未來可期的“太空電源”：空間自由活塞斯特林熱電轉換裝置

文 梁 南 代 鵬 王凌碩

第十四屆中國航展上的中國空間站組合體展示艙（圖源：新華社）

半個多世紀以來，人類追逐著浩渺繁星飛向更遙遠的深空。隨著空間技術的發展，深空探測成為進一步了解宇宙、加快科技進步的必然選擇。同時，這也對高效率、高可靠、長壽命的空間電源提出更加迫切的需求。

前不久，據新華社消息，中國空間站航天技術試驗領域再獲新成果：空間自由活塞斯特林熱電轉換試驗裝置按照試驗方案，順利完成我國首次技術在軌試驗，熱電轉換效率等綜合技術指標達到國際先進水平。

什么是空間自由活塞斯特林熱電轉換裝置？它為何成為空間電源的關鍵技術？它將怎樣在深空探測中提供高效電源？請看解讀——

深空探測的“電力心臟”

在無垠深邃的太空，我們賴以生存的能量之源，絕大部分需要轉化為電力才能使用。然而，傳統空間電源在復雜的深空環境中存在諸多局限。就拿探月工程來說，常用的光伏電源和化學蓄電池，很難在14天的月夜期和-180℃極限溫度的條件下滿足正常需求。此外，宇宙射線中存在的多種高能粒子都有可能對電源造成不可預料的損害。長時間的持續工作，也會對電源的使用壽命提出更高挑戰。可以肯定，未來的深空探測，需要一顆“力量強勁、持久跳動”的“電力心臟”。

科學家們嘗試了各種不同的方案。誰能想到，20世紀初被淘汰的斯特林發電機，竟然逐漸在空間電源中顯露出其不可替代的優勢。改進后的空間自由活塞斯特林熱電轉換裝置，更是逐漸成為各國公認的空間電源優選方案。

“空間自由活塞斯特林熱電轉換裝置”——看似晦澀冗長的名稱，卻像是一張信息全面、概括精準的“身份證”。將其拆開來分別理解，就能讀懂其中的“身份信息”：

——“熱電轉換裝置”道出了本質。

這是一種可將熱能轉化為電能的動態能量轉換系統。所需的熱能，可能來自放射性同位素、核能、太陽能等多種熱源。也正因此，這種裝置在深空探測中的意義尤為重要，在光照條件差、溫度變化大等惡劣環境中，依然能夠持續穩定地供應電力。

——“斯特林”指明了主體。

一方面，這個名字體現出其工作原理遵循斯特林熱力學循環；另一方面，它也說明斯特林發動機作為主體結構，與耦合發電機共同決定整體性能。作為理論熱效率最高的熱機，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，其熱效率也隨著材料學、熱力學和動力學的迅猛發展不斷提高。這使得它在復雜深空環境中，具有獨特競爭力。

——“自由活塞”強調了特性。

區別于其他電源，空間自由活塞斯特林熱電轉換裝置內部僅有兩個活塞是運動部件。工作時，兩個活塞進行循環直線運動，實現熱能到機械能的轉換，再通過發電機將機械能轉換成電能。簡單機械結構、單向往復運動等特性，使得裝置具有工作壽命長、免維護自啟動、系統穩定性和可控性強、運行振動和噪聲弱等諸多深空探測所需的優點。

競相搶奪的科技制高點

自1964年空間自由活塞斯特林熱電轉換裝置發明以來，由于預見其在空間應用的良好前景，各國紛紛開展了大量研究。

美國航空航天局持續關注和支持空間自由活塞斯特林熱電轉換裝置的研究。1989年，美國航空航天局研究人員設計研制了演示樣機，進一步確定了其在深空探測中的應用潛力。2004年開始，針對月球和火星探測，美國航空航天局與多家科技公司聯合，研發了多種型號的大功率樣機，并對不同運行參數的整機性能進行了多次綜合測試，積累了大量實驗數據。2010年，美國航空航天局發布了空間斯特林發電機繼續研究項目指南，宣布空間斯特林發電技術已經進入飛行件研制階段，計劃應用于未來的航天任務。

1997年，日本國家空間實驗室就開始了空間太陽能熱動力斯特林發電相關技術的研究。他們先后研制了空腔型太陽能集熱器、斯特林熱電轉換器等，最高能量轉換效率達到32%，并在日本空間飛行器上進行了搭載試驗。

我國在空間斯特林發電領域雖然起步較晚，但科研人員從未在困難面前低頭。研制過程中，我國科研人員先后攻克了多項關鍵技術，最終順利完成了在軌測試和在軌試驗。試驗中，整機全程運行穩定，性能指標超出預期驗證目標，多個方面達到非常優異的水平。

隨著我國空間站建造全面完成、國家太空實驗室正式建成，空間自由活塞斯特林熱電轉換裝置將進一步驗證斯特林熱電轉換技術在深空環境中的適應性及可靠性，為我國空間先進電源技術的發展提供技術支持，為未來邁向深空宇宙提供關鍵技術儲備。

任重道遠的“電力自由”

可以預料，未來深空探測的任務周期將以年甚至10年來計算，這對空間電源的工作效率、穩定性和壽命要求極高。縱觀空間自由活塞斯特林熱電轉換裝置的發展歷程，為早日推出能夠滿足實際任務需求的技術成品，仍需要在以下方面持續用力：

研究方法趨于多目標優化。空間自由活塞斯特林熱電轉換裝置涉及電磁學、動力學、熱力學等多個學科領域，影響因素非常多，因此準確的理論分析方法可大大提高設計和優化的精度和可預測性。目前，多目標優化的理論分析方法成為國內外研究熱點。科研人員借鑒其他領域的算法，對多目標優化方法進行改良，有望助力科研人員得到更加優良的理論模型。

長壽命技術依賴“一題多解”。根據計算，空間自由活塞斯特林熱電轉換裝置工作14年要經歷350億次循環，如何讓運動部件處于無磨損狀態是保證長壽命的關鍵。目前，間隙密封技術是保證非接觸運行、減少磨損的重要方法，但用來提供密封的氣體可能泄漏從而帶來污染，如何降低氣體泄漏概率是未來研究中不可忽視的問題。另外，科研人員也在研究用其他方法獲得更好的無磨損運行狀態。

高性能材料有待突破。由于高溫高壓的內部條件，材料的合理選擇，對于空間自由活塞斯特林熱電轉換裝置整體的可靠性至關重要。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、先進超級合金等高強度材料，因其工作溫度可達1050℃～1200℃，具有更高的導熱率和耐熱性，正在被研究替代鎳基合金鋼，以期獲得更高的循環效率。對于非金屬材料的選擇，則更側重于熱穩定性、抗老化和抗輻射等性能。環氧樹脂、碳化硅、氧化鋁等不斷涌現的有機材料，正在成為國內外研究的重點。

相信，隨著技術的進步，人類將擁有更加可靠的“太空電源”，支撐著人類邁向更深邃的宇宙。