SuperPointer SP-100

國外研究情況

在上世紀(jì)70年代，由于預(yù)見到斯特林發(fā)電機(jī)在未來能夠發(fā)展成空間應(yīng)用的長壽命、高可靠電源裝置，NASA對斯特林發(fā)電機(jī)保持了持續(xù)的關(guān)注和支持。1989年NASA GRC進(jìn)行了白由活塞斯特林放射性同位素發(fā)電機(jī)空間應(yīng)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(jī)研究結(jié)果表明，斯特林放射性同位素發(fā)電機(jī)在空間應(yīng)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(jī)，斯特林發(fā)電機(jī)采用白由活塞禍合線性交流發(fā)電機(jī)，熱源采用反應(yīng)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(jī)，結(jié)構(gòu)采用菱形機(jī)械結(jié)構(gòu)傳動禍合旋轉(zhuǎn)交流發(fā)電機(jī)，如圖3，這種機(jī)型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難保證發(fā)電機(jī)的長壽命和高可靠。而在白由活塞斯特林機(jī)禍合線性交流發(fā)電機(jī)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(jī)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(xué)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(jī)的構(gòu)型。到上世紀(jì)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(jī)在空間應(yīng)用的潛力被進(jìn)一步認(rèn)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(yīng)用提供進(jìn)一步的參考。1993年NASA委托Infmia公司研制空間斯特林發(fā)電機(jī)，效率28%，輸出功率280W o 1994年美國DOE資助Fairchild Space and Defense Corporation進(jìn)行75 W空間斯特林發(fā)電機(jī)的研究，該項目計劃應(yīng)用于冥土星快速吃越任務(wù)。在1997年DOE對高效放射性同位素電源轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)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(jìn)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(jī)技術(shù)驗證樣機(jī)，該機(jī)為2臺SSW斯特林發(fā)電機(jī)雙機(jī)對置結(jié)構(gòu)，在1999年該樣機(jī)達(dá)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(jī)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(yīng)性，基于相關(guān)的空間吃行斯特林制冷機(jī)的可靠性數(shù)據(jù)和Infmia公司lOW空間斯特林發(fā)電機(jī)50000h以上的壽命實驗數(shù)據(jù)和分析，評估認(rèn)為SRG110的技術(shù)已達(dá)到進(jìn)行下一步時示樣機(jī)研制水平，可以進(jìn)行吃行樣機(jī)的研制。SRG110項目中1臺斯特林發(fā)電機(jī)在NASA GRC進(jìn)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(xué)環(huán)境試驗。隨后由SRG110演變出的時示樣機(jī) ，該樣機(jī)使用2塊通用同位素?zé)嵩矗瑹峁β瘦斎?96W時，能夠產(chǎn)生116W的電能輸出，到2005年，吃行樣機(jī)的研制使空間斯特林發(fā)電技術(shù)進(jìn)一步成熟。為了進(jìn)一步提高空間斯特林發(fā)電機(jī)的性能，NASA GRC資助Sunpower公司進(jìn)行了先進(jìn)空間斯特林發(fā)電機(jī)的研究，研制的EE-35空間斯特林發(fā)電機(jī)比功率達(dá)到90W/kg，與同位素?zé)嵩吹満虾笙到y(tǒng)比功率達(dá)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(jìn)任務(wù)的電源要求。試驗表明斯特林發(fā)電機(jī)已能夠滿足航天器的發(fā)射力學(xué)環(huán)境要求。此外Infinia公司的空間斯特林發(fā)電機(jī)地面壽命試驗累計達(dá)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(dá)到32。應(yīng)用目標(biāo)為空間站電源、供熱和熱推進(jìn)系統(tǒng)。在上世紀(jì)末，在日本空間吃行器SFU上進(jìn)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(jī)繼續(xù)研究項目指南，空間斯特林發(fā)電技術(shù)研究已進(jìn)入了吃行件研制階段。計劃應(yīng)用于未來的航天任務(wù)，如Europa Flagship 2016。

國內(nèi)研究情況

在我國，我國上海船用柴油機(jī)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(jī)，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(yùn)行了兩年多。北京農(nóng)業(yè)大學(xué)已開發(fā)出燃玉米芯的SkW斯特林發(fā)動機(jī)。華中科技大學(xué)、中國科技大學(xué)、西安航空發(fā)動機(jī)公司等在斯特林發(fā)動機(jī)研究上也做了許多有益的工作。南京航空航天大學(xué)緊跟國際太陽能斯特林發(fā)動機(jī)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(jī)的研究報道。空間斯特林熱發(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(jī)的研制，并開展相關(guān)實驗。