Plasma stealth - Plasma stealth
Plasma stealth er en foreslått prosess for å bruke ionisert gass ( plasma ) for å redusere radartverrsnittet (RCS) til et fly . Interaksjoner mellom elektromagnetisk stråling og ionisert gass har blitt studert grundig for mange formål, inkludert å skjule fly fra radar som skjult teknologi . Ulike metoder kan sannsynligvis være i stand til å danne et lag eller en plasmasky rundt et kjøretøy for å avbøye eller absorbere radar, fra enklere elektrostatisk eller radiofrekvent utladning til mer komplekse laserutladninger. Det er teoretisk mulig å redusere RCS på denne måten, men det kan være veldig vanskelig å gjøre det i praksis. Noen russiske systemer, for eksempel 3M22 Zircon (SS-N-33) -raketten, er rapportert å bruke plasma-stealth.
Første krav
I 1956 arkiverte Arnold Eldredge fra General Electric en patentsøknad for en "Object Camouflage Method and Apparatus", som foreslo å bruke en partikkelakselerator i et fly for å skape en sky av ionisering som ville "... bryte eller absorbere innfallende radar bjelker. " Det er uklart hvem som finansierte dette arbeidet, eller om det ble prototypet og testet. US patent 3 127 608 ble gitt i 1964.
Under Project OXCART, driften av Lockheed A-12 rekognoseringsfly, finansierte CIA et forsøk på å redusere RCS av A- 12s innløpskegler . Kjent som Project KEMPSTER, brukte dette en elektronstrålegenerator for å skape en sky av ionisering foran hvert inntak. Systemet ble flytestet, men ble aldri distribuert på operasjonelle A-12 eller SR-71 . A-12 hadde også muligheten til å bruke et cesiumbasert drivstofftilsetningsstoff kalt "A-50" for å ionisere eksosgassene, og dermed blokkere radarbølger fra å reflektere fra akterkvadranten og motorens eksosrør. Cesium ble brukt fordi det lett ble ionisert av de varme eksosgassene. Radarfysikeren Ed Lovick Jr. hevdet at dette tilsetningsstoffet reddet A-12-programmet.
I 1992 gjennomførte Hughes Research Laboratory et forskningsprosjekt for å studere elektromagnetisk bølgeutbredelse i umagnetisert plasma. En serie høyspennings gnistgap ble brukt til å generere UV-stråling, som skaper plasma via fotoionisering i en bølgeleder. Plasmafylte rakettradomer ble testet i et anekoisk kammer for demping av refleksjon. Omtrent samtidig studerte RJ Vidmar bruken av atmosfærisk trykkplasma som elektromagnetiske reflektorer og absorbere. Andre etterforskere studerte også saken om en ikke-ensartet magnetisert plasmaplate.
Til tross for den tilsynelatende tekniske vanskeligheten med å designe en plasma-stealth-enhet for kampfly, er det påstander om at et system ble tilbudt for eksport av Russland i 1999. I januar 1999 publiserte det russiske ITAR-TASS nyhetsbyrået et intervju med doktor Anatoliy Koroteyev , direktør for Keldysh Research Center (FKA Scientific Research Institute for Thermal Processes), som snakket om plasma-stealth-enheten utviklet av sin organisasjon. Påstanden var spesielt interessant i lys av det solide vitenskapelige omdømmet til Dr. Koroteyev og Institute for Thermal Processes, som er en av de beste vitenskapelige forskningsorganisasjonene i verden innen grunnleggende fysikk.
Den Journal of Electronic Defence rapportert at "plasma-sky-generasjons teknologi for stealth programmer" som er utviklet i Russland reduserer en flyets RCS med en faktor på 100 (20 dB). I henhold til denne artikkelen fra juni 2002 har den russiske plasma-stealth-enheten blitt testet ombord på en Sukhoi Su-27 IB-jagerbomber. Tidsskriftet rapporterte også at lignende forskning på anvendelser av plasma for RCS-reduksjon utføres av Accurate Automation Corporation ( Chattanooga, Tennessee ) og Old Dominion University (Norfolk, Virginia) i USA; og av Dassault Aviation (Saint-Cloud, Frankrike) og Thales (Paris, Frankrike).
Plasma og dets egenskaper
Et plasma er en kvasineutral (total elektrisk ladning er nær null) blanding av ioner ( atomer som har blitt ionisert, og som derfor har en netto positiv ladning), elektroner og nøytrale partikler (ikke-ioniserte atomer eller molekyler). De fleste plasmaer er bare delvis ioniserte. Faktisk er ioniseringsgraden til vanlige plasmaenheter som lysrør ganske lav (mindre enn 1%). Nesten all materie i universet er plasma med lav tetthet: faste stoffer, væsker og gasser er uvanlige borte fra planetkroppene. Plasmas har mange teknologiske anvendelser, fra fluorescerende belysning til plasmabehandling for halvlederproduksjon.
Plasmaer kan samhandle sterkt med elektromagnetisk stråling: dette er grunnen til at plasmaer sannsynligvis kan brukes til å modifisere et objekts radarsignatur. Samspillet mellom plasma og elektromagnetisk stråling er sterkt avhengig av de fysiske egenskapene og parametrene til plasmaet, spesielt elektrontemperaturen og plasmadensiteten.
- Karakteristisk elektronplasmafrekvens , hvor frekvensen elektroner svinger ( plasmasvingning ):
Plasmas kan ha et bredt spekter av verdier i både temperatur og tetthet; Plasma temperaturene varierer fra nær det absolutte nullpunkt og til godt over 10 9 Kelvin-grader (for sammenligning, wolfram smelter ved 3700 Kelvin-grader), og plasma kan inneholde mindre enn én partikkel per kubikkmeter. Elektrontemperaturen er vanligvis uttrykt som elektronvolt (eV), og 1 eV er ekvivalent med 11604 K. felles plasmaer temperatur og tetthet i lysrør og halvlederproduksjonsprosesser er rundt flere eV og 10 til 9-12 per cm 3 . For et bredt spekter av parametere og frekvenser er plasma elektrisk ledende, og dets respons på lavfrekvente elektromagnetiske bølger ligner på et metall: et plasma reflekterer ganske enkelt innfallende lavfrekvent stråling. Lavfrekvente betyr at det er lavere enn den karakteristiske elektron plasma frekvens . Bruken av plasmaer for å kontrollere den reflekterte elektromagnetiske strålingen fra en gjenstand (Plasma stealth) er mulig ved passende frekvens der ledningsevnen til plasmaet gjør det mulig å samhandle sterkt med den innkommende radiobølgen, og bølgen kan enten absorberes og konverteres til termisk energi, eller reflektert, eller overføres avhengig av forholdet mellom radiobølgefrekvensen og den karakteristiske plasmafrekvensen. Hvis frekvensen til radiobølgen er lavere enn plasmafrekvensen, reflekteres den. hvis den er høyere, overføres den. Hvis disse to er like, oppstår resonans. Det er også en annen mekanisme der refleksjon kan reduseres. Hvis den elektromagnetiske bølgen passerer gjennom plasmaet, og reflekteres av metallet, og den reflekterte bølgen og den innkommende bølgen er omtrent lik kraft, kan de danne to faser. Når disse to fasene er i motsatt fase, kan de avbryte hverandre. For å oppnå betydelig demping av radarsignalet trenger plasmaplaten tilstrekkelig tykkelse og tetthet.
Plasmer støtter et bredt spekter av bølger, men for umagnetiserte plasmaer er Langmuir-bølgene som er mest relevante , tilsvarende en dynamisk kompresjon av elektronene. For magnetiserte plasmaer kan mange forskjellige bølgemodus bli begeistret som kan samhandle med stråling ved radarfrekvenser.
Plasmer på aerodynamiske overflater
Plasmalag rundt fly har blitt vurdert for andre formål enn stealth. Det er mange artikler om bruk av plasma for å redusere aerodynamisk luftmotstand . Spesielt kan elektrohydrodynamisk kobling brukes til å akselerere luftstrømmen nær en aerodynamisk overflate. Ett papir vurderer bruken av et plasmapanel for grenselagskontroll på en vinge i en vindhastighet med lav hastighet . Dette demonstrerer at det er mulig å produsere et plasma på huden til et fly. Radioaktive xenon- kjerneforgift eller polonium-isotoper når de er vellykket suspendert i genererte plasmalag eller dopet inn i kjøretøyskrog, kan brukes for å redusere radartverrsnittet ved å generere et plasmalag på overflaten. Hvis det kan innstilles, kan dette beskytte mot HMP / EMP- og HERF-våpen eller fungere som optiske strålingstrykksaktuatorer.
Boeing arkiverte en serie patenter relatert til begrepet plasma-stealth. I US 7 744 039 B2, juni 2010, er et system for å kontrollere luftstrømmen med elektriske pulser beskrevet. I US 7,988,101 B2, august 2011, brukes en plasmagenererende enhet for å skape en plasmastrømning på bakkanten, som kan endre RCS. I US 8 016 246, B2 september 2011, brukes et plasmaaktuatorsystem til å kamuflere våpenbrønnen på en jagerfly når den er åpen. I US 8,016,247 B2 er plasmasystemet beskrevet i detalj, som i utgangspunktet er en dielektrisk barriereutladningsanordning. I US 8,157,528 B1 apr. 2012 er en plasmaaktiverende kaskadearrangement for bruk på rotorblad beskrevet. I US 8.220.753 B2 jul. 2012 er et system for å kontrollere luftstrømmen på vingeflaten med pulsert utslipp beskrevet.
Absorpsjon av EM-stråling
Når elektromagnetiske bølger, for eksempel radarsignaler, forplanter seg til et ledende plasma, forskyves ioner og elektroner som et resultat av den tid som varierer elektriske og magnetiske felt. Bølgefeltet gir energi til partiklene. Partiklene returnerer vanligvis en del av energien de har fått til bølgen, men noe energi kan absorberes permanent som varme ved prosesser som spredning eller resonansakselerasjon, eller overføres til andre bølgetyper ved moduskonvertering eller ikke-lineære effekter. Et plasma kan i det minste i prinsippet absorbere all energien i en innkommende bølge, og dette er nøkkelen til plasma-stealth. Imidlertid innebærer plasma-stealth en betydelig reduksjon av flyets RCS , noe som gjør det vanskeligere (men ikke nødvendigvis umulig) å oppdage. Bare detektering av et fly av en radar garanterer ikke en nøyaktig målrettingsløsning som er nødvendig for å fange opp flyet eller for å engasjere det med raketter. En reduksjon i RCS resulterer også i en proporsjonal reduksjon i deteksjonsområdet, slik at et fly kan komme nærmere radaren før det blir oppdaget.
Det sentrale problemet her er frekvensen av det innkommende signalet. Et plasma vil ganske enkelt reflektere radiobølger under en viss frekvens (karakteristisk elektronplasmafrekvens). Dette er det grunnleggende prinsippet for kortbølgeradioer og langdistansekommunikasjon, fordi lavfrekvente radiosignaler spretter mellom jorden og ionosfæren og derfor kan reise lange avstander. Tidlige advarsler over horisonten bruker slike lavfrekvente radiobølger (vanligvis lavere enn 50 MHz). De fleste militære luftbårne og luftforsvarsradarer opererer imidlertid i VHF, UHF og mikrobølgeovn, som har frekvenser høyere enn den karakteristiske plasmafrekvensen til ionosfæren, derfor kan mikrobølgeovn trenge gjennom ionosfæren og kommunikasjon mellom bakken og kommunikasjonssatellitter viser at det er mulig. ( Noen frekvenser kan trenge gjennom ionosfæren).
Plasma rundt et fly kan være i stand til å absorbere innkommende stråling, og reduserer derfor signalrefleksjon fra flyets metalldeler: Flyet vil da være effektivt usynlig for radar på lang rekkevidde på grunn av svake mottatte signaler. Et plasma kan også brukes til å modifisere de reflekterte bølgene for å forvirre motstanderens radarsystem: For eksempel vil frekvenskifting av den reflekterte strålingen frustrere dopplerfiltrering og kan gjøre den reflekterte strålingen vanskeligere å skille fra støy.
Kontroll av plasmaegenskaper som tetthet og temperatur er viktig for en fungerende plasma-stealth-enhet, og det kan være nødvendig å dynamisk justere plasmadensitet, temperatur eller kombinasjoner eller magnetfeltet for effektivt å beseire forskjellige typer radarsystemer. Den store fordelen Plasma Stealth har over tradisjonelle radiofrekvente stealth-teknikker som formforming i LO-geometri, og bruk av radarabsorberende materialer er at plasma er avstemt og bredbånd. Når vi står overfor frekvenshoppingradar, er det mulig, i det minste i prinsippet, å endre plasmatemperatur og tetthet for å takle situasjonen. Den største utfordringen er å generere et stort område eller volum av plasma med god energieffektivitet.
Plasma-skjult teknologi står også overfor ulike tekniske problemer. For eksempel avgir plasmaet selv EM-stråling, selv om det vanligvis er svakt og støylignende i spektrum. Det tar også litt tid før plasma blir absorbert av atmosfæren, og det vil bli opprettet et spor av ionisert luft bak flyet som beveger seg, men for tiden er det ingen metode for å oppdage denne typen plasmaspor på lang avstand. For det tredje har plasmaer (som glødutslipp eller lysrør) en tendens til å avgi en synlig glød: dette er ikke kompatibelt med det generelle konseptet med lav observerbarhet. Imidlertid har nåværende optiske deteksjonsenheter som FLIR en kortere rekkevidde enn radar, slik at Plasma Stealth fortsatt har et operasjonelt område. Sist men ikke minst er det ekstremt vanskelig å produsere et radarabsorberende plasma rundt et helt fly som reiser i høy hastighet, den elektriske kraften som trengs er enorm. Imidlertid kan en betydelig reduksjon av flyets RCS fremdeles oppnås ved å generere radarabsorberende plasma rundt de mest reflekterende overflatene på flyet, for eksempel turbojetmotorvifteblad, luftinntak, vertikale stabilisatorer og luftbåren radarantenne.
Det har vært flere beregningsstudier på plasmabasert reduksjonsteknikk for radartverrsnitt ved bruk av tredimensjonale tidsdomenesimuleringer med endelig forskjell. Chaudhury et al. studerte den elektromagnetiske bølgedempingen av et Epstein-profilplasma ved hjelp av denne metoden. Chung studerte radarkryssendringen av en metallkegle når den er dekket av plasma, et fenomen som oppstår under tilbakeføring til atmosfæren. Chung simulerte radartverrsnittet til en generisk satellitt, og også radartverrsnittet når det er dekket med kunstig genererte plasmakegler.
Teoretisk arbeid med Sputnik
På grunn av de åpenbare militære anvendelsene av emnet, er det få lett tilgjengelige eksperimentelle studier av plasmas effekt på flyets radartverrsnitt (RCS), men plasmainteraksjon med mikrobølger er et godt utforsket område av generell plasmafysikk. Standard plasmafysikkreferansetekster er et godt utgangspunkt og bruker vanligvis litt tid på å diskutere bølgeforplantning i plasma.
En av de mest interessante artiklene relatert til effekten av plasma på flyets RCS ble publisert i 1963 av IEEE . Artikkelen har tittelen " Radartverrsnitt av dielektriske eller plasma-belagte ledende kuler og sirkulære sylindere " (IEEE Transactions on Antennas and Propagation, september 1963, s. 558–569). Seks år tidligere, i 1957, hadde sovjettene lansert den første kunstige satellitten. Mens vi prøvde å spore Sputnik , ble det lagt merke til at dens elektromagnetiske spredningsegenskaper var forskjellige fra det som var forventet for en ledende sfære. Dette skyldtes at satellitten reiste inne i et plasmaskall: ionosfæren .
Sputniks enkle form fungerer som en ideell illustrasjon av plasmas effekt på RCS til et fly. Naturligvis vil et fly ha en langt mer forseggjort form og være laget av et større utvalg av materialer, men den grunnleggende effekten bør forbli den samme. Når Sputnik flyr gjennom ionosfæren med høy hastighet og er omgitt av et naturlig forekommende plasmaskall, er det to separate radarrefleksjoner: den første fra den ledende overflaten til satellitten, og den andre fra det dielektriske plasmaskallet.
Forfatterne av papiret fant at et dielektrisk (plasma) skall enten kan redusere eller øke ekkoområdet til objektet. Hvis en av de to refleksjonene er betydelig større, vil ikke den svakere refleksjonen bidra mye til den generelle effekten. Forfatterne uttalte også at EM-signalet som trenger inn i plasmaskallet og reflekterer fra objektets overflate vil synke i intensitet mens de beveger seg gjennom plasma, som ble forklart i forrige avsnitt.
Den mest interessante effekten observeres når de to refleksjonene er av samme størrelsesorden. I denne situasjonen vil de to komponentene (de to refleksjonene) legges til som fasorer, og det resulterende feltet vil bestemme den samlede RCS. Når disse to komponentene er utenfor fase i forhold til hverandre, oppstår kansellering. Dette betyr at RCS under slike omstendigheter blir null og objektet er helt usynlig for radaren.
Det er umiddelbart tydelig at det ville være vanskelig å utføre lignende numeriske tilnærminger for den komplekse formen til et fly. Dette ville kreve en stor mengde eksperimentelle data for den spesifikke flyrammen, egenskapene til plasma, aerodynamiske aspekter, innfallende stråling, etc. I motsetning til dette ble de opprinnelige beregningene diskutert i denne artikkelen gjort av en håndfull mennesker på en IBM 704 datamaskin laget i 1956, og på den tiden var dette et romanfag med svært liten forskningsbakgrunn. Så mye har endret seg innen vitenskap og teknologi siden 1963, at forskjellene mellom en metallkule og en moderne kampstråle blekner i sammenligning.
En enkel anvendelse av plasma-stealth er bruken av plasma som antenne: metallantnemaster har ofte store radartverrsnitt, men et hult glassrør fylt med lavtrykksplasma kan også brukes som antenne, og er helt gjennomsiktig for radar når ikke i bruk.