α粒子电离致雷达隐身研究

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作为有效的远程电子探测设备,雷达被广泛应用在各个领域。而与雷达发展相对应的,飞行器及其它武器装备的隐身技术也在迅速发展。常规的隐身技术根据原理不同可以分为外形隐身技术、材料隐身技术、有源隐身技术和无源对消法技术。近些年来,新的隐身机理相继出现,其中“等离子体隐身技术”就是隐身技术大家族中一个新的成员。等离子体隐身技术源于吸波材料(Radar Absorbing Materials,RAM),与传统的RAM和外形隐身技术相比,等离子体隐身技术频带宽、吸收率高、使用简便、使用时间长,而且不会影响飞行器的飞行性能,甚至可以减小飞行阻力。  产生等离子体的方法有多种,许多方法受到实际应用的限制。过去几年,一些研究者研究了覆有人为定义电子密度分布等离子体的目标的雷达散射截面,与实际情况有较大差距。利用放射性涂层发射的带电粒子电离产生等离子体是比较有效的技术手段之一,美国等几个国家的研究机构有报导。本文的工作是构建放射性同位素、等离子体和电磁波的统一体系,研究了不同形状目标,不同放射性涂层活度,不同温度、压强、高度,不同入射波频率和入射波波形情况,放射性同位素涂层发射的α粒子激发的等离子体对雷达散射截面(RCS)的影响,为实际应用提供一定的理论参考。  本文主要分为六章,其中前两章为绪论、物理模型和计算方法,后四章为计算结果,其中主要内容和结论如下:  1.第三章分析了α放射性涂层涂覆在大平板上对其雷达散射截面的影响。当涂层放射性活度为10Ci/cm2时,平板外最大自由电子密度量级可达到1011cm-3。得出一个经验公式,可用其快速算出不同条件下的平板外等离子体的自由电子密度分布。放射性涂层可以有效降低平面波和正弦调制高斯脉冲波束在大平板背向散射区的雷达散射截面。在对流层,隐身效果随着放射性活度、飞行高度、入射角的增加而增加。计算得知,放射性激发等离子体隐身,在高空的效果要优于美国等研究机构地面实验的结果。在10km高空,α放射性涂层面活度为10Ci/cm2,入射角为60度时,沿着最强反射波方向的雷达散射截面降低了约25.5dB。  2.第四章模拟计算了涂覆α放射性涂层金属球体的雷达散射截面。在近地区域,当涂层放射性活度为10Ci/cm2时,球外最大自由电子密度量级可达到1010~1011cm3,且随着金属球半径的增大和高度的增加,最大自由电子密度也有所增加。放射性涂层可以有效降低金属球对平面波的RCS,在对流层,隐身效果随着放射性活度和飞行高度的增加而增加。当径波比相同时,半径越小对单站RCS的影响越大。在10km高空,涂覆10Ci/cm2放射性涂层,半径为1m金属球对频率为1GHz的入射波的归一化的双站RCS最大可以降低约10.9dB。而对于正弦调制高斯脉冲波,金属球半径不同会导致一些不同的结果,但在大部分情况下,放射性涂层在全空间的隐身效果明显。  3.第五章系统分析了金属圆柱目标涂覆α放射性涂层在不同条件下对雷达散射截面(散射宽度)的影响,圆柱体外最大自由电子密度会随着圆柱体半径或高度的增加而增加。高度的增加可以明显增加电磁波垂直正入射和斜入射时的隐身效果,而在水平入射时影响并不明显。在10km高空,涂覆10Ci/cm2放射性涂层、半径为0.125m圆柱体对垂直正入射的频率为1 GHz电磁波的双站散射宽度最大可以降低约5.78dB,而在入射角较小的斜入射时,可降低达16.5dB。放射性涂层同样可以有效降低圆柱体对垂直正入射的正弦调制高斯脉冲的雷达散射截面,但水平正入射时,结果会由柱体的半径、长度、波束的脉冲宽度、束斑大小所共同决定。  4.第六章总结出一种可以快速获得复杂目标体表面涂覆放射性涂层所激发的等离子体密度分布的方法,即非均匀分布函数法(I.D.F函数法)。该方法能大大缩减模拟计算所需的时间。并用I.D.F函数分析了放射性涂层涂覆在圆锥、椭球和小型导弹模型表面对其雷达散射截面的影响。总体而言,涂覆放射性涂层后,在电磁波平行正入射时,圆锥体的隐身效果要优于底径相同的圆柱体、椭球体的隐身效果要优于与半径与短径相同的球体。这对外形-放射性涂层联合隐身设计也许有启发。在对导弹模型的计算分析中,考虑经济性,只涂覆弹头大约能达到全涂覆时40%~50%的隐身效果,但其所需放射性物质只有全涂覆时的14%。说明对于复杂外形目标,选择合适的涂覆方式可以获得性价比较好的隐身效果。
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