未來(lái)可期的“太空電源”：空間自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換裝置

文 梁 南 代 鵬 王凌碩

第十四屆中國(guó)航展上的中國(guó)空間站組合體展示艙（圖源：新華社）

半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，人類(lèi)追逐著浩渺繁星飛向更遙遠(yuǎn)的深空。隨著空間技術(shù)的發(fā)展，深空探測(cè)成為進(jìn)一步了解宇宙、加快科技進(jìn)步的必然選擇。同時(shí)，這也對(duì)高效率、高可靠、長(zhǎng)壽命的空間電源提出更加迫切的需求。

前不久，據(jù)新華社消息，中國(guó)空間站航天技術(shù)試驗(yàn)領(lǐng)域再獲新成果：空間自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換試驗(yàn)裝置按照試驗(yàn)方案，順利完成我國(guó)首次技術(shù)在軌試驗(yàn)，熱電轉(zhuǎn)換效率等綜合技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

什么是空間自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換裝置？它為何成為空間電源的關(guān)鍵技術(shù)？它將怎樣在深空探測(cè)中提供高效電源？請(qǐng)看解讀——

深空探測(cè)的“電力心臟”

在無(wú)垠深邃的太空，我們賴(lài)以生存的能量之源，絕大部分需要轉(zhuǎn)化為電力才能使用。然而，傳統(tǒng)空間電源在復(fù)雜的深空環(huán)境中存在諸多局限。就拿探月工程來(lái)說(shuō)，常用的光伏電源和化學(xué)蓄電池，很難在14天的月夜期和-180℃極限溫度的條件下滿(mǎn)足正常需求。此外，宇宙射線(xiàn)中存在的多種高能粒子都有可能對(duì)電源造成不可預(yù)料的損害。長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)工作，也會(huì)對(duì)電源的使用壽命提出更高挑戰(zhàn)?？梢钥隙?，未來(lái)的深空探測(cè)，需要一顆“力量強(qiáng)勁、持久跳動(dòng)”的“電力心臟”。

科學(xué)家們嘗試了各種不同的方案。誰(shuí)能想到，20世紀(jì)初被淘汰的斯特林發(fā)電機(jī)，竟然逐漸在空間電源中顯露出其不可替代的優(yōu)勢(shì)。改進(jìn)后的空間自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換裝置，更是逐漸成為各國(guó)公認(rèn)的空間電源優(yōu)選方案。

“空間自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換裝置”——看似晦澀冗長(zhǎng)的名稱(chēng)，卻像是一張信息全面、概括精準(zhǔn)的“身份證”。將其拆開(kāi)來(lái)分別理解，就能讀懂其中的“身份信息”：

——“熱電轉(zhuǎn)換裝置”道出了本質(zhì)。

這是一種可將熱能轉(zhuǎn)化為電能的動(dòng)態(tài)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。所需的熱能，可能來(lái)自放射性同位素、核能、太陽(yáng)能等多種熱源。也正因此，這種裝置在深空探測(cè)中的意義尤為重要，在光照條件差、溫度變化大等惡劣環(huán)境中，依然能夠持續(xù)穩(wěn)定地供應(yīng)電力。

——“斯特林”指明了主體。

一方面，這個(gè)名字體現(xiàn)出其工作原理遵循斯特林熱力學(xué)循環(huán)；另一方面，它也說(shuō)明斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)作為主體結(jié)構(gòu)，與耦合發(fā)電機(jī)共同決定整體性能。作為理論熱效率最高的熱機(jī)，研究表明，與放射性同位素電源相比，空間自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換裝置在輸出相同功率的情況下，所需燃料減少了近75%。同時(shí)，其熱效率也隨著材料學(xué)、熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的迅猛發(fā)展不斷提高。這使得它在復(fù)雜深空環(huán)境中，具有獨(dú)特競(jìng)爭(zhēng)力。

——“自由活塞”強(qiáng)調(diào)了特性。

區(qū)別于其他電源，空間自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)部?jī)H有兩個(gè)活塞是運(yùn)動(dòng)部件。工作時(shí)，兩個(gè)活塞進(jìn)行循環(huán)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)熱能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，再通過(guò)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。簡(jiǎn)單機(jī)械結(jié)構(gòu)、單向往復(fù)運(yùn)動(dòng)等特性，使得裝置具有工作壽命長(zhǎng)、免維護(hù)自啟動(dòng)、系統(tǒng)穩(wěn)定性和可控性強(qiáng)、運(yùn)行振動(dòng)和噪聲弱等諸多深空探測(cè)所需的優(yōu)點(diǎn)。

競(jìng)相搶奪的科技制高點(diǎn)

自1964年空間自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換裝置發(fā)明以來(lái)，由于預(yù)見(jiàn)其在空間應(yīng)用的良好前景，各國(guó)紛紛開(kāi)展了大量研究。

美國(guó)航空航天局持續(xù)關(guān)注和支持空間自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換裝置的研究。1989年，美國(guó)航空航天局研究人員設(shè)計(jì)研制了演示樣機(jī)，進(jìn)一步確定了其在深空探測(cè)中的應(yīng)用潛力。2004年開(kāi)始，針對(duì)月球和火星探測(cè)，美國(guó)航空航天局與多家科技公司聯(lián)合，研發(fā)了多種型號(hào)的大功率樣機(jī)，并對(duì)不同運(yùn)行參數(shù)的整機(jī)性能進(jìn)行了多次綜合測(cè)試，積累了大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。2010年，美國(guó)航空航天局發(fā)布了空間斯特林發(fā)電機(jī)繼續(xù)研究項(xiàng)目指南，宣布空間斯特林發(fā)電技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入飛行件研制階段，計(jì)劃應(yīng)用于未來(lái)的航天任務(wù)。

1997年，日本國(guó)家空間實(shí)驗(yàn)室就開(kāi)始了空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力斯特林發(fā)電相關(guān)技術(shù)的研究。他們先后研制了空腔型太陽(yáng)能集熱器、斯特林熱電轉(zhuǎn)換器等，最高能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到32%，并在日本空間飛行器上進(jìn)行了搭載試驗(yàn)。

我國(guó)在空間斯特林發(fā)電領(lǐng)域雖然起步較晚，但科研人員從未在困難面前低頭。研制過(guò)程中，我國(guó)科研人員先后攻克了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，最終順利完成了在軌測(cè)試和在軌試驗(yàn)。試驗(yàn)中，整機(jī)全程運(yùn)行穩(wěn)定，性能指標(biāo)超出預(yù)期驗(yàn)證目標(biāo)，多個(gè)方面達(dá)到非常優(yōu)異的水平。

隨著我國(guó)空間站建造全面完成、國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室正式建成，空間自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換裝置將進(jìn)一步驗(yàn)證斯特林熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)在深空環(huán)境中的適應(yīng)性及可靠性，為我國(guó)空間先進(jìn)電源技術(shù)的發(fā)展提供技術(shù)支持，為未來(lái)邁向深空宇宙提供關(guān)鍵技術(shù)儲(chǔ)備。

任重道遠(yuǎn)的“電力自由”

可以預(yù)料，未來(lái)深空探測(cè)的任務(wù)周期將以年甚至10年來(lái)計(jì)算，這對(duì)空間電源的工作效率、穩(wěn)定性和壽命要求極高。縱觀空間自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換裝置的發(fā)展歷程，為早日推出能夠滿(mǎn)足實(shí)際任務(wù)需求的技術(shù)成品，仍需要在以下方面持續(xù)用力：

研究方法趨于多目標(biāo)優(yōu)化。空間自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換裝置涉及電磁學(xué)、動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，影響因素非常多，因此準(zhǔn)確的理論分析方法可大大提高設(shè)計(jì)和優(yōu)化的精度和可預(yù)測(cè)性。目前，多目標(biāo)優(yōu)化的理論分析方法成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)?？蒲腥藛T借鑒其他領(lǐng)域的算法，對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化方法進(jìn)行改良，有望助力科研人員得到更加優(yōu)良的理論模型。

長(zhǎng)壽命技術(shù)依賴(lài)“一題多解”。根據(jù)計(jì)算，空間自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換裝置工作14年要經(jīng)歷350億次循環(huán)，如何讓運(yùn)動(dòng)部件處于無(wú)磨損狀態(tài)是保證長(zhǎng)壽命的關(guān)鍵。目前，間隙密封技術(shù)是保證非接觸運(yùn)行、減少磨損的重要方法，但用來(lái)提供密封的氣體可能泄漏從而帶來(lái)污染，如何降低氣體泄漏概率是未來(lái)研究中不可忽視的問(wèn)題。另外，科研人員也在研究用其他方法獲得更好的無(wú)磨損運(yùn)行狀態(tài)。

高性能材料有待突破。由于高溫高壓的內(nèi)部條件，材料的合理選擇，對(duì)于空間自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換裝置整體的可靠性至關(guān)重要。目前，金屬材料最常用的是鎳基合金鋼，其工作溫度在650℃左右。金屬基陶瓷、先進(jìn)超級(jí)合金等高強(qiáng)度材料，因其工作溫度可達(dá)1050℃～1200℃，具有更高的導(dǎo)熱率和耐熱性，正在被研究替代鎳基合金鋼，以期獲得更高的循環(huán)效率。對(duì)于非金屬材料的選擇，則更側(cè)重于熱穩(wěn)定性、抗老化和抗輻射等性能。環(huán)氧樹(shù)脂、碳化硅、氧化鋁等不斷涌現(xiàn)的有機(jī)材料，正在成為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)。

相信，隨著技術(shù)的進(jìn)步，人類(lèi)將擁有更加可靠的“太空電源”，支撐著人類(lèi)邁向更深邃的宇宙。