主动等离子体喷射装置及高超声速飞行器主动隐身方法

1.本发明属于脉冲放电等离子体应用技术领域，尤其涉及一种主动等离子体喷射装置及高超声速飞行器主动隐身方法。


背景技术：

2.目前，高速飞行器再入大气层时，空气被急剧压缩，飞行器前端会形成一道强激波。由于飞行器壁面与空气分子产生强烈摩擦，飞行器周围空气的温度、压力急剧升高，使空气中分子和原子的电子被激发到高能级，发生电离，出现离子和自由电子，在飞行器的外围形成等离子体鞘套。电磁波在等离子体鞘套内传播过程中，因被等离子体鞘套反射、吸收，电磁波强度产生衰减，并出现偏折、延时、相移等效应，从而导致用于通讯或探测的电磁波传输衰减或反射，引发一系列电磁效应，产生目标探测异常等系列问题，已成为制约临近空间高速飞行器发展的瓶颈和亟待解决的世界难题。
3.等离子体鞘套会使目标飞行器周围均匀环绕着等离子云，在对方雷达发出的电磁波同等离子云共同作用下，首先因为电磁波在穿越等离子体时，电磁波会与等离子体的带电粒子相互作用，将部分能量传递给带电粒子，电磁波的能量被吸收，从而自身能量逐渐衰减。其次，受一系列物理作用的影响，电磁波将绕过等离子体或者产生折射而改变传播方向。因此返回到雷达接收机的电磁能量就很小，使雷达难以发现隐藏在等离子体云中的飞行器而实现隐身。
4.近年来，通过对高超声速流场的流体特性进行研究，并探索电磁波与鞘套等离子体层之间的相互作用，越来越多的方法可以对等离子体鞘套包附下的高超声速飞行器进行雷达探测，获得高超声速飞行器的rcs，突破等离子体鞘套对高超声速飞行器进行探测逐渐变成了可能。
5.由于高超声速飞行器处于复杂的气动热环境下，材料隐身技术难以实现，等离子体隐身技术在国内尚无工程应用先例，因此，目前高超声速飞行器主要依靠外形设计实现隐身设计。目前国内对飞行器隐身设计技术的研究主要集中在低速飞行器。这些研究主要集中在低速飞行器；隐身性能评估方面，受制于计算硬件的限制，rcs计算和气动计算方法普遍以高频算法为主，即使采用高精度算法－矩量法，计算频率也较低，普遍的不足是计算方法精度不高，隐身计算波段的频率较低，使其可信度大大降低。针对高超声速飞行器，采用矩量法计算飞行器rcs，采用求解n-s方程的方法求解气动性能，建立了基于直接全局优化算法、二次曲线参数化方法和kriging代理模型的气动隐身设计平台，对一种高超声速飞行器进行了优化设计研究，并通过风洞试验验证了气动性能。
6.然而，通过对外形进行设计实现隐身，往往会牺牲高超声速飞行器的气动性能。等离子体隐身技术由于不需要改变飞行器的气动外形等优势受到越来越多的关注。等离子体隐身技术是指利用等离子体与电磁波的相互作用来回避雷达探测系统的一种新兴技术。目前等离子体隐身具体的方法有：在飞行器表面涂吸收层或者干扰层，可以大大的减少飞行器雷达反射面积。但是如果大大降低雷达频率如采用米波雷达或者大大提高雷达频率如采
用毫米波雷达，则等离子体基本无吸收。而且由于放射性同位素法具有放射性且不易维护，因此具有较大的局限性。另一种方法就是等离子体发生器装置法，该方法是在飞行器里面装一个或几个等离子体发生器，利用等离子体发生器喷射出的等离子体气流包裹飞行器表面，从而吸收电磁波、衰减反射信号，实现隐身。相较放射性同位素法后者更适合实际应用。采用等离子体发生器法不仅能减弱反射信号，改变信号的长度，还可向敌方发出一些假信号对敌方雷达进行有效的干扰，使敌方雷达探测到虚假信号，以实现信息欺骗从而达到隐身。高超声速飞行器在高速飞行时，表明容易形成包附飞行器的等离子体鞘套，可以实现等离子体隐身。但是近年来，通过对高超声速流场的流体特性进行研究，并探索电磁波与鞘套等离子体层之间的相互作用，越来越多的方法可以对等离子体鞘套包附下的高超声速飞行器进行雷达探测，获得高超声速飞行器的rcs，突破等离子体鞘套对高超声速飞行器进行探测逐渐变成了可能。
7.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
8.现有技术可以对等离子体鞘套包附下的高超声速飞行器进行雷达探测，获得高超声速飞行器的rcs，无法直接利用等离子体鞘套实现高超声速飞行器隐身。
9.解决以上问题及缺陷的难度为：本发明在等离子体鞘套的基础上，利用重复频率主动放电产生重复频率等离子体喷射，混合等离子体喷射和等离子体鞘套，调控等离子体鞘套电磁特性，使雷达探测异常，从而实现高超声速飞行器的主动隐身。
10.解决以上问题及缺陷的意义为：本发明提供了一种低成本，高可靠性的实现高超声速飞行器主动隐身的方法。


技术实现要素：

11.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种主动等离子体喷射装置及高超声速飞行器主动隐身方法，利用脉冲放电产生脉冲等离子体，对等离子体鞘套进行扰动，调控等离子体鞘套中电子密度分布，改变其雷达散射特性，产生虚假目标，实现高超声速飞行器隐身。
12.本发明是这样实现的，一种高超声速飞行器主动隐身方法包括：
13.步骤一，利用脉冲合成电源，产生高电压脉冲和大电流脉冲，驱动间隙放电，产生等离子体喷射，根据等离子体鞘套电磁特性，调节脉冲合成电源参数，产生不同强度和密度的等离子体喷射；
14.步骤二，喷射等离子体进入等离子体鞘套，和等离子体鞘套混合，扰动等离子体鞘套电子密度分布和流场结构分布，对等离子体鞘套进行调控，从而改变等离子体鞘套的电磁特性；
15.步骤三，采用重复频率脉冲合成电源，产生重复频率脉冲放电，实现重复频率脉冲等离子体喷射，在前一次扰动的基础上，不断叠加扰动，持续不断的对等离子体鞘套进行调控，实现高超声速飞行器的隐身。
16.进一步，所述步骤二对等离子体鞘套进行调控中，改变等离子体鞘套的电子密度、碰撞频率以及位形分布。
17.进一步，所述步骤三采用重复频率脉冲合成电源，产生重复频率脉冲放电中，通过等离子体鞘套电子密度在线诊断方法实时诊断等离子体鞘套电子密度数据，自动反馈给重
复频率脉冲合成电源，通过调节脉冲合成电源的占空比、电压参数、电流参数，调节喷射等离子体的能量、电子密度和尺寸。
18.本发明的另一目的在于提供一种主动等离子体喷射装置，所述主动等离子体喷射装置包括：
19.等离子体内喷射器、等离子体鞘套和重复频率脉冲合成电源；
20.所述等离子体内喷射器位于等离子体鞘套的一端，所述等离子体内喷射器与重复频率脉冲合成电源连接。
21.本发明的另一目的在于提供一种安装有所述主动等离子体喷射装置的有翼飞行器。
22.本发明的另一目的在于提供一种安装有所述主动等离子体喷射装置的无翼飞行器。
23.结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明通过对高超声速飞行时的飞行器表面等离子体鞘套进行调控，用于调整等离子体鞘套的电子密度、碰撞频率以及位形分布等，进一步改变等离子体鞘套的电磁散射特性，产生雷达探测异常，产生虚假目标等，从而提高高超声速飞行器隐身效率。
24.本发明提供的主动等离子体喷射装置，产生强度、参数、时间可调的等离子体喷射，对等离子体鞘套进行调控，改变等离子体鞘套的电子密度的大小和分布，从而使高超声速飞行器产生目标探测异常，对提高高超声速飞行器隐身性能的研究具有重要意义。本发明具有灵活性高、可控性强、成本低等特点。
附图说明
25.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1是本发明实施例提供的高超声速飞行器主动隐身方法的流程图。
27.图2是本发明实施例提供的脉冲等离子体喷射实现高超声速飞行器隐身的原理示意图
28.图3是本发明实施例提供的临近空间高速目标等离子体电磁科学实验装置的结构原理图。
29.图4是本发明实施例提供的主动激励等离子体扰动过程效果图。
30.图5是本发明实施例提供的流场中固定点光强随时间变化曲线图。
31.图6是本发明实施例提供的等离子体流场电子密度随时间变化曲线图。
32.图7是本发明实施例提供的主动激励等离子体发射光谱图。
33.图8是本发明实施例提供的氢原子谱线展宽曲线图。
具体实施方式
34.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于
限定本发明。
35.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种主动等离子体喷射装置及高超声速飞行器主动隐身方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
36.如图1所示，本发明实施例提供的高超声速飞行器主动隐身方法包括：
37.s101，利用脉冲合成电源，产生高电压脉冲和大电流脉冲，驱动间隙放电，产生等离子体喷射；
38.s102，喷射等离子体进入等离子体鞘套，对等离子体鞘套进行调控；
39.s103，采用重复频率脉冲合成电源，产生重复频率脉冲放电，实现重复频率脉冲等离子体喷射，持续不断的对等离子体鞘套进行调控，实现高超声速飞行器的隐身。
40.本发明涉及的主动调控技术为利用脉冲合成电源，既可以产生高电压脉冲又可以产生大电流脉冲，驱动间隙放电，产生等离子体喷射。喷射等离子体进入等离子体鞘套，对等离子体鞘套进行调控，从而改变等离子体鞘套的电子密度、碰撞频率以及位形分布等。在气体放电过程中会产生等离子体，产生的等离子体与等离子体鞘套融合可能会使其电子密度增加，这个过程仅仅持续数微秒。更进一步采用重复频率脉冲合成电源，产生重复频率脉冲放电，实现重复频率脉冲等离子体喷射，可以持续不断的对等离子体鞘套进行调控，从而实现宽范围、长时间、长距离的隐身。
41.本发明涉及的脉冲等离子体喷射调控等离子体鞘套，从而实现高超声速飞行器主动隐身的技术示意图如图2所示。
42.结合等离子体鞘套电子密度在线诊断技术，通过实时诊断等离子体鞘套电子密度数据，自动反馈给重复频率脉冲合成电源，通过调节脉冲合成电源的占空比、电压参数、电流参数等，调节喷射等离子体的能量，电子密度，尺寸等，实现等离子体鞘套电子密度宽范围、只能实时调控。
43.经过前期地面实验验证，已证实本技术的可靠性和可实现性，在临近空间高速目标等离子体电磁科学实验装置中进行了实验研究，实验装置示意图如图3所示。
44.临近空间电磁科学实验研究装置产生等离子体流场，主动激励等离子体发生器在高压脉冲电源的驱动下产生主动激励等离子体，对等离子体流场进行扰动改变等离子体流场电子密度。利用高速相机对主动激励等离子体对等离子体流场的扰动过程进行拍摄，结果如图4所示。
45.从图4中可以看出，在主动激励等离子体发生器喷射口的位置随着主动激励等离子体喷射强度的增加，等离子体发光亮度逐渐增加，表明电子密度逐渐增强，并且该区域的亮度远高于等离子体流场的亮度，表明区域的电子密度远高于等离子体流场的电子密度。
46.对喷射口下游20mm，主动激励等离子体发生器表面上方10mm位置处的相对光强进行统计，如图5所示。
47.从图5中可以看出，随着等离子体喷射的发展，相对光强逐渐增加，光强增强了约100％。随着喷射能量的消耗，喷射强度逐渐减弱。
48.利用远红外激光干涉仪和光谱仪对等离子体流场和主动激励等离子体进行了电子密度诊断，如图6和7所示。
49.从图6可以看出，等离子体流场的电子密度为1
×
10
13
cm-3
。根据发射光谱中氢原子谱线的强度和线型，利用斯塔克展宽进行了电子密度计算，氢原子谱线如图7所示。根据图7
所示的氢原子谱线线型，利用stark展宽公式可以估算主动激励等离子体的电子密度在3
×
10
15
cm-3
。
50.因为主动激励等离子体电子密度远远高于等离子体流场的电子密度，可以认为主动激励等离子体扰动区域的电子密度为10
15
cm-3
量级。
51.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。