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未来可期的“太空电源”空间自由活塞斯特林热电转换装置

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半个多世纪以来,人类追逐着浩渺繁星飞向更遥远的深空。随着空间技术的发展,深空探测成为进一步了解宇宙、加快科技进步的必然选择。同时,这也对高效率、高可靠、长寿命的空间电源提出更加迫切的需求。

前不久,据新华社消息,中国空间站航天技术试验领域再获新成果:空间自由活塞斯特林热电转换试验装置按照试验方案,顺利完成我国首次技术在轨试验,热电转换效率等综合技术指标达到国际先进水平。


什么是空间自由活塞斯特林热电转换装置?它为何成为空间电源的关键技术?它将怎样在深空探测中提供高效电源?请看解读——


深空探测的“电力心脏”


闭上眼想象,当我们踏进无垠深邃的太空,我们赖以生存的能量之源,绝大部分需要转化为电力才能使用。然而,传统空间电源在复杂的深空环境中存在诸多局限。就拿探月工程来说,常用的光伏电源和化学蓄电池,很难在14天的月夜期和-180℃极限温度的条件下满足正常需求。此外,宇宙射线中存在的多种高能粒子都有可能对电源造成不可预料的损害。长时间的持续工作,也会对电源的使用寿命提出更高挑战。可以肯定,未来的深空探测,需要一颗“力量强劲、持久跳动”的“电力心脏”。


科学家们尝试了各种不同的方案。谁能想到,20世纪初被淘汰的斯特林发电机,竟然逐渐在空间电源中显露出其不可替代的优势。改进后的空间自由活塞斯特林热电转换装置,更是逐渐成为各国公认的空间电源优选方案。


“空间自由活塞斯特林热电转换装置”——看似晦涩冗长的名称,却像是一张信息全面、概括精准的“身份证”。将其拆开来分别理解,就能读懂其中的“身份信息”:


——“热电转换装置”道出了本质。这是一种可将热能转化为电能的动态能量转换系统。所需的热能,可能来自放射性同位素、核能、太阳能等多种热源。也正因此,这种装置在深空探测中的意义尤为重要,在光照条件差、温度变化大等恶劣环境中,依然能够持续稳定地供应电力。


——“斯特林”指明了主体。一方面,这个名字体现出其工作原理遵循斯特林热力学循环;另一方面,它也说明斯特林发动机作为主体结构,与耦合发电机共同决定整体性能。作为理论热效率最高的热机,研究表明,与放射性同位素电源相比,空间自由活塞斯特林热电转换装置在输出相同功率的情况下,所需燃料减少了近75%。同时,其热效率也随着材料学、热力学和动力学的迅猛发展不断提高。这使得它在复杂深空环境中,具有独特竞争力。


——“自由活塞”强调了特性。区别于其他电源,空间自由活塞斯特林热电转换装置内部仅有两个活塞是运动部件。工作时,两个活塞进行循环直线运动,实现热能到机械能的转换,再通过发电机将机械能转换成电能。简单机械结构、单向往复运动等特性,使得该装置具有工作寿命长、免维护自启动、系统稳定性和可控性强、运行振动和噪声弱等诸多深空探测所需的优点。


竞相抢夺的科技制高点


自1964年空间自由活塞斯特林热电转换装置发明以来,由于预见其在空间应用的良好前景,各国纷纷开展了大量研究。


美国航空航天局持续关注和支持空间自由活塞斯特林热电转换装置的研究。1989年,美国航空航天局研究人员设计研制了演示样机,进一步确定了其在深空探测中的应用潜力。2004年开始,针对月球和火星探测,美国航空航天局与多家科技公司联合,研发了多种型号的大功率样机,并对不同运行参数的整机性能进行了多次综合测试,积累了大量实验数据。2010年,美国航空航天局发布了空间斯特林发电机继续研究项目指南,宣布空间斯特林发电技术已经进入飞行件研制阶段,计划应用于未来的航天任务。


1997年,日本国家空间实验室就开始了空间太阳能热动力斯特林发电相关技术的研究。他们先后研制了空腔型太阳能集热器、斯特林热电转换器等,最高能量转换效率达到32%,并在日本空间飞行器上进行了搭载试验。


我国在空间斯特林发电领域虽然起步较晚,但科研人员从未在困难面前低头。研制过程中,我国科研人员先后攻克了多项关键技术,最终顺利完成了在轨测试和在轨试验。实验中,整机全程运行稳定,性能指标超出预期验证目标,多个方面达到非常优异的水平。


随着我国空间站建造全面完成、国家太空实验室正式建成,空间自由活塞斯特林热电转换装置将进一步验证斯特林热电转换技术在深空环境中的适应性及可靠性,为我国空间先进电源技术的发展提供技术支持,为未来迈向深空宇宙提供关键技术储备。


任重道远的“电力自由”


可以预料,未来深空探测的任务周期将以年甚至十年来计算,这对空间电源的工作效率、稳定性和寿命要求极高。纵观空间自由活塞斯特林热电转换装置的发展历程,为早日推出能够满足实际任务需求的技术成品,仍需要在以下方面持续用力:


研究方法趋于多目标优化。空间自由活塞斯特林热电转换装置涉及电磁学、动力学、热力学等多个学科领域,影响因素非常多,因此准确的理论分析方法可大大提高设计和优化的精度和可预测性。目前,多目标优化的理论分析方法,成为国内外研究热点。科研人员借鉴其他领域的算法,对多目标优化方法进行改良,有望助力科研人员得到更加优良的理论模型。


长寿命技术依赖“一题多解”。根据计算,空间自由活塞斯特林热电转换装置工作14年要经历350亿次循环,如何让运动部件处于无磨损状态是保证长寿命的关键。目前,间隙密封技术是保证非接触运行、减少磨损的重要方法,但用来提供密封的气体可能泄漏从而带来污染,如何降低气体泄漏概率是未来研究中不可忽视的问题。另外,科研人员也在研究用其他方法来获得更好的无磨损运行状态。


高性能材料有待突破。由于高温高压的内部条件,材料的合理选择,对于空间自由活塞斯特林热电转换装置整体的可靠性至关重要。目前,金属材料最常用的是镍基合金钢,其工作温度在650℃左右。金属基陶瓷、先进超级合金等高强度材料,因其工作温度可达1050℃~1200℃,具有更高的导热率和耐热性,正在被研究替代镍基合金钢,以期获得更高的循环效率。对于非金属材料的选择,则更侧重于热稳定性、抗老化和抗辐射等性能。环氧树脂、碳化硅、氧化铝等不断涌现的有机材料,正在成为国内外研究的重点。


相信,随着技术的进步,我们将拥有更加可靠的“太空电源”,支撑着人类迈向更深邃的宇宙。