科幻走进现实——等离子体技术的军事应用

作者:黄瑞鑫 武浩伟 于开一
近年来,各种科幻电影热播,等离子体作为其中当之无愧的“明星”走进大众视野。在影视作品中,他不仅是制造超级武器的必需品,也是拯救人类、提供能量的“大功臣”。虽然电影是科幻的,但等离子体确实是一种真实的客观存在,而等离子体也确实有着一定超越传统思维的“魔力”。作为一种特殊的介质,等离子体的电磁参数主要由其电子密度和碰撞频率决定,在不同的参数条件下,可以对电磁波的传播产生不同的影响。利用这一独特的电磁特性,在军事领域的应用方面包括等离子体天线以及等离子体隐身等。可见,等离子体技术在军事上具有很高的应用价值。现在,就让我们来揭开它神秘的面纱。
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等离子体的制备
等离子体又称为“电浆”或“离子浆”,是由大量正离子、负离子、电子、自由基和各种活性基团等带电粒子构成的电中性集合体。由于这种“电浆”中的正负电荷总量相等,所以叫做“等离子体”。电影《流浪地球》中上万台地球发动机喷口喷射出蓝白色强光,形成的一根根巨型光柱,就是在核聚变形成的高能量密度物理条件下产生的高温等离子体流。
地球上的等离子体物质远比固体、液体、气体物质少,但在宇宙中,情况却大有不同。等离广泛存在于星际空间、恒星内部、地球电离层等自然环境中,是物质存在的主要形式,占据99%以上的物质总量。
地球上等离子体虽少,却容易人工制造。将普通气体用射线辐照、加热到足够高的温度或加强电磁场,使得气体原子的外层电子由于运动加速或受力,而脱离原子成为自由电子。这样,原来的中性气体因电离,就变成了由带正电的离子、带负电的电子以及部分未电离的原子组成的一团均匀的“电浆”,这就是正负电荷总量相等的等离子体。比如,在化工、能源、材料和冶金等领域常见的电晕、辉光以及电弧等放电反应,均会产生等离子体。
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与军事的极高适配性能
等离子体具有的优良的电磁性质就决定了它具有极高的应用价值,其相关技术和工艺被广泛应用于照明、显示、医疗、喷涂、通信及半导体器件制造等行业中。在国防和军事领域,它更是有着极大的应用前景,甚至是一种重要的国防资源。
由于等离子体具有独特的物理特性,等离子体天线具有许多不同于金属天线的优点:
隐身特性。当天线关闭时,等离子体天线系统几乎没有金属部件,雷达散射截面将很小,在电子战中实现隐身,提高生存能力。
降低互耦。在阵列天线中,非工作单元与工作单元之间几乎不会产生互耦,大幅度降低了阵列单元间的干扰,提高了天线的性能。
辐射部件电控制。不需要改变天线的物理结构,通过改变等离子体的气体成分和电子浓度等物理参数就可以对天线的频率、带宽和方向性等参数进行动态重构,实现了天线的电控。
解决大功率问题。采用高压脉冲等离子体天线,可以解决目前微波天线设计中的大功率问题,避免了高压烧毁馈线和天线的情况。
结构精巧。天线中的放电管可以是强度高的石英玻璃管,相对于金属天线,玻璃制品的重量更轻,体积更小,提高了装配效率。
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未来发展大有可为
随着等离子技术的快速发展,逐渐出现了很多等离子喷涂新技术,等离子喷涂技术的主要类型,根据电离介质的不同可分为液稳和气稳两大类等离子喷涂,其中气稳等离子喷涂又包括三种方法:低压等离子喷涂、保护气体等离子喷涂和大气等离子喷涂。液稳等离子喷涂包括两种方法:水稳和其它液稳等离子喷涂。这些不同类型的等离子喷涂技术除了以上共同的优点之外,还有各自独特的优点。
在军事应用方面,等离子喷涂主要用于船舶上的防腐蚀领域、航空航天装备的耐热和抗冲蚀性能涂层等。
低压等离子喷涂-薄涂层技术(LPPS-TF)有低压、可实现由液相固相和气相固相的沉积该技术在制备新型热障涂层(TBC)、固体氧化物燃料电池电极与电解质涂层、混合导体透氧膜和半导体器件绝缘(导电)涂层等领域具有极大的应用前景。
等离子喷涂技术在耐磨涂层、耐蚀涂层等传统领域的应用十分广泛,从上世纪50 年代至今,其应用领域由航空、航天扩展到了钢铁工业、汽车制造、石油化工、纺织机械、船舶等领域。近年来等离子喷涂技术在高新技术领域如纳米涂层材料、梯度功能材料、超导涂层、生物功能涂层等方面的应用研究渐渐受到人们的重视,进入新的发展阶段。
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在发展现代战争,布局未来科技的今天,等离子体技术毫无疑问的将成为一项应用广泛、战略位置重要的关键技术,不仅仅是在日常使用上,其在军事上的应用同样值得我们持续关注。
个人观点,仅供参考