空間斯特林熱電轉換技術在軌試驗

尹 釗，張 安，郭 佩，閆春杰，趙振昊，張學林，魏志明，陸登柏

（1.北京空間飛行器總體設計部，北京 100094；2.蘭州空間技術物理研究所真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000）

0 引言

隨著深空探測、載人登月等重大航天任務的發展，對不依賴太陽能的空間高效電源的需求愈發迫切，空間非太陽能熱電電源對載人登月、火星登陸等深空探測任務具有重要意義?？臻g放射性同位素電源具有高效率、長壽命、不受光照影響的特點，有望成為未來深空探測任務的先進空間電源系統［1-8］?？臻g放射性同位素電源通過靜態或動態轉換裝置將同位素熱能轉換為電能。傳統的放射性同位素溫差轉換器運用靜態能量轉換技術，目前已開展了大量的空間應用［9］。然而，其熱電轉換系統在溫度比為1.5 至2.0 時，熱電轉換效率不到8%，難以滿足未來深空探測對大功率空間電源的使用需求。為了進一步提高空間同位素電源的效率和功率，滿足深空探測等航天任務的更高要求，可采用斯特林熱電轉換電源系統。作為應用了新技術的系統，它具有結構簡單、效率高、質量輕、啟動快、振動小及噪聲低等優點，是未來深空探測等不依賴太陽能的空間任務的有益選擇，具有廣闊的應用前景。通過采用閉式循環往復活塞式斯特林發動機將熱能轉換為動能，并通過耦合線性交流發電機將動能轉換為電能，相對于靜態溫差發電等系統，斯特林熱電轉換技術具有高效（在一定溫度比條件下效率可達30%）、高比功率的特點，在相同的功率輸出時，比靜態溫差發電系統的質量輕，所需放射性同位素燃料的量減少將近3/4，在重量和成本上具有明顯優勢［10-14］。

斯特林熱電轉換系統的另外一個特點是，其比功率隨著輸出功率的增大而增大，從而在大功率電源系統，如月球基地10 kW 級的能源系統中具有優勢，可為將來月球能源基地項目提供技術支持。美國已初步決定進行5 kW 規模的空間斯特林轉換器研究［6］。面向未來載人深空探測、小行星探測等任務需求，太陽能光伏發電已不能滿足能源需求，因此，急需開展不依賴太陽能的先進能源技術在軌驗證。目前空間斯特林熱電轉換技術是空間高效能源技術研究的熱點。

空間斯特林轉換器一般采用自由活塞斯特林技術方案，其主要的技術特征為間隙密封、柔性彈簧（氣體靜壓軸承）支撐、直線交流轉換器、動力活塞與配氣活塞純氣動耦合。斯特林轉換器是斯特林熱機、直線交流轉換器和控制器高效耦合的系統，在所有熱機中循環效率最接近卡諾循環，熱電轉換效率最高，可以達到理論卡諾效率的60%。由于活塞與氣缸間的間隙密封技術和活塞之間流體傳動結構保證了零件無磨損，斯特林熱電轉換系統結構具有長壽命和高可靠性的特點。

斯特林發電機由雙自由活塞組成，兩者運行相位窄，頻率高，容易發生相位漂移，從而造成停機?？臻g環境應用對相位的影響在地面無法驗證；斯特林發電機是機電熱高度集成系統，集熱和散熱系統在地面無法驗證空間微重力條件對熱系統的影響，因此必須通過空間站開展驗證試驗，驗證斯特林熱電轉換器和集成應用系統的空間適應性。

自1964年自由活塞斯特林發電機發明以來，國際上開展了大量理論研究，研制了多種類型的斯特林發電樣機。其中，NASA 于2010 年在地面設計了12 kW 的對置式空間大功率斯特林發動機，當鈉鉀流體側熱端溫度為850 K、運行頻率為60 Hz 時，斯特林發電機輸出功率分別為6 109 W 和6 048 W，轉換效率分別為26.5%和24.4%［15-16］。

國內在斯特林發電技術方面也開展了相關的地面研究［17-21］。文獻［22］開展了百瓦級氣體軸承斯特林發電機研究，在熱端溫度898 K，冷端溫度293 K時，輸出最大電功率為101.1 W，效率為16.9%。文獻［10］開展了30 W 自由活塞斯特林發電機的地面試驗研究，對動力學性能、發電輸出性能等關鍵技術進行了地面驗證。文獻［23］研制了百瓦級自由活塞斯特林發電機樣機，探究了各參數對發電機輸出性能的影響。

上述研究均為基于地面實驗室的研究，國內外尚未開展斯特林熱電轉換技術的空間試驗或應用。中國空間站工程航天技術試驗領域，在空間站夢天實驗艙航天基礎試驗機柜中部署了空間自由活塞斯特林熱電轉換試驗裝置，于2022 年12 月開展了高效自由活塞熱電轉換技術在空間環境下的在軌試驗，驗證了空間微重力環境下雙活塞自由運動的間隙密封、雙活塞相位保持等關鍵技術，獲取了空間環境下雙自由活塞精確的運動相位保持及漂移特性、動力學與熱力學強耦合特性等關鍵參數。該試驗的研究旨在為我國未來載人深空探測、小行星探測等任務先進空間電源系統的應用奠定基礎，填補我國在該領域的研究空白。

本文梳理了空間自由活塞斯特林熱電轉換涉及的關鍵技術，設計了空間自由活塞斯特林熱電轉換裝置的在軌試驗方案，對在軌試驗數據進行了分析，驗證了斯特林熱電轉換裝置在空間環境下的適應性，獲取了在軌熱電轉換效率，以期為未來深空探測新型電源系統的工程應用奠定基礎。

1 關鍵技術與任務分析

1.1 關鍵技術

1.1.1 動態間隙密封技術

斯特林熱電轉換器是基于斯特林熱力循環的外燃機產品，其工作過程將外部輸入的熱能轉換為機械能，帶動直線發電機再轉換為電能，其內部存在運動活塞?？臻g斯特林熱電轉換器為延長產品壽命、增加可靠性，一般采用動態間隙密封技術，從而實現運動活塞與缸體間的非接觸間隙密封，保證運動部件在長期高頻工作中無磨損。間隙密封的實現主要通過在密封部位進行涂覆保護，同時采用板彈簧（本試驗采用的技術方案）或氣體靜壓軸承來保持間隙密封的穩定性和可靠性。雖然采用了高徑向/軸向剛度比的活動件支撐方式，但運動活塞自身的重力影響非常明顯，容易造成活塞的偏心和磨損。因此在地面試驗階段，為避免因重力因素引起的活塞偏心，轉換器采取熱頭豎直向上放置的方式。雖然這種放置方式能夠在一定程度上降低重力環境因素的影響，但是由于機器在空間的應用布局方式為對置布局結構（如圖1 所示），重力因素對二者的活動造成的影響是反方向的，將造成兩臺機器運動特性的不一致，不能完全模擬在空間的運動行為。因此需在空間微重力環境下驗證單機活動件及雙機對置布局結構在空間與地面運動的行為差別，確保在軌應用期間性能的穩定性。同時，如果造成活塞偏心和磨損，會造成壓縮腔壓力波減小，進一步造成動力活塞行程變小，最后電機輸出電壓變小，輸出功率下降。

圖1 斯特林發電機對置方式Fig.1 Opposed Stirling generators

1.1.2 雙自由活塞相位保持技術

自由活塞式斯特林熱電轉換器功能的實現主要依賴于配氣活塞和動力活塞的相互運動，兩個活塞不但要保持各自行程下穩定運行，而且兩個活塞之間必須以合適的相位差穩定運行。熱電轉換器內充入了高純氣體工質，工作過程中工質隨著活塞的往復運動在壓縮腔和膨脹腔之間流動，在微重力環境下運動件的運動行為會發生輕微改變，進而會對工質氣體在機器中流動模式造成影響，也會對動子系統阻尼以及配氣活塞和動力活塞相位等方面造成影響，最終將會導致熱電轉換器的性能變化，包括整機運行頻率不穩定、輸出電壓和輸出功率減小、熱端溫度和冷端溫度上升。此外，斯特林熱電轉換器由雙自由活塞組成，兩者運行相位窄，頻率高，容易發生相位漂移，從而可能造成停機。熱力學和動力學參數直接決定雙活塞的運行相位，熱力學和動力學參數匹配及保持技術是保證斯特林熱電轉換器高可靠的關鍵。因此，需要通過空間環境試驗準確掌握微重力環境對雙自由活塞相位的影響規律。

1.1.3 熱電轉換器散熱技術

斯特林熱電轉換器工作動力根本來源是壓縮腔和膨脹腔的壓力差，轉換器的效率和兩個腔的溫度有直接關系，膨脹腔的熱量來自于外部熱源，而壓縮腔的溫度控制靠熱控措施來實現。壓縮腔附近的間隙密封及保持機構工作在中高溫度下，如膨脹腔間隙密封部位溫度在100 ℃～200 ℃，溫度因子對于間隙密封結構的性能具有一定的影響作用，主要體現在較高溫度下密封結構的熱脹效應對密封可靠性的影響、對間隙尺寸的影響、對板彈簧剛度和疲勞強度的影響等。如果壓縮腔溫度過高，也會導致上述部位溫度過高和整機效率下降，因此需要通過適宜的熱控措施確保壓縮腔部位溫度在所要求的范圍內。在地面試驗階段主要通過循環冷卻水來冷卻壓縮腔，基本能滿足實際要求，但在空間中采用輻射散熱的方式，將多余的熱量通過表面輻射材料、熱輻射裝置或蒸發裝置散發到空間中去，與地面散熱方式不同。因此，在軌的熱控措施能否完全滿足要求，也需要通過在軌驗證。

1.2 任務分析

天宮空間站能夠提供長時間的微重力環境，微重力水平（殘余微振動加速度）為10-3～10-4g。在此微重力條件下，地面重力效應導致的流體（氣體）中的浮力對流、重力沉降、液體壓力梯度等現象基本消失，地面重力效應所掩蓋的一些次級效應凸顯導致流體形態和物理過程等發生顯著變化，同時還會對一些物理的實驗條件產生重要影響。因此需要通過開展在軌試驗，對重要的物理過程進行驗證。

本試驗主要驗證空間微重力環境對斯特林熱電轉換器整機效率和環境適應性的影響，需在現有地面原理樣機基礎上，針對斯特林熱電轉換器在空間微重力環境的應用特點，設計適用于空間微重力環境下的試驗裝置。

根據空間高效自由活塞斯特林熱電轉換裝置試驗驗證目標，分析本項目的驗證任務為：

1）驗證空間高效自由活塞斯特林熱電轉換裝置的熱電轉換效率；

2）驗證空間高效自由活塞斯特林熱電轉換裝置的空間適應性。

通過放射性同位素模擬熱源與自由活塞斯特林熱電轉換技術相結合，完成空間斯特林熱電轉換試驗裝置研制，進行空間站驗證試驗，試驗主要開展斯特林熱電轉換整機效率驗證及間隙密封、雙自由活塞相位保持等關鍵技術驗證。

1.3 試驗目標

1）技術驗證。對自由活塞斯特林熱電轉換技術進行空間站試驗驗證，突破雙活塞自由運動的間隙密封、雙活塞相位保持等關鍵技術，解決空間高效自由活塞斯特林熱電轉換技術在軌應用涉及的熱控、振動、噪聲等問題，開展自由活塞斯特林熱電轉換技術的轉換效率和空間適應性驗證，研制空間用斯特林熱電轉換器系統，滿足空間應用需求，為未來空間高效同位素電源等不依賴太陽能任務的能源技術應用奠定基礎。

2）產品功能驗證。自由活塞斯特林熱電轉換裝置在空間能夠實現穩定的電能輸出應用，完成空間用百瓦級斯特林熱電轉換器工程產品在軌驗證應用，獲得在軌熱電轉換效率。

2 在軌試驗方案設計

2.1 工作原理

本試驗采用γ 型自由活塞斯特林熱電轉換器，主要包括雙氣缸和雙自由活塞。它由配氣活塞、動力活塞、加熱器、回熱器、冷卻器、膨脹腔、壓縮腔和直線電機等多個部件組成，其結構如圖2 所示。在發電機內部充有高純氦氣，加熱器用于接收來自外熱源的加熱量，傳遞給流過其內部工質氦氣，氣體受熱壓力升高，推動兩活塞在彈簧力作用下往復運動。配氣活塞推動工質氣體在兩個腔體之間來回流動，氣體工質在壓縮腔和膨脹腔中周期往復流動，從而推動配氣活塞和動力活塞往復運動，動力活塞往復運動帶動直線發電機動子部件往復運動，從而實現熱能到電能的轉換。

圖2 自由活塞式斯特林熱電轉換器結構示意圖Fig.2 Schematic structure of free-piston Stirling thermoelectric converter

2.2 理論分析

首先，建立自由活塞式斯特林發電機系統動力學模型，運用動力學、熱力學、流體力學、控制工程學等耦合分析方法，對其內部工質溫度、速度、壓力、容積等熱力學和流體力學參數的交變狀況進行分析，在使用等溫模型、通用優化算法的基礎上發展整機系統穩定性模型。通過對其模型的研究，能夠分析計算斯特林發電機各種損失，分析系統諧振響應特點，確定熱機和發電機熱動力學特征參數匹配關系，達到對斯特林發電機理論的設計與分析。

γ 型自由活塞式斯特林發電機系統模型如圖3所示。

圖3 自由活塞式斯特林發電機系統物理模型Fig.3 Physical modelling of free-piston Stirling generator systems

2.2.1 配氣活塞動力學方程

對應如圖3結構，可給出如下公式：

式中：P是腔內的壓力（假設膨脹腔和壓縮腔壓力相等）；Pm是配氣活塞腔內的壓力；md是配氣活塞動子系統的質量；kd是配氣活塞板彈簧的剛度；xd是配氣活塞運動的位移；cd是配氣活塞系統的阻尼；A1是配氣活塞桿的橫截面積；A2是配氣活塞的橫截面積；Kg1是配氣活塞氣體彈簧的剛度；Kg2是動力活塞氣體彈簧的剛度。

2.2.2 動力活塞動力學方程

對應如圖3結構，可給出如下表達式：

式中：P是腔內的壓力；Pb是背壓腔內的壓力；mp是動力活塞動子系統的質量；kp是動力活塞板彈簧的剛度；xp是動力活塞運動的位移；cp是動力活塞系統的阻尼；A是動力活塞桿的橫截面積。

2.2.3 整機熱力學模型

熱力學循環過程中工質總物質的量Mt保持不變，且認為內部各處壓力相等，用傳統的等溫模型分析可得式（3）：

式中：mc為壓縮腔中工質物質的量；mk為冷卻器中工質物質的量；mr為回熱器中工質物質的量；mh為加熱器中工質物質的量；me為膨脹腔中工質物質的量。Tc為壓縮腔中工質溫度；Tk為冷卻器中工質溫度；Th為加熱器中工質溫度；Te為膨脹腔中工質溫度；Vc為壓縮腔的容積；Vk為冷卻器的容積；Vr為回熱器的容積；Vh為加熱器的空腔容積；Ve為膨脹腔的容積；Tr為回熱器中工質平均溫度，其表達式如下式所示：

對于膨脹腔、壓縮腔，有以下關系：

對于平衡位置，有以下關系：

由式（3）及式（4）～（8），可得：

式中：P0為在平衡位置時對應的壓力；V0為在平衡位置時對應的容積；T0為在平衡位置時對應的溫度。

可以看出，式（1）中含有阻尼項，同時式（2）中也含有阻尼項，阻尼對整機的動力學影響很大。動態間隙密封技術恰恰是影響阻尼的關鍵，因此，需在微重力環境下驗證其變化特性。

從式（9）和式（10）中可見，熱力學參數和動力學參數屬于強耦合關系，配氣活塞的運動將影響到動力活塞的運動；反過來，動力活塞的運動也將影響配氣活塞的運動。因此，需在微重力環境下驗證其影響關系，進而掌握雙自由活塞保持技術。

2.3 試驗裝置設計

試驗裝置安裝在航天基礎試驗柜內II型載荷單元中，根據試驗驗證的需要，試驗裝置主要包括以下幾個組成部分：

1）II 型載荷單元箱體：為試驗裝置提供安裝位置和試驗空間。

2）散熱冷板：為試驗裝置提供散熱。

3）斯特林熱電轉換器單元：由斯特林轉換器本體（2臺）、加熱器（2臺模擬熱源）、安裝座等組成，實現電能輸出。

4）控制器單元：實現總線通訊，轉換器啟動，熱、冷端溫度采集，熱端控溫加熱，輸出功率AC-DC變換，輸出功率控制等功能，實現對整機系統控制。

5）負載：由電子負載組成，實現對輸出電能的消耗。

其中，斯特林熱電轉換器單元、控制器單元均位于航天基礎試驗機柜II 型載荷單元內，成為一個獨立封裝的試驗裝置。在軌啟動該試驗裝置，能夠實現斯特林熱電轉換。

在試驗裝置的熱控方面，采用冷板方式進行散熱，將散熱冷板安裝在箱體內底面板上，冷板與機柜通過冷卻液進出口接口進行連接。冷卻液進出口管路穿過試驗裝置的前面板與冷卻液主管路相連接。散熱冷板內部為液路槽道，冷卻液通過槽道與冷板換熱，帶走試驗裝置上產生的熱量。試驗裝置組成如圖4所示。

圖4 試驗裝置組成示意圖Fig.4 The composition of the test setup

2.4 在軌試驗方案

在軌試驗時，利用模擬熱源，通過電加熱的方式將加熱器溫度升高。當熱頭溫度達到553 K（280 ℃）左右時，通過試驗裝置的控制器對斯特林熱電轉換器施加外界激勵，斯特林熱電轉換器隨即開始工作，啟動后自動加負載。隨著加熱溫度的升高，負載按照設定程序進行調整，熱頭溫度達到693 K（420 ℃）附近時，負載保持穩定，實現穩定功率輸出。

對在軌試驗全過程進行數據監測，當試驗裝置達到穩定運行狀態時，完成規定時間內的驗證目標考核，通過數據分析，分別從整機發電效率和空間環境適應性方面對在軌試驗結果進行評價。

1）整機發電效率：通過監測斯特林熱電轉換器的熱輸入功率、輸出功率、熱冷端溫度參數，分析斯特林熱電轉換器在軌運行情況，對加熱功率和輸出功率進行分析計算，得到整機轉換效率。

2）空間環境適應性：通過多次在軌試驗，驗證空間微重力環境對整機熱力學參數、動力學參數的影響，根據輸出功率的變化趨勢驗證自由活塞斯特林熱電轉換技術的空間環境適應性。

3 在軌試驗結果與分析

3.1 在軌試驗結果

在軌開展了3 次熱電轉換試驗，對3 次試驗中測得的電壓、電流、冷熱端溫度進行記錄。其中，左右缸各設置1 個熱電偶，二者取平均值給出熱端溫度；左右缸各設置1個熱敏電阻，二者取平均值給出冷端溫度，見表1。實驗過程中交流電壓真實有效值和運行頻率會在小范圍內動態變化，因此表1中給出的交流電壓有效值和運行頻率包括了在軌試驗實際運行過程中小范圍內變化情況。

表1 在軌3次試驗數據Table 1 On-orbit data of the three tests

斯特林熱電轉換試驗裝置發電試驗需通過計算得到輸出功率，輸出功率由式（11）計算得到，斯特林熱電轉換試驗裝置的熱電轉換效率由式（12）計算得到。

式中：P為輸出功率；η為熱電轉換效率；V1為加熱直流電壓值；V2為交流電壓真有效值；I1為左缸加熱直流電流值；I2為右缸加熱直流電流值；I3為左缸交流電流真有效值；I4為右缸交流電流真有效值；μ為傳熱因子，經實測為0.7。

根據表1獲取的在軌試驗數據，可計算得出在軌3 次試驗的輸出功率均為66.82 W±0.5 W。熱電轉換效率為24.72%，整機加熱與輸出參數一致性好。在軌各次試驗的熱電轉換效率曲線如圖5所示。

圖5 在軌熱電轉換效率曲線Fig.5 Curves of on-orbit thermoelectric conversion efficiency

圖6 在軌冷板進出口溫度曲線Fig.6 Curves of the inlet and outlet temperature of the on-orbit cold plate

3.2 在軌試驗結果分析

3.2.1 雙活塞自由運動間隙密封技術驗證

本試驗采用大行程板簧支撐+環形耐磨套的間隙密封技術，經過在軌3次試驗驗證，在加熱溫度穩定的情況下，整機運行頻率波動范圍≤1 Hz，輸出電壓波動范圍≤0.06 V，充分驗證了在高溫狀態下運行特性參數波動范圍小，間隙密封運行穩定，間隙的配合精度合理，滿足運動部件間隙密封保持和軸向運動剛度需求。在軌輸出功率66.82 W，熱電轉換效率24.72%，相對卡諾循環效率45.1%，整機性能指標均優于地面測試（65 W，24.4%，卡諾循環效率44.2%），這也表明在空間微重力條件下，運動部件不受重力的作用，運動活塞間隙密封穩定一致，其動力學行為更加優化。通過以上分析，充分證明了斯特林熱電轉換器所采用的雙活塞自由運動間隙密封技術的穩定和一致，可以滿足在軌應用的要求。

3.2.2 熱力學和動力學參數匹配及保持技術驗證

通過在軌驗證，在整機運行期間內，運行頻率始終保持在70 Hz ± 1 Hz，輸出電壓始終保持在24.21 V ± 0.06 V，輸出功率始終保持在66.82 W±0.5 W，熱端溫度始終保持在695.5 K，冷端溫度始終保持在314.3 K，驗證了空間微重力環境不會對動子系統阻尼和雙活塞相位造成影響，運動部件的運動特性不會發生變化，熱電轉換器性能穩定一致。通過以上分析，充分證明了斯特林熱電轉換器在空間微重力環境下，熱力學和動力學參數匹配及保持技術可靠穩定，能夠適應空間微重力環境。

3.2.3 熱系統高效耦合技術驗證

1）熱能輸入技術驗證

斯特林熱電轉換裝置的熱頭是熱能的輸入端，熱源與熱頭的耦合情況決定了熱能的輸入情況，而熱量的輸入效率決定了系統的熱效率，從而影響熱電轉換的效率。在地面試驗時一般利用模擬熱源作為熱能的來源，熱源與熱頭的耦合也比較靈活，一般采取直接加熱或可拆卸的連接方式作為熱源與熱頭的匹配耦合方式。但在空間環境熱源必須可靠地與熱頭耦合，且熱能的輸入途徑和方式必須具有合理的結構設計、熱設計及控溫策略，穩定地將熱能源源不斷地輸入至轉換器的膨脹腔內。因此，熱源與熱頭之間的耦合熱鏈路必須盡量增大有效換熱面積［20］，降低熱阻，減少熱損，實現穩定均勻的熱傳輸，而且為增強試驗的逼真性和后期應用方式的一致性，設計時需考慮同位素熱源的熱特征。由于熱頭為熱量輸入端，熱流密度較大，需要對熱頭的加熱結構進行研究，減小傳熱溫差，提高加熱效率，同時要求較高的加熱均勻性，防止加熱不均，使熱頭局部高溫過載而失效。因此，需要從結構上保證傳熱的均勻性和結構強度要求。

通過在軌驗證，在整機運行期間內，熱端溫度始終保持在695.5 K，輸出功率始終保持在66.82 W±0.5 W，驗證了在空間環境下熱源和熱頭耦合高效，耦合熱鏈路熱阻小，傳熱均勻穩定，耦合結構適應空間環境要求，保證了熱能高效輸入，傳熱過程均勻穩定，實現了整機運行的高效和穩定。

2）熱排散技術驗證

本試驗采用天宮空間站夢天艙航天基礎試驗機柜的冷板散熱方式，采用乙二醇水溶液作為冷卻工質進行散熱，通過對斯特林熱電轉換器冷端熱流分布特征的分析，設計了高效冷端轉熱技術，將循環過程中產生的廢熱由冷板導出至機殼，傳輸至試驗機柜的液冷系統散熱，維持壓縮腔溫度在設計要求的范圍內，保證轉換器在規定壽命內獲得最佳性能。此外，導熱面之間的接觸程度決定了傳熱效率，在導熱面之間填充導熱硅脂和螺釘固連，以減小導熱面之間熱阻，有效提高了換熱效率。

通過在軌驗證，在整機運行期間內，整機系統通過冷卻系統排散的熱量為280 W，熱端溫度始終保持在695.5 K，冷端溫度始終保持在314.3 K，冷板的溫度始終維持在301 K 左右，驗證了在空間環境下斯特林熱電轉換器冷端熱流分布熱特性，所設計的系統熱能排散結構適應空間環境要求，保證了熱能高效排散，傳熱過程均勻穩定，保證了整機運行的高效和穩定，說明采用通過冷板散熱的方式可以滿足在軌應用要求。

3）空間環境適應性驗證

通過在軌不同階段的3 次試驗驗證，證明了斯特林熱電轉換裝置在熱端加熱、冷端散熱、熱能與機械能和電能之間的高效轉換，機器起振、諧振、穩定工作以及控制器對各參數的遙控及遙測方面，均達到了優異水平。整機性能指標略優于地面測試，驗證了空間微重力條件下，運動部件不受重力的作用，其動力學行為將更加優化。

通過在軌3次試驗驗證，輸出功率一致性好，無衰減，各項運行參數均無明顯變化，驗證了斯特林熱電轉換器在空間環境下運行穩定，整機性能無衰減，試驗裝置各項關鍵技術能夠適應空間環境。

4 結論

本文梳理了空間自由活塞斯特林熱電轉換涉及的關鍵技術，通過放射性同位素模擬熱源與自由活塞斯特林熱電轉換技術相結合，完成了斯特林熱電轉換試驗裝置研制，設計了空間自由活塞斯特林熱電轉換裝置的在軌試驗方案，在軌開展了斯特林熱電轉換試驗，通過對在軌試驗數據分析，驗證了斯特林熱電轉換裝置在空間環境下的適應性，得到以下結論：

1）驗證了雙活塞自由運動間隙密封技術。在微重力下運行特性參數波動范圍小，間隙密封運行穩定，間隙的配合精度合理，滿足運動部件間隙密封保持和軸向運動剛度需求。

2）驗證了熱力學和動力學參數匹配及保持技術。在微重力環境下，不會對動子系統阻尼和雙活塞相位造成影響，從而確保運動部件的運動特性不會發生變化，熱電轉換器性能穩定一致。

3）驗證了熱系統高效耦合技術。在空間環境下熱源和熱頭、冷端和冷板耦合高效，耦合熱鏈路熱阻小，傳熱均勻穩定，耦合結構適應空間環境要求，保證了熱能高效輸入和輸出，傳熱過程均勻穩定，實現了整機運行的高效和穩定。

4）驗證了整機系統空間適應性。在空間環境下斯特林熱電轉換轉換器運行穩定，整機性能無衰減，系統各運行參數正常，驗證了試驗裝置的空間環境適應性。

5）獲得了斯特林熱電轉換試驗裝置系統在軌運行特性數據。獲取了熱/冷端溫度為695.5 K/314.3 K，輸出功率66.82 W 和熱電轉換效率24.72%，相對卡諾循環效率為45.1%，為斯特林熱電轉換系統未來空間應用提供了關鍵依據。

該試驗實現了斯特林熱電轉換技術在軌驗證應用，為實現斯特林發電技術與同位素熱源結合的同位素斯特林熱電轉換技術在未來航天器中的應用奠定了基礎。