Plasma stealth - Définition

Généralités sur les plasmas

Un plasma est un mélange dont la somme des charges électriques est proche de zéro et qui est composé d'ions (atomes ionisés qui possèdent une charge), d'électrons et de particules neutres (avec la possibilité d'avoir des atomes non–ionisés). Tous les plasmas ne sont pas ionisés à 100 %. Pratiquement toute la matière de l'univers est sous forme de plasma, les états solides, liquides et gazeux sont exceptionnels en dehors des planètes elles-mêmes. Les plasmas ont de nombreuses applications, de l'éclairage fluorescent à la fabrication des semi-conducteurs.

Les plasmas interagissent fortement avec le rayonnement électromagnétique et c'est pourquoi ils peuvent raisonnablement être employés pour modifier la signature radar d'un objet. L'interaction entre le plasma et le rayonnement électromagnétique dépend directement des propriétés physiques et des caractéristiques du plasma, et aussi, dans une moindre mesure, de sa température et de sa densité pour lesquelles ils possèdent un spectre extrêmement large. En effet, les températures sont comprises entre le proche zéro absolu et bien au-delà de 10⁹ kelvins (par comparaison, le tungstène fond à 3 700 kelvins), et pour la densité, les plasmas peuvent contenir moins d'une particule par mètre cube, ou être plus denses que le plomb. Le plasma est conducteur de l'électricité dans une plage importante de fréquences et de propriétés physiques, et sa réponse aux basses fréquences électromagnétiques est voisine de celle d'un métal, il se comporte comme un réflecteur. Pour modifier la SER d'un objet à l'aide de plasma il faut utiliser des fréquences suffisamment élevées pour que la conductivité du plasma autorise à la fois une forte interaction avec l'onde incidente, et pour que cette onde ne soit pas réfléchie mais absorbée et convertie en chaleur.

Les plasmas peuvent être utilisés avec de nombreux types d'onde, mais pour les plasmas non–magnétisés, le mieux est d'utiliser la fréquence plasma qui correspond à une compression dynamique des électrons. Pour les plasmas magnétisés une grande quantité de types d'onde peut être excitée et interagir avec les rayonnements électromagnétiques aux fréquences radar.

Recherche fondamentale à l'aide de Spoutnik

En raison des applications militaires évidentes de la furtivité plasma on possède peu de publications de travaux sur l'effet des plasmas sur la SER des avions, en revanche, les interactions entre les plasmas et les ondes ultracourtes sont un domaine bien connu de la physique générale des plasmas. Ces études sont un bon point de départ pour approcher la propagation des ondes dans les plasmas.

Un des articles les plus intéressants en relation avec les plasmas et la SER des avions a été publié en 1963 par l'IEEE. L'article s'appelle Radar cross sections of dielectric or plasma coated conducting spheres and circular cylinders (SER d'un diélectrique ou de plasma en couche autour d'une sphère ou d'un cylindre). Six ans plus tôt — en 1957 — les soviétiques lancent le premier satellite artificiel. Pendant les essais de poursuite de Spoutnik, il apparaît que la dispersion des rayonnements électromagnétiques à son voisinage est différente de ce qu'on pouvait attendre des propriétés d'une sphère. Ceci est dû à ce que le satellite a traversé une couche de plasma : la ionosphère.

La forme de sphère extrêmement simple du Spoutnik permet de se faire une bonne idée des effets des plasmas sur la SER d'un avion. Bien sûr, un avion a une forme beaucoup plus sophistiquée et est composé de matériaux différents, mais grossièrement, l'effet reste le même. Dans le cas de Spoutnik qui a traversé la ionosphère à grande vitesse et est entouré d'une « coque naturelle » de plasma on obtient deux échos radar distincts : le premier issu de la surface conductrice du satellite lui-même, l'autre produit par l'enveloppe diélectrique de plasma.

Les auteurs de l'article ont trouvé que l'enveloppe diélectrique (en plasma) peut, soit diminuer, soit augmenter la SER de l'objet. Si l'une des deux réflexions est notablement plus importante, la réflexion plus faible n'aura pas d'effet significatif sur le résultat global. Les auteurs ont également établi que le signal électromagnétique qui pénètre l'enveloppe de plasma et qui est réfléchi par la surface de l'objet verra son intensité diminuer au cours de son aller–retour dans le plasma ainsi que nous l'avons vu dans la section précédente.

L'effet le plus intéressant est observé lorsque les deux réflexions sont de magnitudes équivalentes. Dans ce cas, les deux valeurs seront ajoutées comme des phaseurs et le champ résultant déterminera la SER globale. Lorsque ces deux composantes sont en opposition de phase, elles s'annulent. Ceci signifie que lorsque ces circonstances sont réunies, la SER devient nulle et l'objet est totalement invisible pour les radars.

Cependant, il est évident qu'obtenir de telles valeurs numériques avec la forme complexe d'un avion doit être très compliqué. Ceci nécessiterait une importante banque de données expérimentales sur la forme particulière de l'avion considéré, sur les propriétés du plasma, sur l'aérodynamisme, sur les radiations incidentes, etc. D'un autre côté, les calculs originaux présentés dans cet article ont été exécutés sur un ordinateur IBM 704 conçu en 1956. À cette époque, le sujet était tout nouveau et on ne possédait que très peu de données expérimentales. La science a tellement évolué depuis, qu'on ne peut plus comparer sérieusement une sphère métallique et un avion de combat moderne.