梦天实验舱测试斯特林发动机,或在为核动力上太空做准备

我们国家刚刚把梦天实验舱发射成功,在这个梦天实验舱上面还携带了一台斯特林发动机。

这很可能是我国在为未来的太空能源输出装置做的测试。

我们知道中国空间站,包括国际空间站上面的动力主要来自于太阳能电池,但是,太阳能电池它有一个缺陷,就是功率密度比较低。

中国空间站现在是完全体,总重是九十吨左右,有8个大片和4个小片的太阳能电池,总功率在100千瓦左右。

国际空间站的总吨位是400多吨,一共有16个大的太阳能电池组,面积比中国的太阳能电池组要大上30%,但是功率是相当的。

这是因为中国空间站的太阳能电池组的功率密度要更高,但这基本上就是太阳能电池转化效率的极限了。

太阳能的电力,除了维持空间站上的生命再生系统以外,还要维持空间站上的照明、实验设备。

另外,还有一个耗电量特别大的大户,就是霍尔推进器。

霍尔推进器,我们国家的功率是20千瓦,美国已经可以做到100千瓦,大一点的霍尔推进器就可以消耗掉空间站上太阳能电池板所有的功率。

当然,开动霍尔推进器是需要轨道维持、或者机动变轨时,使用频率不高。

像空间站轨道基本上是固定的,轨道维持也是每隔一段时间才做一次。所以霍尔推进器开动,对于空间站来说影响不是很大。

但是,如果今后空间站发展成为太空工厂,甚至发展成为深空旅行飞船,用太阳能电池供应的电力肯定是不够的。

地球距离太阳的距离是1.5亿公里,在这个距离上太阳光的辐射功率为1.4千瓦每平方米,密度还是可以的,越远离太阳,这个辐射功率会下降。

如果到火星或者是更远的木星、土星去探测,那个时候太阳能电池板的功率就会急剧下降。

所以飞往太阳系更遥远的地方,解决能源问题,不能只靠太阳能。

其实,外太空飞船或者空间站上的能源问题,一直是困扰着航天技术的一个老大难的问题。

前苏联和美国都试图把核动力装置放到外太空上去,但是那些核动力装置,原理上是一种热核电池,与地面核电站的反应堆完全不一样。

其中最大的区别,就是核动力的输出功率有限。

核动力装置要实现大功率输出,必须把原子核中的裂变热能转化成机械能,然后带动电动机发电。

地面上的核电站使用裂变能烧开水,产生蒸汽,推动汽轮机发电,但是这种发电的方式在外太空是不合适的。

主要原因就是蒸汽锅炉结构太复杂,不仅有涡轮设备,还有好几个热交换器,形成不同的回路。

核潜艇上的紧凑型的核反应堆,功率可达几万千瓦,不包含涡轮发电装置,至少有100吨重。

像这么巨大的核反应堆运到太空去很麻烦,安装也很麻烦。

太空中需要的核动力装置,最佳的功率在1000千瓦左右。采用烧开水带动这个蒸汽轮机发电的模式,就不太合适。

在这种情况下,要把核裂变的热能转化成机械能带动发电机,最佳的动力装置就是斯特林发动机。

斯特林发动机在2000千瓦到100千瓦之间这个功率区间,重量、效率都有非常大的优势。

我国已研制出在潜艇上使用的320千瓦的斯特林发动机。

同时,从结构上来说,斯特林发动机是全封闭的,在工作的时候不会有任何泄漏,工质不会减少,特别适合长时间定功率输出。

斯特林发动机的效率在百分之40左右,和先进内燃机的基本相当,在运行的时候只有机器转动的声音,而且故障很少,特别适合在外太空运行。

通常的情况下,在地面上运行的斯特林发动机加热源都是化石燃料,有一个废气排放的过程。

使用核动力装置以后,加热部分和斯特林发动机的主体可以做成完整动力包,在中小功率的情况下,绝对是最佳搭配。

我国这次在外太空测试斯特林发动机,很可能是为了核动力装置进入外太空做准备。