SuperPointer SP-100

國外研究情況

在上世紀70年代，由于預見到斯特林發(fā)電機在未來能夠發(fā)展成空間應用的長壽命、高可靠電源裝置，NASA對斯特林發(fā)電機保持了持續(xù)的關(guān)注和支持。1989年NASA GRC進行了白由活塞斯特林放射性同位素發(fā)電機空間應用的可行性研究，對輸出功率240W和480W的兩種斯特林放射性同位素發(fā)電機研究結(jié)果表明，斯特林放射性同位素發(fā)電機在空間應用是可行的。MTI公司于1992年為NASA SP-100項目開發(fā)了25KW空間斯特林發(fā)電原理樣機，斯特林發(fā)電機采用白由活塞禍合線性交流發(fā)電機，熱源采用反應堆，如圖2。

同一時期，美國能源部資助GE開發(fā)了1kW空間斯特林同位素發(fā)電機，結(jié)構(gòu)采用菱形機械結(jié)構(gòu)傳動禍合旋轉(zhuǎn)交流發(fā)電機，如圖3，這種機型結(jié)構(gòu)復雜，很難保證發(fā)電機的長壽命和高可靠。而在白由活塞斯特林機禍合線性交流發(fā)電機的構(gòu)型中，由于采用了問隙密封和板彈簧支撐技術(shù)，流體傳動技術(shù)，消除了摩擦機械、密封結(jié)構(gòu)、閥件和潤滑系統(tǒng)等不可靠因素的影響，動力學平衡性能好，從而消除了影響長壽命和可靠性的失效模式，NASA確定這種結(jié)構(gòu)為空間斯特林發(fā)電機的構(gòu)型。到上世紀90年代早期，NASA GRC通過更多深入研究，斯特林放射性同位素發(fā)電機在空間應用的潛力被進一步認可，但還需要在輸出功率水平效益，系統(tǒng)集成，壽命和可靠性試驗數(shù)據(jù)的積累方面為其空間應用提供進一步的參考。1993年NASA委托Infmia公司研制空間斯特林發(fā)電機，效率28%，輸出功率280W o 1994年美國DOE資助Fairchild Space and Defense Corporation進行75 W空間斯特林發(fā)電機的研究，該項目計劃應用于冥土星快速吃越任務。在1997年DOE對高效放射性同位素電源轉(zhuǎn)換技術(shù)進行了評價研究，確定斯特林發(fā)電技術(shù)為可用的空間電源技術(shù)，該評估結(jié)果引出了NASA先進放射性空間電源項目，Lockheed Martin公司作為系統(tǒng)集成商，由infmia公司提供斯特林發(fā)電機技術(shù)驗證樣機，該機為2臺SSW斯特林發(fā)電機雙機對置結(jié)構(gòu)，在1999年該樣機達到了27%以上的效率，重量6kg，。由DOE, NASA和工業(yè)部門聯(lián)合授權(quán)組織研究單位對開展空間斯特林發(fā)電機吃行件研制的技術(shù)成熟度的評價，參加的研究單位包括DOE-Germantown NASA GRC JPL OSC LM，主要評估該項技術(shù)的空間適應性，基于相關(guān)的空間吃行斯特林制冷機的可靠性數(shù)據(jù)和Infmia公司lOW空間斯特林發(fā)電機50000h以上的壽命實驗數(shù)據(jù)和分析，評估認為SRG110的技術(shù)已達到進行下一步時示樣機研制水平，可以進行吃行樣機的研制。SRG110項目中1臺斯特林發(fā)電機在NASA GRC進行各項試驗，截止2008年12月完成了20000h的熱真空試驗和各項力學環(huán)境試驗。隨后由SRG110演變出的時示樣機 ，該樣機使用2塊通用同位素熱源，熱功率輸入496W時，能夠產(chǎn)生116W的電能輸出，到2005年，吃行樣機的研制使空間斯特林發(fā)電技術(shù)進一步成熟。為了進一步提高空間斯特林發(fā)電機的性能，NASA GRC資助Sunpower公司進行了先進空間斯特林發(fā)電機的研究，研制的EE-35空間斯特林發(fā)電機比功率達到90W/kg，與同位素熱源禍合后系統(tǒng)比功率達到8 W/kg，如此水平的比功率將能夠滿足一系列新型放射性同位素電推進任務的電源要求。試驗表明斯特林發(fā)電機已能夠滿足航天器的發(fā)射力學環(huán)境要求。此外Infinia公司的空間斯特林發(fā)電機地面壽命試驗累計達到了120000h水平。2009年NASA GRC開展了用于月球地震檢波儀登陸器斯特林放射性同位素電源的設(shè)計，在日本太空發(fā)展署的支持下，日本國家空間實驗室從1997年開始了空間太陽能熱動力斯特林發(fā)電相關(guān)技術(shù)的研究，研制了空腔型太陽能集熱器，斯特林熱電轉(zhuǎn)換器等，其斯特林發(fā)電系統(tǒng)NALSEM 500型，在SOOW的輸出功率時，效率達到32。應用目標為空間站電源、供熱和熱推進系統(tǒng)。在上世紀末，在日本空間吃行器SFU上進行了搭載試驗。該系統(tǒng)產(chǎn)生的電力將用于等離了推力器試驗和新一代航天器(含月球軌道站)的供電系統(tǒng) 。

2010年7月，NASA發(fā)布了空間斯特林發(fā)電機繼續(xù)研究項目指南，空間斯特林發(fā)電技術(shù)研究已進入了吃行件研制階段。計劃應用于未來的航天任務，如Europa Flagship 2016。

國內(nèi)研究情況

在我國，我國上海船用柴油機廠(711所)在消化吸收的基礎(chǔ)上研制出了常規(guī)燃料的11 0kW船用斯特林發(fā)動機，并研發(fā)了利用生物質(zhì)燃燒發(fā)電的發(fā)電系統(tǒng)，目前已成功運行了兩年多。北京農(nóng)業(yè)大學已開發(fā)出燃玉米芯的SkW斯特林發(fā)動機。華中科技大學、中國科技大學、西安航空發(fā)動機公司等在斯特林發(fā)動機研究上也做了許多有益的工作。南京航空航天大學緊跟國際太陽能斯特林發(fā)動機的發(fā)展趨勢，在一些關(guān)鍵部件的理論和實驗研究上取得了較豐富的成果。國內(nèi)目前沒有有關(guān)空間斯特林發(fā)電機的研究報道?？臻g斯特林熱發(fā)電技術(shù)的研究基礎(chǔ)薄弱，同國外在該領(lǐng)域的發(fā)展相比，差距很大。蘭州空間技術(shù)物理研究所在國家支持下，目前正在開展空間斯特林發(fā)電技術(shù)的研究，已完成實驗室“T'’樣機的研制，并開展相關(guān)實驗。