プラズマステルス

プラズマステルスは、電離ガス（プラズマ）を使用して航空機のレーダー断面積（RCS）を減らすための提案されたプロセスです。電磁放射線と電離ガスの相互作用は、ステルス技術として航空機をレーダーから隠すなど、多くの目的で広範に研究されてきました。より単純な静電放電や無線周波数放電からより複雑なレーザー放電まで、さまざまな方法で、レーダーを偏向または吸収するために車両の周囲にプラズマの層または雲を形成できる可能性があります。 ^[1]この方法でRCSを減らすことは理論的には可能ですが、実際に行うことは非常に難しい場合があります。一部のロシアのミサイル、たとえば3M22ジルコン（SS-N-33）とKh-47M2キンジャールミサイルは、プラズマステルスを利用していると言われています。

1956年、ゼネラル・エレクトリック社のアーノルド・エルドリッジは「物体カモフラージュ方法および装置」の特許を申請した。この特許では、航空機の粒子加速器を使用してイオン化雲を作成し、「...入射するレーダービームを屈折または吸収する」ことを提案した。この研究に誰が資金を提供したのか、また試作品が作られテストされたのかどうかは不明である。米国特許3,127,608号は1964年に付与された。^[2]

ロッキード A-12偵察機の運用である OXCART プロジェクトの間、CIA は A-12 の吸気コーンの RCS を減らす試みに資金を提供した。KEMPSTER プロジェクトとして知られるこのプロジェクトでは、電子ビーム発生器を使用して各吸気口の前にイオン化雲を生成した。このシステムは飛行テストされたが、運用中の A-12 やSR-71には配備されなかった。^{[3] A-12 には、排気ガスをイオン化してレーダー波が後部象限やエンジン排気管に反射するのを防ぐ「A-50」と呼ばれる}セシウムベースの燃料添加剤を使用する機能もあった。セシウムが使用されたのは、高温の排気ガスによって容易にイオン化されるためである。レーダー物理学者のエド・ロヴィック・ジュニアは、この添加剤が A-12 プログラムを救ったと主張した。^[4]

1992年、ヒューズ研究所は、磁化されていないプラズマにおける電磁波の伝播を研究するプロジェクトを実施しました。一連の高電圧スパークギャップを使用して紫外線を発生させ、導波管内の光イオン化によってプラズマを生成します。プラズマで満たされたミサイルレドームは、反射の減衰を調べるために無響室でテストされました。^[5]ほぼ同じ時期に、RJ Vidmarは、大気圧プラズマを電磁反射体および吸収体として使用することを研究しました。^[6]他の研究者も、不均一な磁化プラズマスラブのケースを研究しました。^[7]

戦闘機用のプラズマステルス装置の設計は技術的に困難であるように思われるが、1999年にロシアから輸出用にシステムが提案されたという主張がある。1999年1月、ロシアのITAR-TASS通信社は、ケルディッシュ研究センター（旧熱処理科学研究所）所長アナトリー・コロテエフ博士へのインタビューを掲載し、同博士は同研究所が開発したプラズマステルス装置について語っている。コロテエフ博士と熱処理研究所^[要出典]の確固たる科学的評価を考えると、この主張は特に興味深いものであった。熱処理研究所は、基礎物理学の分野で世界トップクラスの科学研究機関の1つである。^[8]

ジャーナル・オブ・エレクトロニック・ディフェンスは、ロシアで開発された「ステルス用途のプラズマ雲生成技術」が航空機のRCSを100分の1（20dB）削減すると報告した。この2002年6月の記事によると、ロシアのプラズマステルス装置はスホーイSu-27IB戦闘爆撃機に搭載されてテストされた。ジャーナルはまた、RCS削減のためのプラズマの応用に関する同様の研究が、米国のアキュレート・オートメーション・コーポレーション（テネシー州チャタヌーガ）とオールド・ドミニオン大学（バージニア州ノーフォーク）、およびダッソー・アビエーション（フランス、サンクラウド）とタレス（フランス、パリ）によって行われていると報告した。^[9]

プラズマは、イオン（イオン化された原子、したがって正味の正電荷を持つ）、電子、および中性粒子（イオン化されていない原子または分子）の準中性（総電荷がゼロに近い）混合物です。ほとんどのプラズマは部分的にしかイオン化されておらず、実際、蛍光灯などの一般的なプラズマデバイスのイオン化度はかなり低くなっています（1％未満）。宇宙のほぼすべての物質は、非常に低密度のプラズマです。固体、液体、気体は、惑星体から離れた場所ではまれです。プラズマは、蛍光灯から半導体製造のためのプラズマ処理まで、多くの技術的用途があります。

プラズマは電磁放射と強く相互作用します。そのため、プラズマは物体のレーダーシグネチャを変更するために使用される可能性があります。プラズマと電磁放射の相互作用は、プラズマの物理的特性とパラメータ、特に電子温度とプラズマ密度に大きく依存します。

• 特性電子プラズマ周波数​​、電子が振動する周波数（プラズマ振動）：

${\displaystyle \omega _{pe}=(4\pi n_{e}e^{2}/m_{e})^{1/2}=5.64\times 10^{4}n_{e}^{1/2}{\mbox{rad/s}}=9000\times n_{e}^{1/2}{\mbox{Hz}}}$

プラズマは、温度と密度の両方において幅広い範囲の値を取ります。プラズマ温度は絶対零度に近いものから 10 ⁹ ケルビンをはるかに超える温度までの範囲にわたります (比較すると、タングステンは 3700 ケルビンで溶けます)。また、プラズマには 1 立方メートルあたり 1 個未満の粒子しか含まれないこともあります。電子温度は通常、電子ボルト (eV) で表され、1 eV は 11,604 K に相当します。蛍光灯や半導体製造プロセスにおける一般的なプラズマの温度と密度は、およそ数 eV と 10 ^9-12 / cm ³です。広範囲のパラメーターと周波数において、プラズマは導電性があり、低周波電磁波に対する応答は金属と同様です。つまり、プラズマは入射する低周波放射を単に反射します。低周波とは、特性電子プラズマ周波数​​よりも低いことを意味します。プラズマを使用して物体からの反射電磁波を制御すること (プラズマステルス) は、適切な周波数で実行可能です。適切な周波数では、プラズマの伝導性により、入射する電波と強く相互作用し、電波は吸収されて熱エネルギーに変換されるか、反射されるか、電波周波数と特性プラズマ周波数​​の関係に応じて透過されます。電波の周波数がプラズマ周波数​​より低い場合は反射され、高い場合は透過されます。これら 2 つが等しい場合、共鳴が発生します。反射を減らすことができる別のメカニズムもあります。電磁波がプラズマを通過して金属で反射され、反射波と入射波のパワーがほぼ等しい場合、2 つの位相器が形成される可能性があります。これらの 2 つの位相器が逆位相の場合、互いに打ち消し合うことができます。レーダー信号を大幅に減衰させるには、プラズマスラブに十分な厚さと密度が必要です。^[10]

プラズマは広範囲の波をサポートしますが、非磁化プラズマの場合、最も関連性が高いのは電子の動的圧縮に対応するラングミュア波です。磁化プラズマの場合、レーダー周波数の放射線と相互作用する可能性のあるさまざまな波モードが励起される可能性があります。

レーダー信号などの電磁波が導電性プラズマに伝搬すると、イオンと電子は時間的に変化する電場と磁場の結果として変位します。波動場は粒子にエネルギーを与えます。粒子は通常、獲得したエネルギーの一部を波に戻しますが、一部のエネルギーは散乱や共鳴加速などのプロセスによって熱として永久に吸収されるか、モード変換や非線形効果によって他の波の種類に変換されます。プラズマは、少なくとも原理的には、入ってくる波のすべてのエネルギーを吸収することができ、これがプラズマステルスの鍵となります。ただし、プラズマステルスは航空機のRCSの大幅な低下を意味し、検出がより困難になります (ただし、必ずしも不可能ではありません)。レーダーによって航空機が検出されたという事実だけでは、航空機を迎撃したりミサイルで攻撃したりするために必要な正確なターゲット ソリューションが保証されるわけではありません。RCS の低下は検出範囲も比例して減少し、航空機が検出される前にレーダーに近づくことができます。

ここでの中心的な問題は、受信信号の周波数です。プラズマは、特定の周波数 (特性電子プラズマ周波数​​) 未満の電波を単に反射します。これは、短波ラジオと長距離通信の基本原理です。低周波の無線信号は地球と電離層の間で跳ね返り、長距離を移動する可能性があるためです。早期警戒の地平線超えレーダーは、このような低周波の電波 (通常 50 MHz 未満) を使用します。ただし、ほとんどの軍用航空機搭載レーダーと防空レーダーは、電離層の特性プラズマ周波数​​よりも高い周波数を持つ VHF、UHF、マイクロ波帯域で動作するため、マイクロ波は電離層を透過でき、地上と通信衛星間の通信が可能であることがわかります (一部の周波数は電離層を透過できます)。

航空機の周囲のプラズマは入射する放射線を吸収し、航空機の金属部分からの信号反射を減らすことができるかもしれない。そうすれば、受信する信号が弱くなるため、航空機は遠距離のレーダーに事実上映らなくなるだろう。^[10]プラズマは反射波を変えて敵のレーダーシステムを混乱させるためにも使用されるかもしれない。例えば、反射放射線の周波数をシフトするとドップラーフィルタリングが妨げられ、反射放射線とノイズの区別が難しくなるかもしれない。

密度や温度などのプラズマ特性の制御は、プラズマ ステルス デバイスを機能させる上で重要であり、さまざまな種類のレーダー システムを効果的に無効化するには、プラズマの密度、温度、またはその組み合わせ、または磁場を動的に調整する必要がある場合があります。低観測性ジオメトリやレーダー吸収材料の使用などの従来の無線周波数ステルス技術に対するプラズマ ステルスの大きな利点は、プラズマが調整可能で広帯域であることです。周波数ホッピング レーダーに直面した場合、少なくとも原理的には、プラズマの温度と密度を変更して状況に対処することができます。最大の課題は、エネルギー効率を高く保ちながら、広い領域または体積のプラズマを生成することです。

プラズマステルス技術もさまざまな技術的問題に直面しています。たとえば、プラズマ自体は電磁放射を発しますが、スペクトルは通常弱く、ノイズのようなものです。また、プラズマが大気に再吸収され、移動する航空機の後ろにイオン化された空気の跡が残るまでにはある程度の時間がかかりますが、現時点ではこの種のプラズマの跡を遠距離から検出する方法はありません。3 番目に、プラズマ (グロー放電や蛍光灯など) は目に見える輝きを発する傾向がありますが、これは全体的な低視認性の概念と互換性がありません。最後に、高速で移動する航空機全体の周囲にレーダー吸収プラズマを生成することは非常に困難であり、必要な電力は膨大です。ただし、ターボジェットエンジンのファンブレード、エンジンの空気取り入れ口、垂直安定板、航空機搭載レーダーアンテナなど、航空機の最も反射率の高い表面の周囲にレーダー吸収プラズマを生成することで、航空機の RCS を大幅に削減することは可能です。

3次元差分時間領域シミュレーションを用いたプラズマベースのレーダー断面積低減技術に関する計算研究はいくつか行われている。Chungは、大気圏再突入時に発生する現象であるプラズマで覆われた金属円錐のレーダー断面積の変化を研究した。^[11] Chungは、一般的な衛星のレーダー断面積と、人工的に生成されたプラズマ円錐で覆われたときのレーダー断面積をシミュレートした。^[12]

この主題は明らかに軍事用途であるため、航空機のレーダー断面積 (RCS) に対するプラズマの影響に関する実験的研究はすぐに利用できるものはほとんどありませんが、プラズマとマイクロ波の相互作用は、一般的なプラズマ物理学でよく研究されている分野です。標準的なプラズマ物理学の参考書は良い出発点であり、通常、プラズマ内の波の伝播についていくらか時間をかけて説明しています。

航空機の RCS に対するプラズマの影響に関する最も興味深い論文の 1 つは、1963 年にIEEEによって発表されました。その論文のタイトルは「誘電体またはプラズマでコーティングされた導電性球体および円筒体のレーダー断面積」です (IEEE Transactions on Antennas and Propagation、1963 年 9 月、pp. 558–569)。その 6 年前の 1957 年に、ソ連は最初の人工衛星を打ち上げました。スプートニクを追跡しようとした際に、その電磁散乱特性が導電性球体に予想されるものと異なることが確認されました。これは、衛星がプラズマ シェル、つまり電離層の内部を移動していたためでした。

スプートニクのシンプルな形状は、プラズマが航空機の RCS に与える影響の理想的な例証となります。当然、航空機ははるかに複雑な形状になり、より多様な材料で作られることになりますが、基本的な影響は同じままです。スプートニクが電離層を高速で飛行し、自然に発生するプラズマ シェルに囲まれている場合、2 つの別々のレーダー反射が発生します。1 つは衛星の導電性表面からの反射、もう 1 つは誘電体プラズマ シェルからの反射です。

論文の著者らは、誘電体（プラズマ）シェルが物体のエコー領域を減少または増加させることを発見しました。2 つの反射のうちのどちらかがかなり大きい場合、弱い反射は全体的な効果にあまり影響しません。著者らはまた、前のセクションで説明したように、プラズマ シェルを貫通して物体の表面で反射する EM 信号はプラズマを通過する間に強度が低下すると述べています。

最も興味深い効果は、2 つの反射が同じ大きさのときに見られます。この状況では、2 つのコンポーネント (2 つの反射) が位相器として追加され、結果として生じるフィールドによって全体の RCS が決まります。これらの 2 つのコンポーネントが互いに位相がずれている場合、キャンセルが発生します。つまり、このような状況では RCS がゼロになり、オブジェクトはレーダーに完全に見えなくなります。

航空機の複雑な形状に対して同様の数値近似を実行することは困難であることがすぐにわかります。これには、特定の機体、プラズマの特性、空力的側面、入射放射線などに関する大量の実験データが必要です。対照的に、この論文で議論されている元の計算は、 1956 年に製造されたIBM 704コンピューターで少数の人々が行ったもので、当時は研究の背景がほとんどない新しいテーマでした。1963 年以降、科学と工学は大きく変化しており、金属球と現代の戦闘ジェット機の違いは比較にならないほどです。

プラズマステルスの単純な応用は、プラズマをアンテナとして使用することです。金属製のアンテナマストはレーダー断面積が大きいことがよくありますが、低圧プラズマで満たされた中空のガラス管もアンテナとして使用でき、使用されていないときはレーダーに対して完全に透明です。

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