета. Естественно, самолет имел бы гораздо более сложную форму и был бы изготовлен из большего разнообразия материалов, но основной эффект должен оставаться тем же. В случае со спутником, летящим через ионосферу на высокой скорости и окруженным естественной плазменной оболочкой, есть два отдельных радиолокационных отражения: первое от проводящей поверхности спутника, а второе от диэлектрической плазменной оболочки.

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

Самый интересный эффект наблюдается, когда два отражения имеют одинаковый порядок величины. В этой ситуации два компонента (два отражения) будут добавлены как фазоры , и результирующее поле определит общую ЭПР. Когда эти два компонента не совпадают по фазе относительно друг друга, происходит компенсация. Это означает, что при таких обстоятельствах ЭПР становится нулевой, а объект полностью невидим для радара.

Сразу становится ясно, что выполнение подобных числовых приближений для сложной формы самолета будет затруднительным. Это потребовало бы большого объема экспериментальных данных для конкретного планера, свойств плазмы, аэродинамических аспектов, падающего излучения и т. д. Напротив, оригинальные вычисления, обсуждаемые в этой статье, были выполнены горсткой людей на компьютере IBM 704, выпущенном 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 в сравнении с ними.

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

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ IV Adamovich; JW Rich; AP Chernukho; SA Zhdanok (2000). "Analysis of the Power Budget and Stability of High-Pressure Nonequilibrium Air Plasmas" (PDF) . Труды 31-й конференции AIAA Plasmadynamics and Lasers, 19–22 июня 2000 г. . стр. Статья 00–2418. Архивировано из оригинала (PDF) 2006-09-10.
  2. ↑ US 3127608, Элдридж, Арнольд, «Метод и устройство для маскировки объектов», опубликовано 6 августа 1956 г., выдано 31 марта 1964 г. 
  3. ↑ Предполагаемый преемник U-2: проект Oxcart 1956-1968, одобренный к выпуску ЦРУ в октябре 1994 года. Получено: 26 января 2007 года.
  4. ^ Джозеф Тревитик и Тайлер Рогоуэй (12 сентября 2019 г.). «Предшественник SR-71 Blackbird создал «плазменную невидимость» путем сжигания топлива с добавлением цезия». The Drive.
  5. ^ Gregoire, DJ; Santoro, J.; Schumacher, RW (1992). Распространение электромагнитных волн в незамагниченной плазме. Управление научных исследований ВВС. Архивировано из оригинала 2016-03-04 . Получено 2015-04-14 .
  6. ^ Видмар, Роберт Дж. (август 1990 г.). «Об использовании плазмы атмосферного давления в качестве электромагнитных отражателей и поглотителей». Труды IEEE по плазме . 18 (4): 733– 741. Bibcode : 1990ITPS...18..733V. doi : 10.1109/27.57528.
  7. ^ Ларусси, М. и Рот, Дж. Р. «Численный расчет отражения, поглощения и передачи микроволн неоднородной плазменной пластиной», IEEE Trans. Plasma Sci. 21, 366 (1993)
  8. ↑ Николай Новичков. Российские учёные создали революционные технологии снижения радиолокационной заметности самолётов . "ИТАР-ТАСС", 20 января 1999 г.
  9. ^ Фишер, Михал и Ежи Грущинский. «Россия работает над стелс-плазмой». Журнал электронной обороны , июнь 2002 г.
  10. ^ ab Shen Shou Max Chung (2013). "Глава 1: Манипулирование поперечными сечениями радара с помощью плазмы". В Wang, Wen-Qin (ред.). Radar Systems: Technology, Principles and Applications (1-е изд.). Hauppauge, NY: NOVA Publishers. стр.  1– 44. doi :10.13140/2.1.4674.4327. ISBN 978-1-62417-884-9.
  11. ^ Chung, Shen Shou Max (8 февраля 2012 г.). "FDTD-моделирование эффективной поверхности рассеяния металлического конуса и металлического конуса, покрытого плазмой". Vacuum . 86 (7): 970– 984. Bibcode :2012Vacuu..86..970M. doi :10.1016/j.vacuum.2011.08.016.
  12. ^ Chung, Shen Shou Max (30 марта 2016 г.). "Моделирование изменения общей поперечной поверхности рассеяния спутников с помощью искусственно созданных плазменных распылителей". Plasma Sources Science and Technology . 25 (3): 035004. Bibcode : 2016PSST...25c5004C. doi : 10.1088/0963-0252/25/3/035004. S2CID  101719978.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Plasma_stealth&oldid=1230714874"