空間斯特林熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)在軌試驗(yàn)

尹 釗，張 安，郭 佩，閆春杰，趙振昊，張學(xué)林，魏志明，陸登柏

（1.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094；2.蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

0 引言

隨著深空探測(cè)、載人登月等重大航天任務(wù)的發(fā)展，對(duì)不依賴太陽能的空間高效電源的需求愈發(fā)迫切，空間非太陽能熱電電源對(duì)載人登月、火星登陸等深空探測(cè)任務(wù)具有重要意義?？臻g放射性同位素電源具有高效率、長(zhǎng)壽命、不受光照影響的特點(diǎn)，有望成為未來深空探測(cè)任務(wù)的先進(jìn)空間電源系統(tǒng)［1-8］。空間放射性同位素電源通過靜態(tài)或動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換裝置將同位素?zé)崮苻D(zhuǎn)換為電能。傳統(tǒng)的放射性同位素溫差轉(zhuǎn)換器運(yùn)用靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，目前已開展了大量的空間應(yīng)用［9］。然而，其熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在溫度比為1.5 至2.0 時(shí)，熱電轉(zhuǎn)換效率不到8%，難以滿足未來深空探測(cè)對(duì)大功率空間電源的使用需求。為了進(jìn)一步提高空間同位素電源的效率和功率，滿足深空探測(cè)等航天任務(wù)的更高要求，可采用斯特林熱電轉(zhuǎn)換電源系統(tǒng)。作為應(yīng)用了新技術(shù)的系統(tǒng)，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、質(zhì)量輕、啟動(dòng)快、振動(dòng)小及噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，是未來深空探測(cè)等不依賴太陽能的空間任務(wù)的有益選擇，具有廣闊的應(yīng)用前景。通過采用閉式循環(huán)往復(fù)活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)將熱能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，并通過耦合線性交流發(fā)電機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，相對(duì)于靜態(tài)溫差發(fā)電等系統(tǒng)，斯特林熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)具有高效（在一定溫度比條件下效率可達(dá)30%）、高比功率的特點(diǎn)，在相同的功率輸出時(shí)，比靜態(tài)溫差發(fā)電系統(tǒng)的質(zhì)量輕，所需放射性同位素燃料的量減少將近3/4，在重量和成本上具有明顯優(yōu)勢(shì)［10-14］。

斯特林熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的另外一個(gè)特點(diǎn)是，其比功率隨著輸出功率的增大而增大，從而在大功率電源系統(tǒng)，如月球基地10 kW 級(jí)的能源系統(tǒng)中具有優(yōu)勢(shì)，可為將來月球能源基地項(xiàng)目提供技術(shù)支持。美國(guó)已初步?jīng)Q定進(jìn)行5 kW 規(guī)模的空間斯特林轉(zhuǎn)換器研究［6］。面向未來載人深空探測(cè)、小行星探測(cè)等任務(wù)需求，太陽能光伏發(fā)電已不能滿足能源需求，因此，急需開展不依賴太陽能的先進(jìn)能源技術(shù)在軌驗(yàn)證。目前空間斯特林熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)是空間高效能源技術(shù)研究的熱點(diǎn)。

空間斯特林轉(zhuǎn)換器一般采用自由活塞斯特林技術(shù)方案，其主要的技術(shù)特征為間隙密封、柔性彈簧（氣體靜壓軸承）支撐、直線交流轉(zhuǎn)換器、動(dòng)力活塞與配氣活塞純氣動(dòng)耦合。斯特林轉(zhuǎn)換器是斯特林熱機(jī)、直線交流轉(zhuǎn)換器和控制器高效耦合的系統(tǒng)，在所有熱機(jī)中循環(huán)效率最接近卡諾循環(huán)，熱電轉(zhuǎn)換效率最高，可以達(dá)到理論卡諾效率的60%。由于活塞與氣缸間的間隙密封技術(shù)和活塞之間流體傳動(dòng)結(jié)構(gòu)保證了零件無磨損，斯特林熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有長(zhǎng)壽命和高可靠性的特點(diǎn)。

斯特林發(fā)電機(jī)由雙自由活塞組成，兩者運(yùn)行相位窄，頻率高，容易發(fā)生相位漂移，從而造成停機(jī)?？臻g環(huán)境應(yīng)用對(duì)相位的影響在地面無法驗(yàn)證；斯特林發(fā)電機(jī)是機(jī)電熱高度集成系統(tǒng)，集熱和散熱系統(tǒng)在地面無法驗(yàn)證空間微重力條件對(duì)熱系統(tǒng)的影響，因此必須通過空間站開展驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證斯特林熱電轉(zhuǎn)換器和集成應(yīng)用系統(tǒng)的空間適應(yīng)性。

自1964年自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)發(fā)明以來，國(guó)際上開展了大量理論研究，研制了多種類型的斯特林發(fā)電樣機(jī)。其中，NASA 于2010 年在地面設(shè)計(jì)了12 kW 的對(duì)置式空間大功率斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)鈉鉀流體側(cè)熱端溫度為850 K、運(yùn)行頻率為60 Hz 時(shí)，斯特林發(fā)電機(jī)輸出功率分別為6 109 W 和6 048 W，轉(zhuǎn)換效率分別為26.5%和24.4%［15-16］。

國(guó)內(nèi)在斯特林發(fā)電技術(shù)方面也開展了相關(guān)的地面研究［17-21］。文獻(xiàn)［22］開展了百瓦級(jí)氣體軸承斯特林發(fā)電機(jī)研究，在熱端溫度898 K，冷端溫度293 K時(shí)，輸出最大電功率為101.1 W，效率為16.9%。文獻(xiàn)［10］開展了30 W 自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)的地面試驗(yàn)研究，對(duì)動(dòng)力學(xué)性能、發(fā)電輸出性能等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了地面驗(yàn)證。文獻(xiàn)［23］研制了百瓦級(jí)自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)樣機(jī)，探究了各參數(shù)對(duì)發(fā)電機(jī)輸出性能的影響。

上述研究均為基于地面實(shí)驗(yàn)室的研究，國(guó)內(nèi)外尚未開展斯特林熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)的空間試驗(yàn)或應(yīng)用。中國(guó)空間站工程航天技術(shù)試驗(yàn)領(lǐng)域，在空間站夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙航天基礎(chǔ)試驗(yàn)機(jī)柜中部署了空間自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換試驗(yàn)裝置，于2022 年12 月開展了高效自由活塞熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)在空間環(huán)境下的在軌試驗(yàn)，驗(yàn)證了空間微重力環(huán)境下雙活塞自由運(yùn)動(dòng)的間隙密封、雙活塞相位保持等關(guān)鍵技術(shù)，獲取了空間環(huán)境下雙自由活塞精確的運(yùn)動(dòng)相位保持及漂移特性、動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)強(qiáng)耦合特性等關(guān)鍵參數(shù)。該試驗(yàn)的研究旨在為我國(guó)未來載人深空探測(cè)、小行星探測(cè)等任務(wù)先進(jìn)空間電源系統(tǒng)的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，填補(bǔ)我國(guó)在該領(lǐng)域的研究空白。

本文梳理了空間自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換涉及的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)了空間自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換裝置的在軌試驗(yàn)方案，對(duì)在軌試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了斯特林熱電轉(zhuǎn)換裝置在空間環(huán)境下的適應(yīng)性，獲取了在軌熱電轉(zhuǎn)換效率，以期為未來深空探測(cè)新型電源系統(tǒng)的工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 關(guān)鍵技術(shù)與任務(wù)分析

1.1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1.1 動(dòng)態(tài)間隙密封技術(shù)

斯特林熱電轉(zhuǎn)換器是基于斯特林熱力循環(huán)的外燃機(jī)產(chǎn)品，其工作過程將外部輸入的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，帶動(dòng)直線發(fā)電機(jī)再轉(zhuǎn)換為電能，其內(nèi)部存在運(yùn)動(dòng)活塞。空間斯特林熱電轉(zhuǎn)換器為延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命、增加可靠性，一般采用動(dòng)態(tài)間隙密封技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)活塞與缸體間的非接觸間隙密封，保證運(yùn)動(dòng)部件在長(zhǎng)期高頻工作中無磨損。間隙密封的實(shí)現(xiàn)主要通過在密封部位進(jìn)行涂覆保護(hù)，同時(shí)采用板彈簧（本試驗(yàn)采用的技術(shù)方案）或氣體靜壓軸承來保持間隙密封的穩(wěn)定性和可靠性。雖然采用了高徑向/軸向剛度比的活動(dòng)件支撐方式，但運(yùn)動(dòng)活塞自身的重力影響非常明顯，容易造成活塞的偏心和磨損。因此在地面試驗(yàn)階段，為避免因重力因素引起的活塞偏心，轉(zhuǎn)換器采取熱頭豎直向上放置的方式。雖然這種放置方式能夠在一定程度上降低重力環(huán)境因素的影響，但是由于機(jī)器在空間的應(yīng)用布局方式為對(duì)置布局結(jié)構(gòu)（如圖1 所示），重力因素對(duì)二者的活動(dòng)造成的影響是反方向的，將造成兩臺(tái)機(jī)器運(yùn)動(dòng)特性的不一致，不能完全模擬在空間的運(yùn)動(dòng)行為。因此需在空間微重力環(huán)境下驗(yàn)證單機(jī)活動(dòng)件及雙機(jī)對(duì)置布局結(jié)構(gòu)在空間與地面運(yùn)動(dòng)的行為差別，確保在軌應(yīng)用期間性能的穩(wěn)定性。同時(shí)，如果造成活塞偏心和磨損，會(huì)造成壓縮腔壓力波減小，進(jìn)一步造成動(dòng)力活塞行程變小，最后電機(jī)輸出電壓變小，輸出功率下降。

圖1 斯特林發(fā)電機(jī)對(duì)置方式Fig.1 Opposed Stirling generators

1.1.2 雙自由活塞相位保持技術(shù)

自由活塞式斯特林熱電轉(zhuǎn)換器功能的實(shí)現(xiàn)主要依賴于配氣活塞和動(dòng)力活塞的相互運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)活塞不但要保持各自行程下穩(wěn)定運(yùn)行，而且兩個(gè)活塞之間必須以合適的相位差穩(wěn)定運(yùn)行。熱電轉(zhuǎn)換器內(nèi)充入了高純氣體工質(zhì)，工作過程中工質(zhì)隨著活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)在壓縮腔和膨脹腔之間流動(dòng)，在微重力環(huán)境下運(yùn)動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)行為會(huì)發(fā)生輕微改變，進(jìn)而會(huì)對(duì)工質(zhì)氣體在機(jī)器中流動(dòng)模式造成影響，也會(huì)對(duì)動(dòng)子系統(tǒng)阻尼以及配氣活塞和動(dòng)力活塞相位等方面造成影響，最終將會(huì)導(dǎo)致熱電轉(zhuǎn)換器的性能變化，包括整機(jī)運(yùn)行頻率不穩(wěn)定、輸出電壓和輸出功率減小、熱端溫度和冷端溫度上升。此外，斯特林熱電轉(zhuǎn)換器由雙自由活塞組成，兩者運(yùn)行相位窄，頻率高，容易發(fā)生相位漂移，從而可能造成停機(jī)。熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)直接決定雙活塞的運(yùn)行相位，熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)匹配及保持技術(shù)是保證斯特林熱電轉(zhuǎn)換器高可靠的關(guān)鍵。因此，需要通過空間環(huán)境試驗(yàn)準(zhǔn)確掌握微重力環(huán)境對(duì)雙自由活塞相位的影響規(guī)律。

1.1.3 熱電轉(zhuǎn)換器散熱技術(shù)

斯特林熱電轉(zhuǎn)換器工作動(dòng)力根本來源是壓縮腔和膨脹腔的壓力差，轉(zhuǎn)換器的效率和兩個(gè)腔的溫度有直接關(guān)系，膨脹腔的熱量來自于外部熱源，而壓縮腔的溫度控制靠熱控措施來實(shí)現(xiàn)。壓縮腔附近的間隙密封及保持機(jī)構(gòu)工作在中高溫度下，如膨脹腔間隙密封部位溫度在100 ℃～200 ℃，溫度因子對(duì)于間隙密封結(jié)構(gòu)的性能具有一定的影響作用，主要體現(xiàn)在較高溫度下密封結(jié)構(gòu)的熱脹效應(yīng)對(duì)密封可靠性的影響、對(duì)間隙尺寸的影響、對(duì)板彈簧剛度和疲勞強(qiáng)度的影響等。如果壓縮腔溫度過高，也會(huì)導(dǎo)致上述部位溫度過高和整機(jī)效率下降，因此需要通過適宜的熱控措施確保壓縮腔部位溫度在所要求的范圍內(nèi)。在地面試驗(yàn)階段主要通過循環(huán)冷卻水來冷卻壓縮腔，基本能滿足實(shí)際要求，但在空間中采用輻射散熱的方式，將多余的熱量通過表面輻射材料、熱輻射裝置或蒸發(fā)裝置散發(fā)到空間中去，與地面散熱方式不同。因此，在軌的熱控措施能否完全滿足要求，也需要通過在軌驗(yàn)證。

1.2 任務(wù)分析

天宮空間站能夠提供長(zhǎng)時(shí)間的微重力環(huán)境，微重力水平（殘余微振動(dòng)加速度）為10-3～10-4g。在此微重力條件下，地面重力效應(yīng)導(dǎo)致的流體（氣體）中的浮力對(duì)流、重力沉降、液體壓力梯度等現(xiàn)象基本消失，地面重力效應(yīng)所掩蓋的一些次級(jí)效應(yīng)凸顯導(dǎo)致流體形態(tài)和物理過程等發(fā)生顯著變化，同時(shí)還會(huì)對(duì)一些物理的實(shí)驗(yàn)條件產(chǎn)生重要影響。因此需要通過開展在軌試驗(yàn)，對(duì)重要的物理過程進(jìn)行驗(yàn)證。

本試驗(yàn)主要驗(yàn)證空間微重力環(huán)境對(duì)斯特林熱電轉(zhuǎn)換器整機(jī)效率和環(huán)境適應(yīng)性的影響，需在現(xiàn)有地面原理樣機(jī)基礎(chǔ)上，針對(duì)斯特林熱電轉(zhuǎn)換器在空間微重力環(huán)境的應(yīng)用特點(diǎn)，設(shè)計(jì)適用于空間微重力環(huán)境下的試驗(yàn)裝置。

根據(jù)空間高效自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換裝置試驗(yàn)驗(yàn)證目標(biāo)，分析本項(xiàng)目的驗(yàn)證任務(wù)為：

1）驗(yàn)證空間高效自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換裝置的熱電轉(zhuǎn)換效率；

2）驗(yàn)證空間高效自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換裝置的空間適應(yīng)性。

通過放射性同位素模擬熱源與自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)相結(jié)合，完成空間斯特林熱電轉(zhuǎn)換試驗(yàn)裝置研制，進(jìn)行空間站驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)主要開展斯特林熱電轉(zhuǎn)換整機(jī)效率驗(yàn)證及間隙密封、雙自由活塞相位保持等關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證。

1.3 試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

1）技術(shù)驗(yàn)證。對(duì)自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行空間站試驗(yàn)驗(yàn)證，突破雙活塞自由運(yùn)動(dòng)的間隙密封、雙活塞相位保持等關(guān)鍵技術(shù)，解決空間高效自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)在軌應(yīng)用涉及的熱控、振動(dòng)、噪聲等問題，開展自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)的轉(zhuǎn)換效率和空間適應(yīng)性驗(yàn)證，研制空間用斯特林熱電轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，滿足空間應(yīng)用需求，為未來空間高效同位素電源等不依賴太陽能任務(wù)的能源技術(shù)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2）產(chǎn)品功能驗(yàn)證。自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換裝置在空間能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的電能輸出應(yīng)用，完成空間用百瓦級(jí)斯特林熱電轉(zhuǎn)換器工程產(chǎn)品在軌驗(yàn)證應(yīng)用，獲得在軌熱電轉(zhuǎn)換效率。

2 在軌試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

本試驗(yàn)采用γ 型自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換器，主要包括雙氣缸和雙自由活塞。它由配氣活塞、動(dòng)力活塞、加熱器、回?zé)崞?、冷卻器、膨脹腔、壓縮腔和直線電機(jī)等多個(gè)部件組成，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。在發(fā)電機(jī)內(nèi)部充有高純氦氣，加熱器用于接收來自外熱源的加熱量，傳遞給流過其內(nèi)部工質(zhì)氦氣，氣體受熱壓力升高，推動(dòng)兩活塞在彈簧力作用下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。配氣活塞推動(dòng)工質(zhì)氣體在兩個(gè)腔體之間來回流動(dòng)，氣體工質(zhì)在壓縮腔和膨脹腔中周期往復(fù)流動(dòng)，從而推動(dòng)配氣活塞和動(dòng)力活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)直線發(fā)電機(jī)動(dòng)子部件往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)熱能到電能的轉(zhuǎn)換。

圖2 自由活塞式斯特林熱電轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic structure of free-piston Stirling thermoelectric converter

2.2 理論分析

首先，建立自由活塞式斯特林發(fā)電機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)、控制工程學(xué)等耦合分析方法，對(duì)其內(nèi)部工質(zhì)溫度、速度、壓力、容積等熱力學(xué)和流體力學(xué)參數(shù)的交變狀況進(jìn)行分析，在使用等溫模型、通用優(yōu)化算法的基礎(chǔ)上發(fā)展整機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性模型。通過對(duì)其模型的研究，能夠分析計(jì)算斯特林發(fā)電機(jī)各種損失，分析系統(tǒng)諧振響應(yīng)特點(diǎn)，確定熱機(jī)和發(fā)電機(jī)熱動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)匹配關(guān)系，達(dá)到對(duì)斯特林發(fā)電機(jī)理論的設(shè)計(jì)與分析。

γ 型自由活塞式斯特林發(fā)電機(jī)系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3 自由活塞式斯特林發(fā)電機(jī)系統(tǒng)物理模型Fig.3 Physical modelling of free-piston Stirling generator systems

2.2.1 配氣活塞動(dòng)力學(xué)方程

對(duì)應(yīng)如圖3結(jié)構(gòu)，可給出如下公式：

式中：P是腔內(nèi)的壓力（假設(shè)膨脹腔和壓縮腔壓力相等）；Pm是配氣活塞腔內(nèi)的壓力；md是配氣活塞動(dòng)子系統(tǒng)的質(zhì)量；kd是配氣活塞板彈簧的剛度；xd是配氣活塞運(yùn)動(dòng)的位移；cd是配氣活塞系統(tǒng)的阻尼；A1是配氣活塞桿的橫截面積；A2是配氣活塞的橫截面積；Kg1是配氣活塞氣體彈簧的剛度；Kg2是動(dòng)力活塞氣體彈簧的剛度。

2.2.2 動(dòng)力活塞動(dòng)力學(xué)方程

對(duì)應(yīng)如圖3結(jié)構(gòu)，可給出如下表達(dá)式：

式中：P是腔內(nèi)的壓力；Pb是背壓腔內(nèi)的壓力；mp是動(dòng)力活塞動(dòng)子系統(tǒng)的質(zhì)量；kp是動(dòng)力活塞板彈簧的剛度；xp是動(dòng)力活塞運(yùn)動(dòng)的位移；cp是動(dòng)力活塞系統(tǒng)的阻尼；A是動(dòng)力活塞桿的橫截面積。

2.2.3 整機(jī)熱力學(xué)模型

熱力學(xué)循環(huán)過程中工質(zhì)總物質(zhì)的量Mt保持不變，且認(rèn)為內(nèi)部各處壓力相等，用傳統(tǒng)的等溫模型分析可得式（3）：

式中：mc為壓縮腔中工質(zhì)物質(zhì)的量；mk為冷卻器中工質(zhì)物質(zhì)的量；mr為回?zé)崞髦泄べ|(zhì)物質(zhì)的量；mh為加熱器中工質(zhì)物質(zhì)的量；me為膨脹腔中工質(zhì)物質(zhì)的量。Tc為壓縮腔中工質(zhì)溫度；Tk為冷卻器中工質(zhì)溫度；Th為加熱器中工質(zhì)溫度；Te為膨脹腔中工質(zhì)溫度；Vc為壓縮腔的容積；Vk為冷卻器的容積；Vr為回?zé)崞鞯娜莘e；Vh為加熱器的空腔容積；Ve為膨脹腔的容積；Tr為回?zé)崞髦泄べ|(zhì)平均溫度，其表達(dá)式如下式所示：

對(duì)于膨脹腔、壓縮腔，有以下關(guān)系：

對(duì)于平衡位置，有以下關(guān)系：

由式（3）及式（4）～（8），可得：

式中：P0為在平衡位置時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力；V0為在平衡位置時(shí)對(duì)應(yīng)的容積；T0為在平衡位置時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度。

可以看出，式（1）中含有阻尼項(xiàng)，同時(shí)式（2）中也含有阻尼項(xiàng)，阻尼對(duì)整機(jī)的動(dòng)力學(xué)影響很大。動(dòng)態(tài)間隙密封技術(shù)恰恰是影響阻尼的關(guān)鍵，因此，需在微重力環(huán)境下驗(yàn)證其變化特性。

從式（9）和式（10）中可見，熱力學(xué)參數(shù)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)屬于強(qiáng)耦合關(guān)系，配氣活塞的運(yùn)動(dòng)將影響到動(dòng)力活塞的運(yùn)動(dòng)；反過來，動(dòng)力活塞的運(yùn)動(dòng)也將影響配氣活塞的運(yùn)動(dòng)。因此，需在微重力環(huán)境下驗(yàn)證其影響關(guān)系，進(jìn)而掌握雙自由活塞保持技術(shù)。

2.3 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置安裝在航天基礎(chǔ)試驗(yàn)柜內(nèi)II型載荷單元中，根據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證的需要，試驗(yàn)裝置主要包括以下幾個(gè)組成部分：

1）II 型載荷單元箱體：為試驗(yàn)裝置提供安裝位置和試驗(yàn)空間。

2）散熱冷板：為試驗(yàn)裝置提供散熱。

3）斯特林熱電轉(zhuǎn)換器單元：由斯特林轉(zhuǎn)換器本體（2臺(tái)）、加熱器（2臺(tái)模擬熱源）、安裝座等組成，實(shí)現(xiàn)電能輸出。

4）控制器單元：實(shí)現(xiàn)總線通訊，轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)，熱、冷端溫度采集，熱端控溫加熱，輸出功率AC-DC變換，輸出功率控制等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)整機(jī)系統(tǒng)控制。

5）負(fù)載：由電子負(fù)載組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電能的消耗。

其中，斯特林熱電轉(zhuǎn)換器單元、控制器單元均位于航天基礎(chǔ)試驗(yàn)機(jī)柜II 型載荷單元內(nèi)，成為一個(gè)獨(dú)立封裝的試驗(yàn)裝置。在軌啟動(dòng)該試驗(yàn)裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)斯特林熱電轉(zhuǎn)換。

在試驗(yàn)裝置的熱控方面，采用冷板方式進(jìn)行散熱，將散熱冷板安裝在箱體內(nèi)底面板上，冷板與機(jī)柜通過冷卻液進(jìn)出口接口進(jìn)行連接。冷卻液進(jìn)出口管路穿過試驗(yàn)裝置的前面板與冷卻液主管路相連接。散熱冷板內(nèi)部為液路槽道，冷卻液通過槽道與冷板換熱，帶走試驗(yàn)裝置上產(chǎn)生的熱量。試驗(yàn)裝置組成如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)裝置組成示意圖Fig.4 The composition of the test setup

2.4 在軌試驗(yàn)方案

在軌試驗(yàn)時(shí)，利用模擬熱源，通過電加熱的方式將加熱器溫度升高。當(dāng)熱頭溫度達(dá)到553 K（280 ℃）左右時(shí)，通過試驗(yàn)裝置的控制器對(duì)斯特林熱電轉(zhuǎn)換器施加外界激勵(lì)，斯特林熱電轉(zhuǎn)換器隨即開始工作，啟動(dòng)后自動(dòng)加負(fù)載。隨著加熱溫度的升高，負(fù)載按照設(shè)定程序進(jìn)行調(diào)整，熱頭溫度達(dá)到693 K（420 ℃）附近時(shí)，負(fù)載保持穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定功率輸出。

對(duì)在軌試驗(yàn)全過程進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，當(dāng)試驗(yàn)裝置達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，完成規(guī)定時(shí)間內(nèi)的驗(yàn)證目標(biāo)考核，通過數(shù)據(jù)分析，分別從整機(jī)發(fā)電效率和空間環(huán)境適應(yīng)性方面對(duì)在軌試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1）整機(jī)發(fā)電效率：通過監(jiān)測(cè)斯特林熱電轉(zhuǎn)換器的熱輸入功率、輸出功率、熱冷端溫度參數(shù)，分析斯特林熱電轉(zhuǎn)換器在軌運(yùn)行情況，對(duì)加熱功率和輸出功率進(jìn)行分析計(jì)算，得到整機(jī)轉(zhuǎn)換效率。

2）空間環(huán)境適應(yīng)性：通過多次在軌試驗(yàn)，驗(yàn)證空間微重力環(huán)境對(duì)整機(jī)熱力學(xué)參數(shù)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響，根據(jù)輸出功率的變化趨勢(shì)驗(yàn)證自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)的空間環(huán)境適應(yīng)性。

3 在軌試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 在軌試驗(yàn)結(jié)果

在軌開展了3 次熱電轉(zhuǎn)換試驗(yàn)，對(duì)3 次試驗(yàn)中測(cè)得的電壓、電流、冷熱端溫度進(jìn)行記錄。其中，左右缸各設(shè)置1 個(gè)熱電偶，二者取平均值給出熱端溫度；左右缸各設(shè)置1個(gè)熱敏電阻，二者取平均值給出冷端溫度，見表1。實(shí)驗(yàn)過程中交流電壓真實(shí)有效值和運(yùn)行頻率會(huì)在小范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)變化，因此表1中給出的交流電壓有效值和運(yùn)行頻率包括了在軌試驗(yàn)實(shí)際運(yùn)行過程中小范圍內(nèi)變化情況。

表1 在軌3次試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 On-orbit data of the three tests

斯特林熱電轉(zhuǎn)換試驗(yàn)裝置發(fā)電試驗(yàn)需通過計(jì)算得到輸出功率，輸出功率由式（11）計(jì)算得到，斯特林熱電轉(zhuǎn)換試驗(yàn)裝置的熱電轉(zhuǎn)換效率由式（12）計(jì)算得到。

式中：P為輸出功率；η為熱電轉(zhuǎn)換效率；V1為加熱直流電壓值；V2為交流電壓真有效值；I1為左缸加熱直流電流值；I2為右缸加熱直流電流值；I3為左缸交流電流真有效值；I4為右缸交流電流真有效值；μ為傳熱因子，經(jīng)實(shí)測(cè)為0.7。

根據(jù)表1獲取的在軌試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可計(jì)算得出在軌3 次試驗(yàn)的輸出功率均為66.82 W±0.5 W。熱電轉(zhuǎn)換效率為24.72%，整機(jī)加熱與輸出參數(shù)一致性好。在軌各次試驗(yàn)的熱電轉(zhuǎn)換效率曲線如圖5所示。

圖5 在軌熱電轉(zhuǎn)換效率曲線Fig.5 Curves of on-orbit thermoelectric conversion efficiency

圖6 在軌冷板進(jìn)出口溫度曲線Fig.6 Curves of the inlet and outlet temperature of the on-orbit cold plate

3.2 在軌試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 雙活塞自由運(yùn)動(dòng)間隙密封技術(shù)驗(yàn)證

本試驗(yàn)采用大行程板簧支撐+環(huán)形耐磨套的間隙密封技術(shù)，經(jīng)過在軌3次試驗(yàn)驗(yàn)證，在加熱溫度穩(wěn)定的情況下，整機(jī)運(yùn)行頻率波動(dòng)范圍≤1 Hz，輸出電壓波動(dòng)范圍≤0.06 V，充分驗(yàn)證了在高溫狀態(tài)下運(yùn)行特性參數(shù)波動(dòng)范圍小，間隙密封運(yùn)行穩(wěn)定，間隙的配合精度合理，滿足運(yùn)動(dòng)部件間隙密封保持和軸向運(yùn)動(dòng)剛度需求。在軌輸出功率66.82 W，熱電轉(zhuǎn)換效率24.72%，相對(duì)卡諾循環(huán)效率45.1%，整機(jī)性能指標(biāo)均優(yōu)于地面測(cè)試（65 W，24.4%，卡諾循環(huán)效率44.2%），這也表明在空間微重力條件下，運(yùn)動(dòng)部件不受重力的作用，運(yùn)動(dòng)活塞間隙密封穩(wěn)定一致，其動(dòng)力學(xué)行為更加優(yōu)化。通過以上分析，充分證明了斯特林熱電轉(zhuǎn)換器所采用的雙活塞自由運(yùn)動(dòng)間隙密封技術(shù)的穩(wěn)定和一致，可以滿足在軌應(yīng)用的要求。

3.2.2 熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)匹配及保持技術(shù)驗(yàn)證

通過在軌驗(yàn)證，在整機(jī)運(yùn)行期間內(nèi)，運(yùn)行頻率始終保持在70 Hz ± 1 Hz，輸出電壓始終保持在24.21 V ± 0.06 V，輸出功率始終保持在66.82 W±0.5 W，熱端溫度始終保持在695.5 K，冷端溫度始終保持在314.3 K，驗(yàn)證了空間微重力環(huán)境不會(huì)對(duì)動(dòng)子系統(tǒng)阻尼和雙活塞相位造成影響，運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)特性不會(huì)發(fā)生變化，熱電轉(zhuǎn)換器性能穩(wěn)定一致。通過以上分析，充分證明了斯特林熱電轉(zhuǎn)換器在空間微重力環(huán)境下，熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)匹配及保持技術(shù)可靠穩(wěn)定，能夠適應(yīng)空間微重力環(huán)境。

3.2.3 熱系統(tǒng)高效耦合技術(shù)驗(yàn)證

1）熱能輸入技術(shù)驗(yàn)證

斯特林熱電轉(zhuǎn)換裝置的熱頭是熱能的輸入端，熱源與熱頭的耦合情況決定了熱能的輸入情況，而熱量的輸入效率決定了系統(tǒng)的熱效率，從而影響熱電轉(zhuǎn)換的效率。在地面試驗(yàn)時(shí)一般利用模擬熱源作為熱能的來源，熱源與熱頭的耦合也比較靈活，一般采取直接加熱或可拆卸的連接方式作為熱源與熱頭的匹配耦合方式。但在空間環(huán)境熱源必須可靠地與熱頭耦合，且熱能的輸入途徑和方式必須具有合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)及控溫策略，穩(wěn)定地將熱能源源不斷地輸入至轉(zhuǎn)換器的膨脹腔內(nèi)。因此，熱源與熱頭之間的耦合熱鏈路必須盡量增大有效換熱面積［20］，降低熱阻，減少熱損，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定均勻的熱傳輸，而且為增強(qiáng)試驗(yàn)的逼真性和后期應(yīng)用方式的一致性，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮同位素?zé)嵩吹臒崽卣鳌Ｓ捎跓犷^為熱量輸入端，熱流密度較大，需要對(duì)熱頭的加熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，減小傳熱溫差，提高加熱效率，同時(shí)要求較高的加熱均勻性，防止加熱不均，使熱頭局部高溫過載而失效。因此，需要從結(jié)構(gòu)上保證傳熱的均勻性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

通過在軌驗(yàn)證，在整機(jī)運(yùn)行期間內(nèi)，熱端溫度始終保持在695.5 K，輸出功率始終保持在66.82 W±0.5 W，驗(yàn)證了在空間環(huán)境下熱源和熱頭耦合高效，耦合熱鏈路熱阻小，傳熱均勻穩(wěn)定，耦合結(jié)構(gòu)適應(yīng)空間環(huán)境要求，保證了熱能高效輸入，傳熱過程均勻穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)運(yùn)行的高效和穩(wěn)定。

2）熱排散技術(shù)驗(yàn)證

本試驗(yàn)采用天宮空間站夢(mèng)天艙航天基礎(chǔ)試驗(yàn)機(jī)柜的冷板散熱方式，采用乙二醇水溶液作為冷卻工質(zhì)進(jìn)行散熱，通過對(duì)斯特林熱電轉(zhuǎn)換器冷端熱流分布特征的分析，設(shè)計(jì)了高效冷端轉(zhuǎn)熱技術(shù)，將循環(huán)過程中產(chǎn)生的廢熱由冷板導(dǎo)出至機(jī)殼，傳輸至試驗(yàn)機(jī)柜的液冷系統(tǒng)散熱，維持壓縮腔溫度在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)，保證轉(zhuǎn)換器在規(guī)定壽命內(nèi)獲得最佳性能。此外，導(dǎo)熱面之間的接觸程度決定了傳熱效率，在導(dǎo)熱面之間填充導(dǎo)熱硅脂和螺釘固連，以減小導(dǎo)熱面之間熱阻，有效提高了換熱效率。

通過在軌驗(yàn)證，在整機(jī)運(yùn)行期間內(nèi)，整機(jī)系統(tǒng)通過冷卻系統(tǒng)排散的熱量為280 W，熱端溫度始終保持在695.5 K，冷端溫度始終保持在314.3 K，冷板的溫度始終維持在301 K 左右，驗(yàn)證了在空間環(huán)境下斯特林熱電轉(zhuǎn)換器冷端熱流分布熱特性，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)熱能排散結(jié)構(gòu)適應(yīng)空間環(huán)境要求，保證了熱能高效排散，傳熱過程均勻穩(wěn)定，保證了整機(jī)運(yùn)行的高效和穩(wěn)定，說明采用通過冷板散熱的方式可以滿足在軌應(yīng)用要求。

3）空間環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證

通過在軌不同階段的3 次試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了斯特林熱電轉(zhuǎn)換裝置在熱端加熱、冷端散熱、熱能與機(jī)械能和電能之間的高效轉(zhuǎn)換，機(jī)器起振、諧振、穩(wěn)定工作以及控制器對(duì)各參數(shù)的遙控及遙測(cè)方面，均達(dá)到了優(yōu)異水平。整機(jī)性能指標(biāo)略優(yōu)于地面測(cè)試，驗(yàn)證了空間微重力條件下，運(yùn)動(dòng)部件不受重力的作用，其動(dòng)力學(xué)行為將更加優(yōu)化。

通過在軌3次試驗(yàn)驗(yàn)證，輸出功率一致性好，無衰減，各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)均無明顯變化，驗(yàn)證了斯特林熱電轉(zhuǎn)換器在空間環(huán)境下運(yùn)行穩(wěn)定，整機(jī)性能無衰減，試驗(yàn)裝置各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)能夠適應(yīng)空間環(huán)境。

4 結(jié)論

本文梳理了空間自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換涉及的關(guān)鍵技術(shù)，通過放射性同位素模擬熱源與自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)相結(jié)合，完成了斯特林熱電轉(zhuǎn)換試驗(yàn)裝置研制，設(shè)計(jì)了空間自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換裝置的在軌試驗(yàn)方案，在軌開展了斯特林熱電轉(zhuǎn)換試驗(yàn)，通過對(duì)在軌試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了斯特林熱電轉(zhuǎn)換裝置在空間環(huán)境下的適應(yīng)性，得到以下結(jié)論：

1）驗(yàn)證了雙活塞自由運(yùn)動(dòng)間隙密封技術(shù)。在微重力下運(yùn)行特性參數(shù)波動(dòng)范圍小，間隙密封運(yùn)行穩(wěn)定，間隙的配合精度合理，滿足運(yùn)動(dòng)部件間隙密封保持和軸向運(yùn)動(dòng)剛度需求。

2）驗(yàn)證了熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)匹配及保持技術(shù)。在微重力環(huán)境下，不會(huì)對(duì)動(dòng)子系統(tǒng)阻尼和雙活塞相位造成影響，從而確保運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)特性不會(huì)發(fā)生變化，熱電轉(zhuǎn)換器性能穩(wěn)定一致。

3）驗(yàn)證了熱系統(tǒng)高效耦合技術(shù)。在空間環(huán)境下熱源和熱頭、冷端和冷板耦合高效，耦合熱鏈路熱阻小，傳熱均勻穩(wěn)定，耦合結(jié)構(gòu)適應(yīng)空間環(huán)境要求，保證了熱能高效輸入和輸出，傳熱過程均勻穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)運(yùn)行的高效和穩(wěn)定。

4）驗(yàn)證了整機(jī)系統(tǒng)空間適應(yīng)性。在空間環(huán)境下斯特林熱電轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器運(yùn)行穩(wěn)定，整機(jī)性能無衰減，系統(tǒng)各運(yùn)行參數(shù)正常，驗(yàn)證了試驗(yàn)裝置的空間環(huán)境適應(yīng)性。

5）獲得了斯特林熱電轉(zhuǎn)換試驗(yàn)裝置系統(tǒng)在軌運(yùn)行特性數(shù)據(jù)。獲取了熱/冷端溫度為695.5 K/314.3 K，輸出功率66.82 W 和熱電轉(zhuǎn)換效率24.72%，相對(duì)卡諾循環(huán)效率為45.1%，為斯特林熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)未來空間應(yīng)用提供了關(guān)鍵依據(jù)。

該試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了斯特林熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)在軌驗(yàn)證應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)斯特林發(fā)電技術(shù)與同位素?zé)嵩唇Y(jié)合的同位素斯特林熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)在未來航天器中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。