空间自由活塞斯特林发动机研究进展

冶文莲，孙述泽，陈鹏帆，杨山举*

（1.西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100；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；3.西安交通大学能源与动力工程学院，西安 710049）

0 引言

随着空间技术的快速发展和空间应用需求的不断扩大，美国、欧洲、日本、俄罗斯、印度等国家和组织提出了一系列的深空探测计划，我国也制定了相应的航天事业发展规划，将月球探测、火星探测、空间站等任务提上重点研发日程。各国均开展了关键技术攻关，其中对关键保障技术——空间电源提出了更高的要求[1-3]。常规的空间电源装置，如太阳能光伏电池和蓄电池均不能满足新的要求。由于核电源系统具有高可靠、长寿命、受光照影响不显著等优点，成为目前空间任务的优选方案。空间核电源系统通常采用静态（放射性同位素温差发电器）或者动态热电转换装置（如自由活塞斯特林发电系统）。然而，前者作为一种静态能量转换装置，转换效率和能量密度较低，无法满足大功率需求。而后者可用放射性同位素或核热驱动，具有高可靠、结构简单、启动快、质量轻等优点，且在温度比为2～3时转换效率高达35%，效率和比功率明显高于传统的发电设备，可满足空间站、月球探测、火星登陆等航天任务的需求，受到世界航天强国的密切关注。因此，自由活塞斯特林发电机将成为空间电源系统的主流。

自由活塞斯特林发电机由斯特林发动机和直线电机组成。由动力活塞和配气活塞构成自由活塞斯特林发动机的谐振系统，取消了传统斯特林发动机的曲轴连杆机构，两活塞之间无机械约束。这种特殊结构使其具有以下几方面的优势：（1）配气活塞和动力活塞自由运行于工质和弹簧之间，因而机械效率高；（2）两活塞与气缸间采用非接触间隙密封，具有长寿命、高效率和高可靠的特点；（3）两活塞做往复直线运动，工作腔与大气隔绝，因而噪音小、振动小。因此，自由活塞斯特林发动机在未来空间飞行任务中有着广泛的应用前景。美国的Infinia、Sunpower、MTI等公司在自由活塞斯特林发动机研制方面开展了大量的理论与系统性能测试研究，可靠性和寿命基本满足工程应用要求，部分样机性能已达到飞行验证阶段。

本文系统总结了自由活塞发动机在放射性同位素发电装置和核裂变电源系统中的研究进展，并根据国内外研究现状，总结关键技术，简要介绍了自由活塞斯特林发动机在热力学分析、多目标优化以及动力学方面的理论研究进展，最后针对目前国内研究现状提出了几点思考。

1 自由活塞斯特林发动机国内外发展现状

1.1 国外发展现状

自1964年发明自由活塞斯特林发动机（free piston Stirling engine，FPSE）以来，国外多家研究机构，如美国的Sunpower公司、Infinia公司（原STC公司）、MTI公司、LMSC公司、美国航空航天局（NASA）和美国能源部（DOE）等投入大量科研人员和研究经费开展理论研究和样机研制。其空间应用主要集中于放射性同位素发电和核裂变发电系统，前者主要为深空探测、空间站以及火星探测等飞行任务提供电力，后者主要用于星球表面大功率的发电系统。空间自由活塞特林发动机的研究至今已经50多年，主要经历了三个阶段：

1.1.1 第一阶段——空间核反应堆动力系统

“空间核动力系统（SP-100）项目”始于1983年，该项目分为空间动力演示发动机（space power demonstrator engine，SPDE）和组件测试动力转换器（component test power convertor，CTPC）两个阶段[4-7]。自由活塞斯特林发动机采用γ型结构，双台斯特林发动机对置布置，且共用一个膨胀腔，利用气体静压轴承和间隙密封技术实现气体弹簧的径向/轴向支撑，样机设计功率为25 kW。1984-1987年，由美国NASA和MTI公司联合开发的空间动力演示样机（SPDE）主要验证双台发动机对置的可行性，样机实物如图1所示[6]。热端采用熔盐加热（温度630 K），冷端为水冷（温度315 K），系统效率22%，质功比12.7 kg/kW。

图1 空间动力演示发动机Fig.1 Space power demonstrator engine

为进一步验证整机的高温运行情况，研制了组件测试动力转换器（CTPC），实物如图2所示[7]。此时热端温度由630 K提高至1 050 K，工作频率由105 Hz降至70 Hz，设计寿命60 000 h。该系统中热源采用电加热钠热管，冷却器采用油循环冷却。随后，MTI公司完成了斯特林发动机缩比模型的研制，以评估整机比功率和效率。SP-100项目终止于20世纪90年代初期，实际CTPC样机运行寿命小于1 500 h。

图2 组件测试动力转换器Fig.2 Component test power convertor

1.1.2 第二阶段——基于自由活塞斯特林发动机的放射性同位素发电装置

20世纪90年代中期，百瓦级斯特林发动机与放射性同位素热源组成的电源系统成为空间电源的主要研究方向[8-11]。美国Infinia公司先后开发了技术演示转换器（technology demonstration convertor，TDC）和先进同位素斯特林发电器（advanced Stirling radioisotope generator，ASRG）。其中，TDC采用γ型结构自由活塞斯特林发动机，两台55 W斯特林发动机对置布置，系统比功率为3.6 W/kg，整机设计寿命大于100 000 h，满足14年的长寿命需求，实物如图3所示[8]。经过前期的积累，对自由活塞斯特林发电系统关注点由先前的自由活塞斯特林发动机单机运行性能和可靠性的提升转向整机的系统集成研究。洛克希德马丁公司和Infinia公司联合研制了用于深空探测的SRG110斯特林发电机。发动机组热源为放射性同位素，采用动铁式线性电机，结构示意图如图4所示[9]。截止2006年，整机试验的累计运行时间已达111 000 h，已超设计寿命值。为满足未来深空探测任务需求，在NASA的SBIR项目资助下，Sunpower公司于2004年设计研发了型号为EE-35和EE-80的自由活塞斯特林发动机，装置采用双缸对置结构，两种斯特林发动机的性能参数如表 1所列[10-11]。

图3 对置式技术演示转换器Fig.3 Protype of TDC

图4 Infinia SRG110斯特林放射性同位素电源Fig.4 Infinia SRG110 Stirling radioisotope power

表1 EE-35和EE-80自由活塞斯特林发动机性能参数Tab.1 Performance parameters of free piston Stirling engines

基于EE-80斯特林发动机的研制基础，Sunpower公司于2006年开展“先进斯特林转换器”的研制，以开发高效、高比功率、高可靠和小质量的自由活塞斯特林发动机，该项目分三个阶段进行[12-14]：

（1）第一阶段：验证高频运行斯特林样机（frequency test bed，FTB）的可行性。测试结果显示：温度比3，运行频率105 Hz时，输出功率大于80 W，转换效率36%，比功率8 W/kg，样机实物如图5所示[11]。（2）第二阶段：验证热头材料MarM-247在1 123 K时的性能，即高温长寿命的运行可实现性。Sunpower公司采用耐温更高的热头材料，研制了4台ASC-I斯特林发电机，结果显示：当热头材料选用MarM-247、温度比约3时，输出功率88 W，整机效率可达38%，样机实物如图6所示[12]。（3）第三阶段：采用整体密封式结构实现高温运行整机的轻量化设计，进一步验证密封结构斯特林发电机性能。

图5 FTB测试样机Fig.5 FTB test machine

图6 4台ASC-1测试机实物Fig.6 ASC-1 protype of test machine

美国能源部DOE、NASA、LM等公司开展了先进同位素斯特林发电器ASRG的研制，采用β型自由活塞斯特林发动机，直线电机为动磁式结构，优化改进性能后效率35%，比功率达10 W/kg。随后通过不断改进热头材料，完成了型号为ASC-E、ASC-E2以及ASC-E3斯特林发动机的研制，开展了整机性能的可靠性和寿命测试，实物如图7[13]和图8[14]所示。上述三个阶段研制的自由活塞斯特林发动机性能参数如表2所列。

图7 ASC-E2结构示意图Fig.7 Schematic diagram of ASC-E2

图8 ASC-E3测试样机Fig.8 Testing machine of ASC-E3

1.1.3 第三阶段——基于自由活塞斯特林发动机的核裂变电源系统

2004年1 月，美国提出了重返月球计划。这一计划对空间电源系统提出了更高要求，功率需求从几kW到50 kW。针对月球和火星探测需求，NASA制定了4步研究计划[15]。2007-2008年之间，Sunpower公司研制了两台功率为1 kW的P2A斯特林发动机，采用气体燃烧热源，输出功率为1.1 kW，频率50 Hz，效率31%，并对不同运行参数下的整机性能进行了测试[16]。随后，马歇尔空间飞行中心MSFC对P2A进行了二次结构优化，去除了钠钾液态金属流体热源，采用电加热方式。此外，Auburn University和Foster Miller公司继承了CTPC的设计经验，研制了气体弹簧支撑的10 kW对置式斯特林发动机[17]，结构如图9所示。

表2 三个阶段研制的自由活塞斯特林发动机设计参数Tab.2 Design parameters of FPSE developed in three stages

图9 10 kW斯特林发动机结构示意图Fig.9 Schematic diagram of 10 kW free piston Stirling engine

在以上研究成果的基础上，NASA于2010年设计了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，对置的两台斯特林发动机输出功率分别为6 109 W和6 048 W，转换效率分别为26.5%和24.4%[18-19]，实验系统如图10所示。2011年，NASA将对置样机与钠钾液态流动循环、电控系统、多层面板散热器等进行系统集成，开展了综合性能测试[20]。

图10 12 kW自由活塞斯特林发动机实物[18]Fig.10 Protype of 12 kW free piston Stirling engine[18]

由上述国外自由活塞斯特林发动机研制情况得知，其发展过程体现为：

（1）斯特林发动机结构型式多样化：为减小配气活塞与气缸、动力活塞与气缸间的磨损以及提高整机运行可靠性，采用板弹簧支撑、气体静压轴承、β及γ型结构FPSE、间隙密封及双台对置共用膨胀腔等多种设计方案；

（2）输出功率及应用范围的不断扩大：由于单机输出功率有限，并考虑到振动因素，通过多台并联或串联方式，使得系统输出功率达到几十千瓦甚至百千瓦，可满足月球、火星、空间站等应用需求；

（3）由单机走向系统集成：研究重点由最初的单机性能测试、原理样机研制逐步过渡到工程样机，再到飞行验证阶段，最终发展到多台集成与控制等方向。

图11总结了国外自由活塞斯特林发动机研制发展过程。

图11 国外自由活塞斯特林发动机发展过程Fig.11 Development progress of free piston Stirling engine abroad

1.2 国内发展现状

目前，国内自由活塞斯特林发动机还处于起步研究阶段，相关基础理论和技术相对比较薄弱，研制水平落后于发达国家。从现有文献来看，兰州空间技术物理研究所正在开展空间斯特林发电机的研制，分别于2012年、2020年完成“T”型以及β型结构110 W、1 000 W自由活塞斯特林发动机原理样机研制，并开展了整机性能测试，尚未公布具体参数[21-22]。中电16所、中国科学院理化技术研究所研制了多款自由活塞斯特林发动机原理样机[23-26]，研制情况如表3所列。其他研究机构，如哈尔滨工业大学、上海理工大学、南京航空航天大学、华中科技大学等在自由活塞斯特林发动机研究方面也做了许多有益的工作[27-30]。

表3 中电16所和中国科学院理化技术研究所自由活塞斯特林发动机研制情况Tab.3 Development of free piston Stirling engine

2 关键技术

根据近几十年来自由活塞斯特林发动机的研究进展，国内外研制单位采用的关键技术总结如下：

2.1 自由活塞斯特林发动机性能的多目标优化技术

由斯特林发动机运行机理得知，影响其性能的参数众多，主要包括运行参数（充气压力、冷热端温度）、热力学（回热器、冷却器和加热器结构尺寸等）与动力学参数（板弹簧刚度、活塞阻尼、负载阻尼等）。如何在众多参数中优化关键参数使整机性能达到最佳，成为近几年国际研究热点。目前单目标参数设计方法已无法满足斯特林发动机的高效率需求，需采用多种方法或算法开展整机性能多目标参数的综合优化研究，为整机的运行和结构参数的设计提供理论依据。

2.2 自由活塞斯特林发动机热-动力学耦合技术

自由活塞斯特林发动机作为一种多自由度振动系统，运动部件间采用气动连接方式，影响系统热-动力学性能的因素有配气活塞和动力活塞质量、支撑活塞弹簧刚度、负载阻尼等，且因素之间相互影响。因此，针对自由活塞斯特林发动机热-动力学耦合技术的研究，重点在于如何将两者有效耦合。通过建立斯特林发电机热-动力学耦合模型，分析多参数对性能影响规律，为整机热-动力学参数设计提供指导。

2.3 长寿命间隙密封技术

间隙密封可有效保证斯特林发动机相对高速、高频运动部件的非接触运行，使运动部件间长期处于无磨损运行状态，是保证斯特林发动机能否长寿命、高可靠运行的关键。因此，需针对自由活塞斯特林发动机内部运动部件尺度大、整机运行频率高、活塞与气缸间间隙尺寸小等问题，并根据不同结构斯特林发动机，开展板弹簧的优化设计、整机全板弹簧支撑、活塞与气缸动态仿真模拟和板弹簧组装工艺等技术研究。

2.4 气体静压轴承技术

空间自由活塞斯特林发动机寿命和可靠性是制约其广泛应用的技术瓶颈，其主要影响因素源于部件运行时造成的摩擦和磨损。静压气体轴承作为新型的活塞高效支撑技术，有效消除了运行部件间的磨损。活塞往复运行时，活塞与气缸间形成压力气膜，从而减小了活塞与气缸间的接触摩擦，使整机满足长寿命、高可靠的要求。因此，需开展气体静压轴承的动/静态特性、静动态平衡工艺和承载特性实验等研究。

3 理论研究进展

自由活塞斯特林发动机内部工作机理涉及传热学、热力学、流体力学、振动力学和电磁学等多方面的问题，内部工质流动极为复杂。对于整机的设计与优化，需要准确的理论分析模型，而热力学分析方法是整机设计和后期多目标优化与动力学分析的理论基础。下面从热力学分析方法、多目标优化方法及动力学分析三个方面做简要介绍。

3.1 热力学分析方法

根据Martini命名法，斯特林循环的热力学分析方法包括零级、一级、二级、三级和四级。文献[31]中对各种方法进行了简要介绍，本文不做展开说明。Tavakolpour-Saleh等基于施密特分析模型，加入换热器的不完全换热模型，揭示了自由活塞斯特林发动机工质温度与整机性能的影响机理，并通过实验验证了模型的有效性[32]。基于Simple模型和有限速度模型，Hosseinzade等提出了精度更高的Simple II、多变有限速度热力学和组合绝热有限速度等模型，与实验结果的相对误差小于20%。基于节点分析模型，Gedeon编制了斯特林机商用软件GLIMPS和Sage。陈曦等[33]利用Sage软件建立了Re-1000自由活塞斯特林发动机热力学模型，并与实验结果进行对比，证明其准确性。张志国等[34]对一台设计功率为55 W的γ型自由活塞斯特林发动机进行了二维模拟，将结果与Sage计算结果对比，结果显示其具有较好的吻合度。

由上述斯特林发动机热力学分析方法研究进展得知，热力学分析主要集中于二级和三级分析法。其中，二级分析法相对简单快速，可对整机内部关键部件开展深入分析，精度相对较高；三级分析法中各部件采用模块化连接，适用于多参数影响的斯特林发动机热力学性能多目标优化分析；四级分析法可直观地观察发动机内部工质温度场、压力场等变化情况，但耗时长、计算量大，且涉及多场分布，目前未得到广泛应用。

3.2 多目标优化方法

影响斯特林发动机性能的因素很多，如何在众多参数中获得优化参数组合，使得输出功率、热效率或者其他性能达到较优，成为近年国际研究热点，这其中多目标优化研究尤其受到重视。目前，多目标优化方法已广泛应用于斯特林发动机输出性能的预测。Rao等[35]建立了TLBO优化算法，将斯特林发动机输出功率最大、压力损失最小和热效率最大作为性能优化目标，并将此种算法与其他算法（LINMAP、TOPSIS和模糊Bellman-Zadeh算法）进行对比。Dai等[36]以发动机的输出功率、热效率以及生态性能系数作为优化目标，采用多目标粒子群优化算法-MOPSOCD开展性能的多目标优化分析。Punnathanam等[37]采用了NSGA-II和遗传算法对斯特林发动机的输出功率、热效率和熵产率开展了优化分析，并进一步验证了采用该方法的有效性。Mou等[38]采用无量纲功率对自由活塞斯特林发动机的热源温度、相位角和频率等参数进行了优化。Ye等[39]建立了响应面和满意度函数的斯特林发动机多目标优化模型，构建了输出功率、转换效率和效率的定量预测关系。

由上述可知，对斯特林发动机性能进行单目标及多目标优化的方法较多，主要优化目标包括输出功率、热效率效率、压力损失、生态性能系数和熵产率等，采用的方法有响应面分析法、NSGA-II、LINMAP、TOPSIS、遗传算法、FYYPO、MOGWOs、TLBO、TS-TLBO等[40-41]。每种优化方法均具有独特的特点，应根据实际工况选择合适的优化方法或算法。

3.3 动力学研究进展

从上世纪60年代开始，国外研究学者开展了自由活塞斯特林发动机的动力学研究。基于Schmidt和节点分析降阶模型，Choudhary[42]建立了弱非线性动力学方程，利用中心流形简化方法求解微分方程，证实了系统中存在Hopf分岔的可能性。Sim等[43]建立了线性和非线性自由活塞斯特林发动机模型，开展了整机的动力学分析，得出了满足线性系统稳定运行的条件，获取了阻尼的非线性参数以及整机稳定运行时两活塞的极限环。Zare等[44]采用遗传算法建立了自由活塞发动机动力学分析模型，确定了两活塞弹簧刚度、配气活塞杆直径等参数，并对整机输出功率进行了参数影响分析。Nikolay等[45]采用绝热模型建立了活塞振动方程，考虑了气体弹簧、负载非线性因素，并利用特征函数法求解起振点。Majidniya等[46]采用等温模型建立了Re-1000斯特林发动机的线性和非线性热-动力学耦合模型，获得稳定运行状态下两活塞运动轨迹。Yang[47]建立了基于弹簧非线性的自由活塞斯特林发动机的动力学修正模型，揭示了活塞振幅、相位角以及运行频率随负载的变化规律。

上述研究人员在自由活塞斯特林发动机整机线性及非线性动力学建模、运行稳定性和性能测试等方面取得了一定进展，提出了分岔和极限环的概念，采用不同模型、不同方法求解动力活塞和配气活塞运动方程，得出活塞运行轨迹曲线，并对斯特林发动机关键参数——活塞振幅、运行频率和输出功率等进行预测。

4 结论

自由活塞斯特林发动机作为一种动态能源转换机械，具有可利用效率高、长寿命和高可靠等优点，在月球探测、空间站以及火星探测等领域具有良好的应用前景。国外经过50多年的研究，已从原理样机过渡到工程样机，并进行了飞行验证阶段，在转换效率、可靠性、寿命提升有系统集成方面做了大量的研究工作，目前已接近实际应用。我国对自由活塞斯特林发动机技术的研究起步较晚，尚处于理论研究及原理样机研制阶段。由于受到基础工业和工艺水平的限制，我国在自由活塞斯特林发动机方面的研制水平与国外相比差距较大，因此可以从以下几方面开展工作，为缩小我国与国外先进技术的差距提供可能性：

（1）开展深入的理论研究：自由活塞斯特林发动机涉及学科知识较多、系统复杂度高，需要有深入的理论基础研究。例如：热力循环分析、斯特林发动机内部各项损失分析、多目标优化分析、热-动力学耦合分析、多物理场耦合分析、热源与整机耦合模拟等。

（2）国内优势单位联合：从国内研制情况来看，在关键技术攻关方面各研制单位之间合作较少，制约了自由活塞斯特林发动机研制水平的提高。需根据目前现状，优势互补，确定各自的研究重点，着力加强关键技术攻关，实现成果共享。

（3）制定详细规划及路线：从我国空间计划发展角度看，急需制定详细的研究规划，结合现有斯特林发动机技术，通过建立单项及综合性能测试平台，进一步验证斯特林发动机关键技术。

（4）多学科交叉融合：自由活塞斯特林发动机的研制涉及电磁学、传热学、机械、材料等多个学科，需吸收密封技术、精密加工技术和涂层技术等方面的研究成果，实现多学科的融合交叉，与斯特林发动机的具体研制紧密结合。