空间斯特林热电转换技术在轨试验.pdf

第 45 卷第 1 期 2024 年 1 月宇 航 学 报Journal of AstronauticsNo.12024JanuaryVol.45空间斯特林热电转换技术在轨试验尹钊1，张安2，郭佩1，闫春杰2，赵振昊1，张学林2，魏志明2，陆登柏2（1.北京空间飞行器总体设计部，北京 100094；2.兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）摘要：为提高空间同位素电源的效率和功率，满足深空探测、载人登月和火星登陆等航天任务对航天器能源的需求，梳理了空间自由活塞斯特林热电转换涉及的关键技术，设计了天宫空间站空间自由活塞斯特林热电转换装置的在轨试验方案，在轨开展了斯特林热电转换试验，验证了空间微重力环境下双活塞自由运动的间隙密封、双活塞相位保持等关键技术，获取了空间环境下双自由活塞精确的运动相位保持及漂移特性、动力学与热力学强耦合特性等关键参数。在轨试验结果表明，试验装置在轨运行性能良好，热电转换效率达到24.72%，为未来空间高效同位素电源等不依赖太阳能的能源技术应用奠定了基础。关键词：天宫空间站；空间同位素电源；自由活塞；斯特林热电转换；在轨试验中图分类号：TM619；V423.4 文献标识码：A 文章编号：1000-1328（2024）01-0123-10 DOI：10.3873/j.issn.1000-1328.2024.01.013On-orbit Experiment of Stirling Thermoelectric Conversion Technology in SpaceYIN Zhao1，ZHANG An2，GUO Pei1，YAN Chunjie2，ZHAO Zhenhao1，ZHANG Xuelin2，WEI Zhiming2，LU Dengbai2（1.Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China；2.Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou，Gansu 730000，China）Abstract:In order to improve the efficiency and power of space isotope power supply and meet the spacecraft energy requirements of space missions such as deep space exploration，manned lunar landing and Mars landing，the key technologies involved in space free-piston Stirling thermoelectric conversion is sorted out，and the on-orbit experiment program of space free-piston Stirling thermoelectric conversion device in Tiangong space station is designed.The Stirling thermoelectric conversion experiment is carried out on orbit.This experiment verifies key technologies such as gap sealing，phase keeping of double pistons in free motion under the space microgravity environment.Meanwhile，the key parameters such as precise phase keeping and drift characteristics of double free pistons under the space environment，and the strong coupling characteristics of dynamics and thermodynamics are obtained.The results of the on-orbit experiment show that the experiment device has good performance on-orbit operation and the thermoelectric conversion efficiency reaches 24.72%，which lays a foundation for the application of energy technology for the tasks which does not rely on solar energy such as future space high-efficiency isotope power supply.Key words:Tiangong space station；Space isotope power；Free piston；Stirling thermoelectric conversion；On-orbit experiment收稿日期：2023-09-01；修回日期：2023-11-18基金项目：国家重大科技专项工程宇航学报第 45 卷0引言随着深空探测、载人登月等重大航天任务的发展，对不依赖太阳能的空间高效电源的需求愈发迫切，空间非太阳能热电电源对载人登月、火星登陆等深空探测任务具有重要意义。空间放射性同位素电源具有高效率、长寿命、不受光照影响的特点，有望成为未来深空探测任务的先进空间电源系统1-8。空间放射性同位素电源通过静态或动态转换装置将同位素热能转换为电能。传统的放射性同位素温差转换器运用静态能量转换技术，目前已开展了大量的空间应用9。然而，其热电转换系统在温度比为 1.5至 2.0时，热电转换效率不到 8%，难以满足未来深空探测对大功率空间电源的使用需求。为了进一步提高空间同位素电源的效率和功率，满足深空探测等航天任务的更高要求，可采用斯特林热电转换电源系统。作为应用了新技术的系统，它具有结构简单、效率高、质量轻、启动快、振动小及噪声低等优点，是未来深空探测等不依赖太阳能的空间任务的有益选择，具有广阔的应用前景。通过采用闭式循环往复活塞式斯特林发动机将热能转换为动能，并通过耦合线性交流发电机将动能转换为电能，相对于静态温差发电等系统，斯特林热电转换技术具有高效（在一定温度比条件下效率可达30%）、高比功率的特点，在相同的功率输出时，比静态温差发电系统的质量轻，所需放射性同位素燃料的量减少将近3/4，在重量和成本上具有明显优势10-14。斯特林热电转换系统的另外一个特点是，其比功率随着输出功率的增大而增大，从而在大功率电源系统，如月球基地10 kW级的能源系统中具有优势，可为将来月球能源基地项目提供技术支持。美国已初步决定进行5 kW规模的空间斯特林转换器研究6。面向未来载人深空探测、小行星探测等任务需求，太阳能光伏发电已不能满足能源需求，因此，急需开展不依赖太阳能的先进能源技术在轨验证。目前空间斯特林热电转换技术是空间高效能源技术研究的热点。空间斯特林转换器一般采用自由活塞斯特林技术方案，其主要的技术特征为间隙密封、柔性弹簧（气体静压轴承）支撑、直线交流转换器、动力活塞与配气活塞纯气动耦合。斯特林转换器是斯特林热机、直线交流转换器和控制器高效耦合的系统，在所有热机中循环效率最接近卡诺循环，热电转换效率最高，可以达到理论卡诺效率的60。由于活塞与气缸间的间隙密封技术和活塞之间流体传动结构保证了零件无磨损，斯特林热电转换系统结构具有长寿命和高可靠性的特点。斯特林发电机由双自由活塞组成，两者运行相位窄，频率高，容易发生相位漂移，从而造成停机。空间环境应用对相位的影响在地面无法验证；斯特林发电机是机电热高度集成系统，集热和散热系统在地面无法验证空间微重力条件对热系统的影响，因此必须通过空间站开展验证试验，验证斯特林热电转换器和集成应用系统的空间适应性。自1964年自由活塞斯特林发电机发明以来，国际上开展了大量理论研究，研制了多种类型的斯特林发电样机。其中，NASA于2010年在地面设计了12 kW的对置式空间大功率斯特林发动机，当钠钾流体侧热端温度为850 K、运行频率为60 Hz时，斯特林发电机输出功率分别为6 109 W和6 048 W，转换效率分别为26.5%和24.4%15-16。国内在斯特林发电技术方面也开展了相关的地面研究17-21。文献 22 开展了百瓦级气体轴承斯特林发电机研究，在热端温度898 K，冷端温度293 K时，输出最大电功率为101.1 W，效率为16.9%。文献 10 开展了30 W自由活塞斯特林发电机的地面试验研究，对动力学性能、发电输出性能等关键技术进行了地面验证。文献 23 研制了百瓦级自由活塞斯特林发电机样机，探究了各参数对发电机输出性能的影响。上述研究均为基于地面实验室的研究，国内外尚未开展斯特林热电转换技术的空间试验或应用。中国空间站工程航天技术试验领域，在空间站梦天实验舱航天基础试验机柜中部署了空间自由活塞斯特林热电转换试验装置，于2022年12月开展了高效自由活塞热电转换技术在空间环境下的在轨试验，验证了空间微重力环境下双活塞自由运动的间隙密封、双活塞相位保持等关键技术，获取了空间环境下双自由活塞精确的运动相位保持及漂移特性、动力学与热力学强耦合特性等关键参数。该试验的研究旨在为我国未来载人深空探测、小行星探测等任务先进空间电源系统的应用奠定基础，填补我国在该领域的研究空白。124第 1 期尹钊等：空间斯特林热电转换技术在轨试验本文梳理了空间自由活塞斯特林热电转换涉及的关键技术，设计了空间自由活塞斯特林热电转换装置的在轨试验方案，对在轨试验数据进行了分析，验证了斯特林热电转换装置在空间环境下的适应性，获取了在轨热电转换效率，以期为未来深空探测新型电源系统的工程应用奠定基础。1关键技术与任务分析1.1关键技术1.1.1动态间隙密封技术斯特林热电转换器是基于斯特林热力循环的外燃机产品，其工作过程将外部输入的热能转换为机械能，带动直线发电机再转换为电能，其内部存在运动活塞。空间斯特林热电转换器为延长产品寿命、增加可靠性，一般采用动态间隙密封技术，从而实现运动活塞与缸体间的非接触间隙密封，保证运动部件在长期高频工作中无磨损。间隙密封的实现主要通过在密封部位进行涂覆保护，同时采用板弹簧（本试验采用的技术方案）或气体静压轴承来保持间隙密封的稳定性和可靠性。虽然采用了高径向/轴向刚度比的活动件支撑方式，但运动活塞自身的重力影响非常明显，容易造成活塞的偏心和磨损。因此在地面试验阶段，为避免因重力因素引起的活塞偏心，转换器采取热头竖直向上放置的方式。虽然这种放置方式能够在一定程度上降低重力环境因素的影响，但是由于机器在空间的应用布局方式为对置布局结构（如图1所示），重力因素对二者的活动造成的影响是反方向的，将造成两台机器运动特性的不一致，不能完全模拟在空间的运动行为。因此需在空间微重力环境下验证单机活动件及双机对置布局结构在空间与地面运动的行为差别，确保在轨应用期间性能的稳定性。同时，如果造成活塞偏心和磨损，会造成压缩腔压力波减小，进一步造成动力活塞行程变小，最后电机输出电压变小，输出功率下降。1.1.2双自由活塞相位保持技术自由活塞式斯特林热电转换器功能的实现主要依赖于配气活塞和动力活塞的相互运动，两个活塞不但要保持各自行程下稳定运行，而且两个活塞之间必须以合适的相位差稳定运行。热电转换器内充入了高纯气体工质，工作过程中工质随着活塞的往复运动在压缩腔和膨胀腔之间流动，在微重力环境下运动件的运动行为会发生轻微改变，进而会对工质气体在机器中流动模式造成影响，也会对动子系统阻尼以及配气活塞和动力活塞相位等方面造成影响，最终将会导致热电转换器的性能变化，包括整机运行频率不稳定、输出电压和输出功率减小、热端温度和冷端温度上升。此外，斯特林热电转换器由双自由活塞组成，两者运行相位窄，频率高，容易发生相位漂移，从而可能造成停机。热力学和动力学参数直接决定双活塞的运行相位，热力学和动力学参数匹配及保持技术是保证斯特林热电转换器高可靠的关键。因此，需要通过空间环境试验准确掌握微重力环境对双自由活塞相位的影响规律。1.1.3热电转换器散热技术斯特林热电转换器工作动力根本来源是压缩腔和膨胀腔的压力差，转换器的效率和两个腔的温度有直接关系，膨胀腔的热量来自于外部热源，而压缩腔的温度控制靠热控措施来实现。压缩腔附近的间隙密封及保持机构工作在中高温度下，如膨胀腔间隙密封部位温度在100 200，温度因子对于间隙密封结构的性能具有一定的影响作用，主要体现在较高温度下密封结构的热胀效应对密封可靠性的影响、对间隙尺寸的影响、对板弹簧刚度和疲劳强度的影响等。如果压缩腔温度过高，也会导致上述部位温度过高和整机效率下降，因此需要通过适宜的热控措施确保压缩腔部位温度在所要求的范围内。在地面试验阶段主要通过循环冷却图1斯特林发电机对置方式Fig.1Opposed Stirling generators125宇航学报第 45 卷水来冷却压缩腔，基本能满足实际要求，但在空间中采用辐射散热的方式，将多余的热量通过表面辐射材料、热辐射装置或蒸发装置散发到空间中去，与地面散热方式不同。因此，在轨的热控措施能否完全满足要求，也需要通过在轨验证。1.2任务分析天宫空间站能够提供长时间的微重力环境，微重力水平（残余微振动加速度）为 10-310-4 g。在此微重力条件下，地面重力效应导致的流体（气体）中的浮力对流、重力沉降、液体压力梯度等现象基本消失，地面重力效应所掩盖的一些次级效应凸显导致流体形态和物理过程等发生显著变化，同时还会对一些物理的实验条件产生重要影响。因此需要通过开展在轨试验，对重要的物理过程进行验证。本试验主要验证空间微重力环境对斯特林热电转换器整机效率和环境适应性的影响，需在现有地面原理样机基础上，针对斯特林热电转换器在空间微重力环境的应用特点，设计适用于空间微重力环境下的试验装置。根据空间高效自由活塞斯特林热电转换装置试验验证目标，分析本项目的验证任务为：1）验证空间高效自由活塞斯特林热电转换装置的热电转换效率；2）验证空间高效自由活塞斯特林热电转换装置的空间适应性。通过放射性同位素模拟热源与自由活塞斯特林热电转换技术相结合，完成空间斯特林热电转换试验装置研制，进行空间站验证试验，试验主要开展斯特林热电转换整机效率验证及间隙密封、双自由活塞相位保持等关键技术验证。1.3试验目标1）技术验证。对自由活塞斯特林热电转换技术进行空间站试验验证，突破双活塞自由运动的间隙密封、双活塞相位保持等关键技术，解决空间高效自由活塞斯特林热电转换技术在轨应用涉及的热控、振动、噪声等问题，开展自由活塞斯特林热电转换技术的转换效率和空间适应性验证，研制空间用斯特林热电转换器系统，满足空间应用需求，为未来空间高效同位素电源等不依赖太阳能任务的能源技术应用奠定基础。2）产品功能验证。自由活塞斯特林热电转换装置在空间能够实现稳定的电能输出应用，完成空间用百瓦级斯特林热电转换器工程产品在轨验证应用，获得在轨热电转换效率。2在轨试验方案设计2.1工作原理本试验采用型自由活塞斯特林热电转换器，主要包括双气缸和双自由活塞。它由配气活塞、动力活塞、加热器、回热器、冷却器、膨胀腔、压缩腔和直线电机等多个部件组成，其结构如图2所示。在发电机内部充有高纯氦气，加热器用于接收来自外热源的加热量，传递给流过其内部工质氦气，气体受热压力升高，推动两活塞在弹簧力作用下往复运动。配气活塞推动工质气体在两个腔体之间来回流动，气体工质在压缩腔和膨胀腔中周期往复流动，从而推动配气活塞和动力活塞往复运动，动力活塞往复运动带动直线发电机动子部件往复运动，从而实现热能到电能的转换。2.2理论分析首先，建立自由活塞式斯特林发电机系统动力学模型，运用动力学、热力学、流体力学、控制工程学等耦合分析方法，对其内部工质温度、速度、压力、容积等热力学和流体力学参数的交变状况进行分析，在使用等温模型、通用优化算法的基础上发展整机系统稳定性模型。通过对其模型的研究，能够分析计算斯特林发电机各种损失，分析系统谐振响应特点，确定热机和发电机热动力学特征参数匹配关系，达到对斯特林发电机理论的设计与分析。型自由活塞式斯特林发电机系统模型如图3所示。图2自由活塞式斯特林热电转换器结构示意图Fig.2Schematic structure of free-piston Stirling thermoelectric converter126第 1 期尹钊等：空间斯特林热电转换技术在轨试验2.2.1配气活塞动力学方程对应如图3结构，可给出如下公式：mdxd+cdxd+kdxd=()Pm-P A1（1）式中：P是腔内的压力（假设膨胀腔和压缩腔压力相等）；Pm是配气活塞腔内的压力；md是配气活塞动子系统的质量；kd是配气活塞板弹簧的刚度；xd是配气活塞运动的位移；cd是配气活塞系统的阻尼；A1是配气活塞杆的横截面积；A2是配气活塞的横截面积；Kg1是配气活塞气体弹簧的刚度；Kg2是动力活塞气体弹簧的刚度。2.2.2动力活塞动力学方程对应如图3结构，可给出如下表达式：mpxp+cpxp+kpxp=(Pb-P)A（2）式中：P是腔内的压力；Pb是背压腔内的压力；mp是动力活塞动子系统的质量；kp是动力活塞板弹簧的刚度；xp是动力活塞运动的位移；cp是动力活塞系统的阻尼；A是动力活塞杆的横截面积。2.2.3整机热力学模型热力学循环过程中工质总物质的量Mt保持不变，且认为内部各处压力相等，用传统的等温模型分析可得式（3）：Mt=mc+mk+mr+mh+me=PR()VcTc+VkTk+VrTr+VhTh+VeTe（3）式中：mc为压缩腔中工质物质的量；mk为冷却器中工质物质的量；mr为回热器中工质物质的量；mh为加热器中工质物质的量；me为膨胀腔中工质物质的量。Tc为压缩腔中工质温度；Tk为冷却器中工质温度；Th为加热器中工质温度；Te为膨胀腔中工质温度；Vc为压缩腔的容积；Vk为冷却器的容积；Vr为回热器的容积；Vh为加热器的空腔容积；Ve为膨胀腔的容积；Tr为回热器中工质平均温度，其表达式如下式所示：Tr=Th-Tcln()ThTc（4）对于膨胀腔、压缩腔，有以下关系：dVedxd=-A2Vcxd=A2-A1Vcxp=A（5）对于平衡位置，有以下关系：P0=MtR()Vc02Tc+VkTk+VrTr+VhTh+Ve02Te-1（6）V0T0=()Vc02Tc+VkTk+VrTr+VhTh+Ve02Te（7）P0=MtRT0V0（8）由式（3）及式（4）（8），可得：Pxd=-P0V0T0()A2-A1Tc()1-A2A2-A1TcTh（9）Pxp=P0V0T0ATc（10）式中：P0为在平衡位置时对应的压力；V0为在平衡位置时对应的容积；T0为在平衡位置时对应的温度。可以看出，式（1）中含有阻尼项，同时式（2）中也含有阻尼项，阻尼对整机的动力学影响很大。动态间隙密封技术恰恰是影响阻尼的关键，因此，需在微重力环境下验证其变化特性。从式（9）和式（10）中可见，热力学参数和动力学参数属于强耦合关系，配气活塞的运动将影响到动力活塞的运动；反过来，动力活塞的运动也将影响配气活塞的运动。因此，需在微重力环境下验证其影响关系，进而掌握双自由活塞保持技术。2.3试验装置设计试验装置安装在航天基础试验柜内II型载荷单元中，根据试验验证的需要，试验装置主要包括以下几个组成部分：1）II型载荷单元箱体：为试验装置提供安装位置和试验空间。2）散热冷板：为试验装置提供散热。3）斯特林热电转换器单元：由斯特林转换器本体（2台）、加热器（2台模拟热源）、安装座等组成，实现电能输出。4）控制器单元：实现总线通讯，转换器启动，图3自由活塞式斯特林发电机系统物理模型Fig.3Physical modelling of free-piston Stirling generator systems127宇航学报第 45 卷热、冷端温度采集，热端控温加热，输出功率AC-DC变换，输出功率控制等功能，实现对整机系统控制。5）负载：由电子负载组成，实现对输出电能的消耗。其中，斯特林热电转换器单元、控制器单元均位于航天基础试验机柜II型载荷单元内，成为一个独立封装的试验装置。在轨启动该试验装置，能够实现斯特林热电转换。在试验装置的热控方面，采用冷板方式进行散热，将散热冷板安装在箱体内底面板上，冷板与机柜通过冷却液进出口接口进行连接。冷却液进出口管路穿过试验装置的前面板与冷却液主管路相连接。散热冷板内部为液路槽道，冷却液通过槽道与冷板换热，带走试验装置上产生的热量。试验装置组成如图4所示。2.4在轨试验方案在轨试验时，利用模拟热源，通过电加热的方式将加热器温度升高。当热头温度达到 553 K（280）左右时，通过试验装置的控制器对斯特林热电转换器施加外界激励，斯特林热电转换器随即开始工作，启动后自动加负载。随着加热温度的升高，负载按照设定程序进行调整，热头温度达到693 K（420）附近时，负载保持稳定，实现稳定功率输出。对在轨试验全过程进行数据监测，当试验装置达到稳定运行状态时，完成规定时间内的验证目标考核，通过数据分析，分别从整机发电效率和空间环境适应性方面对在轨试验结果进行评价。1）整机发电效率：通过监测斯特林热电转换器的热输入功率、输出功率、热冷端温度参数，分析斯特林热电转换器在轨运行情况，对加热功率和输出功率进行分析计算，得到整机转换效率。2）空间环境适应性：通过多次在轨试验，验证空间微重力环境对整机热力学参数、动力学参数的影响，根据输出功率的变化趋势验证自由活塞斯特林热电转换技术的空间环境适应性。3在轨试验结果与分析3.1在轨试验结果在轨开展了3次热电转换试验，对3次试验中测得的电压、电流、冷热端温度进行记录。其中，左右缸各设置1个热电偶，二者取平均值给出热端温度；左右缸各设置1个热敏电阻，二者取平均值给出冷端温度，见表1。实验过程中交流电压真实有效值和运行频率会在小范围内动态变化，因此表1中给出的交流电压有效值和运行频率包括了在轨试验实际运行过程中小范围内变化情况。斯特林热电转换试验装置发电试验需通过计算得到输出功率，输出功率由式（11）计算得到，斯特林热电转换试验装置的热电转换效率由式（12）计算得到。P=V2(I3+I4)（11）=V2(I3+I4)V1 (I1+I2)100%（12）式中：P为输出功率；为热电转换效率；V1为加热直图4试验装置组成示意图Fig.4The composition of the test setup表1在轨3次试验数据Table 1On-orbit data of the three tests试验序号123加热直流电压/V27.0827.0827.08左缸加热直流电流/A7.147.147.14右缸加热直流电流/A7.127.127.12交流电压真有效值/V24.210.0624.210.0624.210.06左缸交流电流真有效值/A1.401.401.40右缸交流电流真有效值/A1.361.361.36左右缸热电偶温度/K695.5695.5695.5左右缸热敏电阻温度/K314.3314.3314.3计算效率24.72%24.72%24.72%温度比2.212.212.21运行频率/Hz701701701128第 1 期尹钊等：空间斯特林热电转换技术在轨试验流电压值；V2为交流电压真有效值；I1为左缸加热直流电流值；I2为右缸加热直流电流值；I3为左缸交流电流真有效值；I4为右缸交流电流真有效值；为传热因子，经实测为0.7。根据表1获取的在轨试验数据，可计算得出在轨3次试验的输出功率均为66.82 W0.5 W。热电转换效率为24.72%，整机加热与输出参数一致性好。在轨各次试验的热电转换效率曲线如图5所示。3.2在轨试验结果分析3.2.1双活塞自由运动间隙密封技术验证本试验采用大行程板簧支撑+环形耐磨套的间隙密封技术，经过在轨3次试验验证，在加热温度稳定的情况下，整机运行频率波动范围1 Hz，输出电压波动范围0.06 V，充分验证了在高温状态下运行特性参数波动范围小，间隙密封运行稳定，间隙的配合精度合理，满足运动部件间隙密封保持和轴向运动刚度需求。在轨输出功率66.82 W，热电转换效率24.72%，相对卡诺循环效率45.1%，整机性能指标均优于地面测试（65 W，24.4%，卡诺循环效率44.2%），这也表明在空间微重力条件下，运动部件不受重力的作用，运动活塞间隙密封稳定一致，其动力学行为更加优化。通过以上分析，充分证明了斯特林热电转换器所采用的双活塞自由运动间隙密封技术的稳定和一致，可以满足在轨应用的要求。3.2.2热力学和动力学参数匹配及保持技术验证通过在轨验证，在整机运行期间内，运行频率始终保持在 70 Hz 1 Hz，输出电压始终保持在24.21 V 0.06 V，输出功率始终保持在66.82 W 0.5 W，热端温度始终保持在695.5 K，冷端温度始终保持在314.3 K，验证了空间微重力环境不会对动子系统阻尼和双活塞相位造成影响，运动部件的运动特性不会发生变化，热电转换器性能稳定一致。通过以上分析，充分证明了斯特林热电转换器在空间微重力环境下，热力学和动力学参数匹配及保持技术可靠稳定，能够适应空间微重力环境。3.2.3热系统高效耦合技术验证1）热能输入技术验证斯特林热电转换装置的热头是热能的输入端，热源与热头的耦合情况决定了热能的输入情况，而热量的输入效率决定了系统的热效率，从而影响热电转换的效率。在地面试验时一般利用模拟热源作为热能的来源，热源与热头的耦合也比较灵活，一般采取直接加热或可拆卸的连接方式作为热源与热头的匹配耦合方式。但在空间环境热源必须可靠地与热头耦合，且热能的输入途径和方式必须具有合理的结构设计、热设计及控温策略，稳定地将热能源源不断地输入至转换器的膨胀腔内。因此，热源与热头之间的耦合热链路必须尽量增大有效换热面积20，降低热阻，减少热损，实现稳定均匀的热传输，而且为增强试验的逼真性和后期应用方式的一致性，设计时需考虑同位素热源的热特征。由于热头为热量输入端，热流密度较大，需要对热201816141222242.202.252.152.102.052.001.951.901.852.001.951.901.852.001.951.901.8526150200100500转换效率/%时间/min温度比转换效率温度比(a)在轨第1次试验热电转换效率曲线及温度比201816141222242.202.252.152.102.0526150200100500转换效率/%时间/min温度比转换效率温度比(b)在轨第2次试验热电转换效率曲线及温度比201816141222242.202.252.152.102.0526150200100500转换效率/%时间/min温度比转换效率温度比(c)在轨第3次试验热电转换效率曲线及温度比图5在轨热电转换效率曲线Fig.5Curves of on-orbit thermoelectric conversion efficiency129宇航学报第 45 卷头的加热结构进行研究，减小传热温差，提高加热效率，同时要求较高的加热均匀性，防止加热不均，使热头局部高温过载而失效。因此，需要从结构上保证传热的均匀性和结构强度要求。通过在轨验证，在整机运行期间内，热端温度始终保持在 695.5 K，输出功率始终保持在 66.82 W0.5 W，验证了在空间环境下热源和热头耦合高效，耦合热链路热阻小，传热均匀稳定，耦合结构适应空间环境要求，保证了热能高效输入，传热过程均匀稳定，实现了整机运行的高效和稳定。2）热排散技术验证本试验采用天宫空间站梦天舱航天基础试验机柜的冷板散热方式，采用乙二醇水溶液作为冷却工质进行散热，通过对斯特林热电转换器冷端热流分布特征的分析，设计了高效冷端转热技术，将循环过程中产生的废热由冷板导出至机壳，传输至试验机柜的液冷系统散热，维持压缩腔温度在设计要求的范围内，保证转换器在规定寿命内获得最佳性能。此外，导热面之间的接触程度决定了传热效率，在导热面之间填充导热硅脂和螺钉固连，以减小导热面之间热阻，有效提高了换热效率。通过在轨验证，在整机运行期间内，整机系统通过冷却系统排散的热量为280 W，热端温度始终保持在 695.5 K，冷端温度始终保持在 314.3 K，冷板的温度始终维持在301 K左右，验证了在空间环境下斯特林热电转换器冷端热流分布热特性，所设计的系统热能排散结构适应空间环境要求，保证了热能高效排散，传热过程均匀稳定，保证了整机运行的高效和稳定，说明采用通过冷板散热的方式可以满足在轨应用要求。3）空间环境适应性验证通过在轨不同阶段的3次试验验证，证明了斯特林热电转换装置在热端加热、冷端散热、热能与机械能和电能之间的高效转换，机器起振、谐振、稳定工作以及控制器对各参数的遥控及遥测方面，均达到了优异水平。整机性能指标略优于地面测试，验证了空间微重力条件下，运动部件不受重力的作用，其动力学行为将更加优化。通过在轨3次试验验证，输出功率一致性好，无衰减，各项运行参数均无明显变化，验证了斯特林热电转换器在空间环境下运行稳定，整机性能无衰减，试验装置各项关键技术能够适应空间环境。4结论本文梳理了空间自由活塞斯特林热电转换涉及的关键技术，通过放射性同位素模拟热源与自由活塞斯特林热电转换技术相结合，完成了斯特林热电转换试验装置研制，设计了空间自由活塞斯特林热电转换装置的在轨试验方案，在轨开展了斯特林热电转换试验，通过对在轨试验数据分析，验证了斯特林热电转换装置在空间环境下的适应性，得到以下结论：1）验证了双活塞自由运动间隙密封技术。在微重力下运行特性参数波动范围小，间隙密封运行稳定，间隙的配合精度合理，满足运动部件间隙密封保持和轴向运动刚度需求。2）验证了热力学和动力学参数匹配及保持技术。在微重力环境下，不会对动子系统阻尼和双活塞相位造成影响，从而确保运动部件的运动特性不会发生变化，热电转换器性能稳定一致。3）验证了热系统高效耦合技术。在空间环境下热源和热头、冷端和冷板耦合高效，耦合热链路热阻小，传热均匀稳定，耦合结构适应空间环境要求，保证了热能高效输入和输出，传热过程均匀稳定，实现了整机运行的高效和稳定。4）验证了整机系统空间适应性。在空间环境下斯特林热电转换转换器运行稳定，整机性能无衰减，系统各运行参数正常，验证了试验装置的空间环境适应性。5）获得了斯特林热电转换试验装置系统在轨运行特性数据。获取了热/冷端温度为 695.5 K/314.3 K，输 出 功 率 66.82 W 和 热 电 转 换 效 率24.72%，相对卡诺循环效率为45.1%，为斯特林热电转换系统未来空间应用提供了关键依据。该试验实现了斯特林热电转换技术在轨验证应用，为实现斯特林发电技术与同位素热源结合的3028262422201800.51.01.52.02.533.54.0冷板出口温度/冷板进口温度/温度/时间/h图6在轨冷板进出口温度曲线Fig.6Curves of the inlet and outlet temperature of the on-orbit cold plate130第 1 期尹钊等：空间斯特林热电转换技术在轨试验同位素斯特林热电转换技术在未来航天器中的应用奠定了基础。参 考 文 献1 张振寰，张昊春，张冬，等.兆瓦级探月火箭空间核电源系统设计与性能研究 J.宇航学报，2022，43（5）：696-704.ZHANG Zhenhuan，ZHANG Haochun，ZHANG Dong，et al.Design and performance research of megawatt-class space nuclear power system for lunar rocketsJ.Journal of Astronautics，2022，43（5）：696-704.2 蔡晓东，杜青，夏宁，等.嫦娥五号探测器供配电系统设计与验证 J.宇航学报，2021，42（8）：1015-1026.CAI Xiaodong，DU Qing，XIA Ning，et al.Design and verification of Chang E-5 probe power supply and distribution system JJournal of Astronautics，2021，42（8）：1015-1026.3 王录，苗建印，张红星，等.月球着陆器两相流体回路性能衰退分析与验证 J.宇航学报，2019，40（9）：1095-1102.WANG Lu，MIAO Jianyin，ZHANG Hongxing，et al.Analysis and validation of performance degradation of two-phase fluid loop in a lunar landerJ.Journal of 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