關于斯特林引擎的實驗探究

■袁中和

關于斯特林引擎的實驗探究

■袁中和

AIP是air indepndentpropulsion的縮寫，意即不依賴空氣推進。指潛艇在水下不依賴外界的空氣也能提供動力的能源系統。

中國AIP潛艇是“綠色核潛艇”，既有核潛艇的大巡航力又沒有核潛艇潛在的危害和高成本。其已進入實用階段的關鍵之一是斯特林引擎。

英國人斯特林(1790～1878年)最初發明將熱能轉化為機械能的裝置，稱為斯特林引擎，其模型如圖所示：

一、斯特林引擎的構造和原理

斯特林引擎是通過怎樣的構造使其運轉起來，不通過耗氧燃燒直接將熱能轉化為機械能的呢？以下以下熱上冷的情況為例，用手轉動旋轉板，觀察各部分的運動情況及其效果。

如上圖所示，大活塞(圖中深色長方形所示)和小活塞(圖中與曲軸連桿相連的小長方形所示)的運動是關鍵。工作活塞(小活塞)和替換活塞(大活塞)之間通過曲軸連接(90度連接)替換活塞氣缸內的密閉空氣被加熱后，受熱膨脹，從而推動工作活塞向外運動且使滑輪旋轉；當工作活塞向外運動時，替換活塞被推入已加熱的氣缸內，熱空氣由于替換活塞的推進被壓入冷卻裝置內并降溫體積縮小，工作活塞又被重新推入氣缸內，并保持滑輪旋轉，而又使替換活塞向上運動，從而使冷卻裝置內的冷空氣又注入熱氣缸內。

注意在整個運動過程中，大小活塞的運動方向總是相反的。

筆者制作的斯特林引擎如圖所示

二、斯特林引擎的實驗操作

1．動起來通過熱水、冰、手掌的熱度和氣溫四種溫度制造溫差。筆者制作的模型大約有30度左右的溫差就可使引擎動起來。

斯特林引擎無法自動運轉，需要對模型手動幫助。其旋轉方向由溫差決定，如上圖所示。

2．熱水實驗將杯中裝熱水，把模型放在杯子上，稍等。

將旋轉板輕輕旋轉當模型開始工作時，旋轉板會自動旋轉。

3．冰實驗

利用冰和空氣的溫差使模型運轉，剛從冰箱中拿出的冰大約是零下10度，若此時空氣溫度不太低的話則可正常運轉，冰可直接入在鋁板上如圖所示，將冰裝入密封袋中操作起來會更方便。

4．放在手掌上實驗

將冰放在鋁板上，同時將模型放在手掌上，冰與手掌的溫差，盡量將鋁板貼緊手掌，另一支手最好支撐住這只手掌。

5．氣溫實驗

利用手掌的體溫與氣溫的溫差，使模型運轉，根據當時氣溫不同，手掌的熱傳遞至氣缸需要一些時間，盡量將下鋁板緊貼手掌，盡量不要挪動手掌是關鍵。

由于斯特林引擎沒有燃料爆燃的工作沖程，因此幾乎不產生噪聲和廢氣，綠色環保而且可無聲航行，隱敝性非常好。

三、斯特林引擎的實際應用

斯特林引擎的結構和性能特點決定了其廣泛的應用前景，這里僅就其在現代軍事中的重要應用做一點簡單說明。

常規柴電動力潛艇在水面航行時使用柴油機，水下航行則使用蓄電池。而蓄電池容量有限，潛航一段時間后就得上浮至通氣狀態，利用柴油機為蓄電池充電。而反潛設施在很遠的距離就可探測到潛艇升出水面的通氣管，因而被定位攻擊。可見有限的續航能力是常規動力潛艇的致命弱點。

核動力潛艇可以有幾乎無限的水下續航力，但它有著潛在的巨大危險性和高成本。

裝備了AIP系統的常規潛艇被稱之為“綠色核潛艇”，它不需要空氣即可正常運行，既有較長的續航力，又沒有核潛艇的巨大危險性和高成本，因而受到廣泛重視。

四、教學中的應用

在傳統的熱學和力學教學中，對于模塊單元的基礎性內容是教學的重點，比如熱機的四個沖程、曲軸連桿機構傳動裝置等等，但對于模塊間的較深層次的跨接勾連卻甚少突破，斯特林引擎的探究，不斷對傳統的基礎內容(四沖程、能量轉換)有所突破，而且對熱學與力學這兩大模塊間的內在聯系上有了全新的意義。

武漢市教科院）

責任編輯 姚遠