杂说斯特林发电机

斯特林放射性元素发电机是前些天给上海网上天文台翻译译文的时候了解到的概念，说是提议中的土卫六探测器TiME将由此供能。搜索之，原来这种设计早就提出了，只是因为种种原因一直没有实际投入使用。</>用在行星际探测器上的应该叫斯特林放射性元素发电机，顾名思义能量来源是放射性元素的衰变。作为基本结构的斯特林发动机是在19世纪初由Robert Stirling发明，故有此名。此类机械的主要原理是利用气体变温时的热胀冷缩做功。斯特林发动机的结构分为几大块，高温汽缸、低温汽缸、活塞，由高温热源和低温热源均由外界提供。工作时，先是高温汽缸的气体受热膨胀，流入低温汽缸，然后再降温回到初始状态。气体膨胀收缩的同时会带动活塞运动，对外做功。这种结构的优点是单位体积产能较高，不过汽缸温度过高影响活塞的寿命，所以存在一定的工程困难。另一种改型是只有一个汽缸，装有联动的配气活塞和动力活塞，汽缸温度下热上冷，带动缸内的配气活塞进而是缸口的动力活塞往复运动。此外还有单汽缸且配气活塞与动力汽缸分离的变种。无论是哪种改型，缸的气体在循环过程中并不与外界发生交换，所以这类发动机是闭环工作的，而因为热源由外界提供，故应归为外燃机之列。 斯特林发动机的几种变体。（图片来源：wikipedia.org）这类发动机的长处是高效率（最高可达80%）、低噪音（无气体爆燃）且可以运用各类能源（如核能、太阳能和化学能，甚至就地取材用热水、冰块等物）作为热源。但发明一个多世纪以来，因为造价偏高，一直没有得到足够的重视。不过近年由于化石燃料日益缺乏，产能高的斯特林发动机引起了人们的再度重视。至于需要静音的场合如潜艇，其优势也非常明显。那么斯特林发动机是如何与行星际探测扯上关系的呢？理由也很简单。在土卫六这种缺乏阳光的星球上，传统的太阳能供电不可行。当下最为成熟的长期能源是核能，稳定供能时间在20年以上，且从1961年的子午线4A卫星起，已有数十次成功的航天任务提供了经验。不过早年的发电机多为放射性元素热电机，元素的阿尔法衰变产热通过热电耦的西贝克效应转化为电能。放射性元素热电机，曾用于伽利略、尤利西斯、卡西尼、新视野等深空探测计划。图中红色部分是放射性热源，外围是热电耦。（图片提供：NASA）为了进一步提高效率，减少燃料的携带总量，NASA开始从事新型发电机的研制，斯特林发电机就是其中的一个可行方案。这项工作开始于20世纪70年代的格伦（Glenn）研究中心，不过在90年代初由于相关核反应堆系统研究的停止而中断。后来在一系列新计划的带动下，格伦中心与美国能源部、洛克希德-马丁公司和斯特林技术公司一道重拾这一概念。新样机的热源与热电机一样，由钚元素提供。经转化的热能可以将汽缸的热端加热到650摄氏度带动活塞。试验得到的效率是20%多一些：输入250瓦的热能，输出60瓦左右的电力。虽然这比理论产能率上限低，却是传统热电机的4倍之多。而余热也可以被导向其他系统，进一步加以利用。热源系统叫做通用热源（General Purpose Heat Source），专为斯特林发电机设计。热源质量不大，只有1.44千克，构造上很类似于早年大面积用于热电机的热源。为了提高安全性，钚-238包裹在铱壳中，外面再套以碳素材料。这样钚的辐射可以基本被外壳吸收，无需额外的防辐射层。测试中的斯特林发电机。（图片提供：GRC/NASA）下一个借助放射性元素供能的深空探测任务是即将于2011年发射的好奇号（Curiosity）火星车，但结构仍旧是热电机。斯特林发电机的正式登场怕是要等到2015年以后了。前面提到的TiME只是运用此类电机的9项任务提议之一，不过当下看来却是名声最响的一个，可能是因为在地球之外的海洋上航行比较吸引眼球吧。自带电机的理由除了土星附近日照缺乏外，还有重要的一条：土卫六大气过厚。末了贴个好玩的东西，咖啡杯上的斯特林发动机（不知道有啥实际用途）： 图片来源：iD公社内容来自 Bo Zhang's Homepage

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