加熱器單元。上海硅酸鹽所供圖

近日，中國(guó)空間站夢(mèng)天艙航基柜空間斯特林熱電轉(zhuǎn)換裝置按照方案順利完成在軌測(cè)試和3次試驗(yàn)。其整機(jī)全程運(yùn)行穩(wěn)定，性能指標(biāo)超出預(yù)期，熱電轉(zhuǎn)換效率（同等溫比條件下）等綜合技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

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“空間站中剛完成的斯特林熱電轉(zhuǎn)換試驗(yàn)非常成功，其中的加熱器單元表現(xiàn)超出預(yù)期。”中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所（以下簡(jiǎn)稱上海硅酸鹽所）副研究員、上海硅酸鹽所空間材料與應(yīng)用技術(shù)課題組副組長(zhǎng)張明輝對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說，“這個(gè)結(jié)果讓我們很激動(dòng)，覺得前期的艱辛付出都值了。”

試驗(yàn)“天上”發(fā)電

斯特林熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)是空間新能源關(guān)鍵技術(shù)之一，它采用閉式循環(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，再通過耦合線性交流發(fā)電機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能。作為航天器電源系統(tǒng)新技術(shù)，斯特林熱電轉(zhuǎn)換裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、質(zhì)量輕、啟動(dòng)快、震動(dòng)小及噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，可將熱能高效轉(zhuǎn)換為電能，減少對(duì)傳統(tǒng)太陽能的依賴，在未來載人登月及深空探測(cè)等空間任務(wù)中，具有廣闊的應(yīng)用前景。

我國(guó)空間站斯特林熱電轉(zhuǎn)換試驗(yàn)裝置由航天科技集團(tuán)五院510所抓總，上海硅酸鹽所空間材料與應(yīng)用技術(shù)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)加熱器單元研制。

“在斯特林熱電轉(zhuǎn)換裝置中，加熱器單元的效率是保證整機(jī)運(yùn)行和性能指標(biāo)的關(guān)鍵。”張明輝介紹說，“我們用斯特林熱電轉(zhuǎn)換裝置做試驗(yàn)，看看能不能在‘天上’發(fā)電，并驗(yàn)證這套裝置的可行性，測(cè)試其發(fā)電效率。”

“這是我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的空間在軌驗(yàn)證。”空間站高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師、上海硅酸鹽所空間材料與應(yīng)用技術(shù)課題組組長(zhǎng)劉學(xué)超說，“該加熱器在空間站的順利運(yùn)行，將為我國(guó)空間高溫加熱技術(shù)提供新的技術(shù)選項(xiàng)，促進(jìn)我國(guó)微重力材料科學(xué)研究的發(fā)展。”

目前，加熱器單元利用電能產(chǎn)生熱能，把氣體加熱膨脹，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)做功發(fā)電。如果試驗(yàn)順利，將來可以利用太陽能、核能或其他能源實(shí)現(xiàn)太空發(fā)電。

太空加熱新挑戰(zhàn)

“我們以前研制的加熱器通常要把熱量‘悶’在里面，而這個(gè)加熱器要實(shí)現(xiàn)熱量定向流動(dòng)。”張明輝說，“斯特林熱電轉(zhuǎn)換裝置在夢(mèng)天艙航基柜中，因此要求體積非常小、重量非常輕，還要做得非常結(jié)實(shí)，能夠承受火箭發(fā)射升空時(shí)的巨大沖擊力。”

高效加熱似乎不是什么尖端技術(shù)，但多項(xiàng)極端指標(biāo)疊加起來，就變得復(fù)雜了。

為達(dá)到研制任務(wù)的技術(shù)指標(biāo)，研究團(tuán)隊(duì)摒棄了傳統(tǒng)加熱設(shè)計(jì)理念，在發(fā)熱、導(dǎo)熱、保溫材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上花了不少工夫，通過設(shè)計(jì)精巧的高密度纏繞加熱絲，大幅提高了加熱效率。同時(shí)，他們提出層疊式隔熱結(jié)構(gòu)，有效降低了熱量在徑向和底部的傳導(dǎo)，優(yōu)化了隔熱效果，保證了熱量的定向流動(dòng)，提高了熱量利用效率。

“以往的加熱爐芯是非金屬（絕緣體），現(xiàn)在為了滿足強(qiáng)度、熱量流動(dòng)性和密封性要求，其中很多部件要采用金屬材料，包括爐膛、保溫結(jié)構(gòu)等。如何保證加熱絲和爐膛等部件在高溫下絕緣，保證其正常加熱、準(zhǔn)確測(cè)溫就成了一個(gè)新問題。”張明輝說。

為此，研制團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了獨(dú)特的多層耐高溫絕緣套管，對(duì)加熱絲、熱電偶進(jìn)行絕緣保護(hù)，有效改善了裝置的高溫絕緣性能。

“高端定制”的“外衣”

夢(mèng)天艙航基柜斯特林熱電轉(zhuǎn)換裝置的加熱器單元是為空間技術(shù)試驗(yàn)“高端定制”的，不但沒有現(xiàn)成配件、組件，也沒有成熟技術(shù)可以參照。

“很多指標(biāo)要進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，很多設(shè)計(jì)理念、技術(shù)路線須先論證設(shè)計(jì)，做出來后再進(jìn)行檢驗(yàn)，看哪些設(shè)計(jì)能保留、哪些地方要改進(jìn)。這些工作自己去做了才能把握其中的關(guān)鍵、保證它的效果。”張明輝說。

研制期間，實(shí)驗(yàn)室成了大作坊，這群“科研工匠”放下論文就拿起剪刀、錘子，從設(shè)計(jì)、選材、加工、測(cè)試，到很多金屬件的剪裁、倒角、挖孔、裝配都親力親為。

由于加熱器單元采用多層金屬和石英纖維布結(jié)合的包裹結(jié)構(gòu)，很多元件結(jié)構(gòu)非常精細(xì)，有很長(zhǎng)一段時(shí)間，研究人員都在“剪不銹鋼”。

“那段時(shí)間我們小心翼翼，就像為嬰兒裁剪衣服一樣興奮、緊張又全神貫注。”張明輝解釋說，“用手工將不銹鋼剪出精細(xì)的結(jié)構(gòu)很困難，而且要保證完整性，我們要用很大勁去剪，還要非常小心地包裹起來。”

研制關(guān)鍵期正值冬季，冰冷尖銳的鋼件經(jīng)常劃傷研究人員。那段時(shí)間，張明輝和同事手上的創(chuàng)可貼成了“標(biāo)配”。

“斯特林熱電轉(zhuǎn)換裝置的加熱器與其他載荷的空間加熱技術(shù)差別較大，功能要求也完全不同，基本上得重新做。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還負(fù)責(zé)牽頭研制夢(mèng)天艙的高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，一撥人馬雙線作戰(zhàn)。”劉學(xué)超說，“我們團(tuán)隊(duì)發(fā)揚(yáng)載人航天精神，從任務(wù)啟動(dòng)到產(chǎn)品交付，在不到一年時(shí)間里完成了關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、驗(yàn)證產(chǎn)品研制、正樣產(chǎn)品交付等工作，趕制出5套加熱器單元（2套上天、2套做地面對(duì)比、1套進(jìn)行驗(yàn)證），有力保障了空間斯特林熱電轉(zhuǎn)換裝置任務(wù)的開展。”

來源：中國(guó)科學(xué)報(bào)

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