加熱器單元。上海硅酸鹽所供圖

近日，中國空間站夢天艙航基柜空間斯特林熱電轉換裝置按照方案順利完成在軌測試和3次試驗。其整機全程運行穩定，性能指標超出預期，熱電轉換效率（同等溫比條件下）等綜合技術指標達到國際先進水平。

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“空間站中剛完成的斯特林熱電轉換試驗非常成功，其中的加熱器單元表現超出預期。”中國科學院上海硅酸鹽研究所（以下簡稱上海硅酸鹽所）副研究員、上海硅酸鹽所空間材料與應用技術課題組副組長張明輝對《中國科學報》說，“這個結果讓我們很激動，覺得前期的艱辛付出都值了。”

試驗“天上”發電

斯特林熱電轉換技術是空間新能源關鍵技術之一，它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，再通過耦合線性交流發電機將動能轉換為電能。作為航天器電源系統新技術，斯特林熱電轉換裝置具有結構簡單、效率高、質量輕、啟動快、震動小及噪聲低等優點，可將熱能高效轉換為電能，減少對傳統太陽能的依賴，在未來載人登月及深空探測等空間任務中，具有廣闊的應用前景。

我國空間站斯特林熱電轉換試驗裝置由航天科技集團五院510所抓總，上海硅酸鹽所空間材料與應用技術團隊負責加熱器單元研制。

“在斯特林熱電轉換裝置中，加熱器單元的效率是保證整機運行和性能指標的關鍵。”張明輝介紹說，“我們用斯特林熱電轉換裝置做試驗，看看能不能在‘天上’發電，并驗證這套裝置的可行性，測試其發電效率。”

“這是我國首次實現該技術的空間在軌驗證。”空間站高溫材料科學實驗系統主任設計師、上海硅酸鹽所空間材料與應用技術課題組組長劉學超說，“該加熱器在空間站的順利運行，將為我國空間高溫加熱技術提供新的技術選項，促進我國微重力材料科學研究的發展。”

目前，加熱器單元利用電能產生熱能，把氣體加熱膨脹，推動活塞運動做功發電。如果試驗順利，將來可以利用太陽能、核能或其他能源實現太空發電。

太空加熱新挑戰

“我們以前研制的加熱器通常要把熱量‘悶’在里面，而這個加熱器要實現熱量定向流動。”張明輝說，“斯特林熱電轉換裝置在夢天艙航基柜中，因此要求體積非常小、重量非常輕，還要做得非常結實，能夠承受火箭發射升空時的巨大沖擊力。”

高效加熱似乎不是什么尖端技術，但多項極端指標疊加起來，就變得復雜了。

為達到研制任務的技術指標，研究團隊摒棄了傳統加熱設計理念，在發熱、導熱、保溫材料選擇和結構設計上花了不少工夫，通過設計精巧的高密度纏繞加熱絲，大幅提高了加熱效率。同時，他們提出層疊式隔熱結構，有效降低了熱量在徑向和底部的傳導，優化了隔熱效果，保證了熱量的定向流動，提高了熱量利用效率。

“以往的加熱爐芯是非金屬（絕緣體），現在為了滿足強度、熱量流動性和密封性要求，其中很多部件要采用金屬材料，包括爐膛、保溫結構等。如何保證加熱絲和爐膛等部件在高溫下絕緣，保證其正常加熱、準確測溫就成了一個新問題。”張明輝說。

為此，研制團隊設計了獨特的多層耐高溫絕緣套管，對加熱絲、熱電偶進行絕緣保護，有效改善了裝置的高溫絕緣性能。

“高端定制”的“外衣”

夢天艙航基柜斯特林熱電轉換裝置的加熱器單元是為空間技術試驗“高端定制”的，不但沒有現成配件、組件，也沒有成熟技術可以參照。

“很多指標要進行關鍵技術攻關，很多設計理念、技術路線須先論證設計，做出來后再進行檢驗，看哪些設計能保留、哪些地方要改進。這些工作自己去做了才能把握其中的關鍵、保證它的效果。”張明輝說。

研制期間，實驗室成了大作坊，這群“科研工匠”放下論文就拿起剪刀、錘子，從設計、選材、加工、測試，到很多金屬件的剪裁、倒角、挖孔、裝配都親力親為。

由于加熱器單元采用多層金屬和石英纖維布結合的包裹結構，很多元件結構非常精細，有很長一段時間，研究人員都在“剪不銹鋼”。

“那段時間我們小心翼翼，就像為嬰兒裁剪衣服一樣興奮、緊張又全神貫注。”張明輝解釋說，“用手工將不銹鋼剪出精細的結構很困難，而且要保證完整性，我們要用很大勁去剪，還要非常小心地包裹起來。”

研制關鍵期正值冬季，冰冷尖銳的鋼件經常劃傷研究人員。那段時間，張明輝和同事手上的創可貼成了“標配”。

“斯特林熱電轉換裝置的加熱器與其他載荷的空間加熱技術差別較大，功能要求也完全不同，基本上得重新做。同時，團隊還負責牽頭研制夢天艙的高溫材料科學實驗系統，一撥人馬雙線作戰。”劉學超說，“我們團隊發揚載人航天精神，從任務啟動到產品交付，在不到一年時間里完成了關鍵技術攻關、驗證產品研制、正樣產品交付等工作，趕制出5套加熱器單元（2套上天、2套做地面對比、1套進行驗證），有力保障了空間斯特林熱電轉換裝置任務的開展。”

來源：中國科學報

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