戍天九思：首次在轨验证！中国太空核动力技术取得重大...

lameihua

　　动力技术和信息技术是文明的两大标志，一个国家最根本的落后是动力技术和信息技术的落后。

　　据央视4月1日报道，近日，空间高效自由活塞斯特林热电转换试验装置顺利完成在轨试验，这是我国首次实现该技术在轨验证。斯特林热电转换是空间新能源的关键技术之一，可将热能高效转化为电能，减少对传统太阳能的依赖，在未来载人月球及深空探测等空间任务中具有广阔应用前景。其原理是英国科学家斯特林在1816年发明的。

　　笔者认为，这是中国斯特林热电转换装置太空试验的小一步，可能是人类太空核动力技术进步的一大步。至此，中国已迈出太空核动力技术四大门槛：第四代小型核电技术、大功率斯特林发动机技术、大功率霍尔效应推进器和斯特林热电转换太空试验。

　　为什么200多年前的斯特林发动机没有普及？现在才开始在太空实验？

　　传统的柴油发动机、汽油发动机叫内燃机，斯特林发动机叫外燃机，也称为热气机。其工作原理既古老又简单——热胀冷缩，通过气缸内工作介质经过冷却、压缩、吸热、膨胀为一个周期的循环来输出动力。

　　▲网友“水牛爱科学”用针筒现场制作的斯特林发动机模型，点火就能动，太直观了，真是天才！

　　斯特林发动机有两大优点：

　　一个是效率高、噪声低。斯特林发动机是所有热力循环发动机中效率最高的，具有结构简单、效率高、质量轻、启动快、振动小、噪声低、安全可靠等优点。

　　另一个是不挑热源。只要能发热，无论是蒸汽、太阳能、燃油、煤炭、木柴，还是核燃料棒，只要有温差就能工作。

　　斯特林发动机发明200多年来，之所以没有得到普及有三大原因：

　　一是功率小。内燃机的功率体积密度远高于斯特林发动机，目前世界上功率最大的柴油发动机功率为80080千瓦，而斯特林发动机功率过去一直只有几十千瓦。2021年12月，中国才发明了全球单机功率最大的斯特林发动机功率为320千瓦。

　　二是技术难度大。目前，全球只有中国和瑞典有大功率的斯特林发动机，而且中国后来居上、超越瑞典。日本苍龙级AIP潜艇配有4台瑞典的MK3斯特林发动机，单机功率只有75千瓦，不到中国的四分之一。

　　三是价格昂贵应用少。目前，斯特林发动机主要用于AIP潜艇，有能力造潜艇的国家又不多，像美俄这样有先进核动力技术的国家，对斯特林发动机并没有刚需，还有的国家则看好燃料电池，因此斯特林发动机应用很少。

　　可见，斯特林发动机虽然原理简单，但要高效实现很难，而要做大功率更难，在太空中实现难上加难。下一步，斯特林发动机可能作为太空新动力，中国是第一个成功在太空进行斯特林热电转换装置实验的国家。

　　为什么有太阳能发电技术还要研发斯特林热电转换技术？

　　目前，虽然太阳能发电技术已经很成熟了，但是，太阳能的能量密度小，发电功率小，难以满足深空探索对能源的巨大需求。

　　中国空间站180吨，共有12个大小太阳能电池板，发电总功率100千瓦。国际空间站400多吨，16个太阳能电池板，其面积比中国的大30%，但总功率也只有100千瓦。由于受太阳能功率小的限制，目前，许多大功率的试验在空间站都无法进行，能源成为深空探索的一大瓶颈。

　　由于深空是没有任何气体的真空，根据作用力与反作用力的原理，目前只能靠往外喷出高速流体的火箭发动机和霍尔效率推进器作动力。而霍尔效率推进器的效率是普通火箭发动机的10倍，因此，深空探索最理想的推进器是霍尔效率推进器。

　　但是，霍尔效应推进器是电老虎。美国最先进、推力最大的霍尔效应推进器是X-3，功率为104千瓦，推力为5.4牛；中国最先进、推力最大的霍尔效应推进器是HET-450，功率为105千瓦，推力为4.6牛。如果采用4台这种霍尔效应推进器进行火星探索，单程可由现在的5个多月缩短为2个月，但其功率将超过400千瓦，太阳能很难实现。目前整个空间站的太阳能还不够一个霍尔效应推进器使用的。

　　未来，如果把小型核反应堆与斯特林热电转换装置配套使用，才有可能驱动功率和推力更大的霍尔效应推进器，才有强大而持久的动力更好地进行深空探索。

　　中国领先的斯特林发动机技术正引发太空动力革命

　　笔者认为，这次中国斯特林热电转换试验装置顺利完成在轨试验，虽然是小功率的，只是在太空证验了斯特林热电转换技术方案的可行性，但是，更加振奋人心的消息还有中国造出了世界上功率最大的斯特林发动机。

　　2021年12月21日，《中国船舶报》发了一个消息称。消息称，近日国内首台大缸径斯特林发动机基础样机在中国船舶集团有限公司旗下第711研究所（海船用柴油机研究所）顺利完成性能试验。该基础样机额定功率达320千瓦，热功转换效率达40%，是目前国际上已知斯特林发动机的最高水平。该基础样机的研制成功，标志着我国在大缸径斯特林发动机关键技术及制造工艺上获得了重要突破，将为后续兆瓦级斯特林发动机的研制打下良好的基础。

　　笔者认为，中国在大缸径斯特林发动机的重大突破，必将引发AIP潜艇技术革命和太空核动力技术革命。太空核动力由小型核反应堆、大功率斯特林发动机和大功率霍尔效率推进器三种动力的组成，前面讲了有四大门槛。

　　核动力用的都是“烧开水”办法，通过蒸汽轮机把热能转化为机械能和电能。蒸汽轮机中有锅炉和冷凝器，其体积和重量都很庞大、很难缩小，因为两个巨大的热交换器摆在那里，因此核动力很难小型化。还因为现在的核动力为了提高热效率都采用高温高压蒸汽（360℃、70个大气压），对设备要求很高，因而成本也很高，核动力的安全风险也源于此。如果用大缸径的斯特林发动机取代蒸汽轮机，不仅可使核动力小型化、提高效率，而且可大幅降低工作压力和温度，进一步提高核动力的安全性。

　　从上个世纪70年代开始，美国就一直在研究太空斯特林发动机，但是，最被看好的一个项目，在2013年还是被取消了，至今美国也没在太空进行相关项目的实际测试或使用。

　　据路透社报道，今年1月24日，美国宇航局局长比尔·纳尔逊宣布，将与美国防部合作，计划最早在2027年测试核动力航天器（使用斯特林技术的Kilopower 反应堆），以展示未来将航天员送抵火星的更有效方式。

　　2021年12月，英国航天局也宣布已与罗尔斯·罗伊斯公司签订合同，为太空探索开发核系统，为未来的月球基地提供动力。

　　可见，太空核动力正成为大国博弈的焦点。目前，中国已迈出太空核动力技术的四大门槛，总体技术领先，十分难得，可喜可贺。

　　从俄罗斯宣布成功研制“海燕”核导弹和“波塞冬”核鱼雷的情况看，俄罗斯已经实现了核动力小型化，太空核动力技术可能也卡在大功率斯特林发动机技术上。

　　美国和英国都卡在核动力小型化和大功率斯特林发动机技术上，也都没有进行过太空斯特林热电转换试验。