我国造出世界最高效斯特林基础样机！或引发AIP潜艇技术革命

12月21日，《中国船舶报》发布一则新闻称，近日，国内首台大缸径斯特林发动机基础样机在中国船舶集团有限公司旗下第七一一研究所顺利完成性能实验。该基础样机额定功率达320千瓦，热功转换效率达40%，是目前国际上已知斯特林发动机的最高水平。该基础样机的研制成功，标志着我国在大缸径斯特林发动机关键技术及制造工艺上获得了重要突破，将为后续兆瓦级斯特林发动机的研制打下良好基础。

320千瓦国产斯特林机样机

文中提到，该发动机适用可移动式微堆发电场景，将为兆瓦级机型研制奠定基础！

看完是不是一头雾水？什么意思呢？

用一句话概况就是，这台斯特林机将引发AIP潜艇革命！

今天本文就来解读下这则新闻想告诉我们什么？

1、功率320千瓦意味着我国的斯特林发动机单体功率达到世界之最，今后可通过增加单体个数将功率提升至兆瓦级，潜艇将变成安静的虎鲸！

军用核潜艇分为核潜艇和常规潜艇，其中核潜艇航程近乎无限，在各种新技术加持下，噪音水平也很低，然而其缺点也非常致命，首先是造价昂贵，采购成本几乎是常规潜艇的10倍！可以说是一种价格和性能一样高的装备，即便是大国也嫌贵。因此，除了美国之外的主要军事强国都很重视造价便宜得多的常规潜艇。其次是退役后动力系统核污染难以解决。

然而，常规潜艇却存在航速有限、航程有限、水下潜航时间短等毛病。通常情况下，核潜艇可以一直保持20节以上的速度持续航行，然而，常规潜艇最大航速仅17～22节左右，只能以十几节的速度航行几个小时，然后就必须启动燃机低速运转发电，以防止噪音过大暴露目标，此时其航行速度只能降低到几节。这个致命缺陷在战时非常容易导致贻误战机！ 因为通常水面舰艇能够以20节以上的航速持续航行，常规潜艇想要追上那是不可能的，只能用于水下伏击，显得很被动。

我国039C型AIP常规潜艇最大航速不超过22节

那么有没有办法改善这个缺陷呢？

在以前采用柴油机作为燃机带动发电机时根本没办法做到，然而随着斯特林机的发展普及，这个问题正在得到解决。

很多人都知道AIP潜艇是不依赖空气的常规潜艇的意思，但却不知道它的工作原理。 实际上也很简单，绝大多数常规潜艇都采用电机驱动螺旋桨推动潜艇前进，这就需要蓄电池为其供电，然而蓄电池能量密度太低，无法储蓄太多电能为电机长时间供电，这就需要增加一台燃机驱动发电机为潜艇上的蓄电池充电，还要为燃机携带燃料和液氧。在以前，通常采用柴油机作为燃机。然而柴油机工作原理是压燃柴油产生爆炸性动力推动气缸产生动力，这个过程会产生较大噪音。这就导致以前的常规潜艇不敢让柴油机高速运转，否则噪声太大就容易暴露目标。

斯特林发动机的出现则完美消除了这个问题！

柴油机属于内燃机，以来爆炸性动力，而斯特林机则属于外燃机，动力更加温和，运转国产几乎没有噪音。因此，各主要强国纷纷开始以斯特林机取代柴油机为常规潜艇发电机提供动力。 另一个技术路线是采用高能电池为潜艇提供能量，却存在安全性差的毛病。

采用斯特林机作为燃机的AIP常规潜艇动力系统示意图

然而，在以前斯特林发动机功率很难做大，此前瑞典造出的功率最大的斯特林机是MK3发动机75千瓦，日本苍龙级常规潜艇只安装了4台，总功率仅300千瓦。如今我国仅一个斯特林单体功率就达到320千瓦，比一艘苍龙级常规潜艇的斯特林机总功率还要大！更关键的是以这个样机为基础不断增加工作单体，其功率甚至可以拓展到兆瓦级，这个功率堪比核潜艇输出功率！这个成就堪称划时代！

2、热效率达到40%意味着热效率达到世界之最，效率甚至超越一般柴油动力，同等燃料续航更远！

研究表明，理论上斯特林机的热效率可达42%，然而，因材料技术、缸内工作气体、缸体材料等方面均无法达到理论值，普通斯特林机热效率一般只能达到15%～30%。

斯特林机工作原理动态示意图

普通的柴油机一般热效率很难超过35%，近年来运用大量新技术以后，我国才造出世界第一款热效率突破50%的柴油机，然而这种柴油机太复杂，通常也难以用在对可靠性要求很高的常规潜艇上。因此，常规潜艇上的柴油机热效率一般不超过35%。虽然这个效率不高，但已经超过之前的斯特林机。

然而，随着我国这台热效率高达40%的斯特林样机的诞生，柴油机仅有的热效率优势也被彻底抹去！

3、适用于可移动式微堆发电场景意味着今后常规潜艇可搭配微型核反应堆实现近乎无线续航！

斯特林机相比柴油机、汽油机有两个先天优势，一是工作过程中噪音极低，二是不挑热源，太阳能、各种固体、液体、气体燃料都能适应，甚至用普通水蒸气作为热源也毫无问题。第一个优势极为适合用在军用潜艇上，第二个优势使它很适合与微型核反应堆结合成为新式系统，简直就是如虎添翼！

尺寸仍然很大的航母核反应堆

核潜艇之所以昂贵，主要是因为其采用的核反应堆造价高昂，为了提升核反应堆的发电效率，其产生的蒸汽必须尽可能提升温度和压力，例如某核反应堆的蒸汽回路压力高达7兆帕（70个大气压），蒸汽温度高达360℃。

这就导致核反应堆必须使用大量高压蒸汽管线还必须做好核辐射屏蔽措施，这两个设计使得核反应堆制造难度大大提升，制造成本高得吓人。再加上核燃料本身也十分昂贵，这就导致核潜艇的核动力系统十分昂贵。

那么有没有便宜又好用的核反应堆呢？

当然也有，只要将核反应堆产生的蒸汽温度降下来，就可以大大降低核反应堆管线的材料要求和制造难度，从而大大降低制造成本。然而，过低的蒸汽温度将会导致核反应堆的发电效率大大降低。因为核反应堆通常都是采用蒸汽轮机驱动发电机发电的。

苏联设计的一款车载微型核电站模型

蒸汽轮机运行原理是，高温高压蒸汽冲击蒸汽轮机叶片，推动蒸汽轮机高速旋转，带动发电机发电。这个过程中，蒸汽流压力和温度越高，蒸汽轮机的运转效率越高，整个发电系统的发电效率就越高。这就是为啥各国都在努力提升核电站蒸汽回路的温度和压力。

如果有一种燃机能够以较低温度的蒸汽产生动力，那么上面提到的这种低成本核反应堆就有用武之地了！这种燃机就是斯特林机！

然而，普通的斯特林机还不行，功率太低，热效率太低，无法高效利用上面提到的这种核反应堆产生的能量。

如今我国这台320千瓦斯特林机的诞生则直接为微型核反应堆与斯特林机强强联合扫清了技术障碍！

通过增加工作单体数量，我国就能造出兆瓦级斯特林机，增加一个不超过10兆瓦的微型核反应堆就能持续不断为这种兆瓦级斯特林机提供充沛能力，带动发电机发出兆瓦级电能，驱动兆瓦级电机使得AIP潜艇持续不断获得兆瓦级推进功率！

一种AIP潜艇结构示意图

这种全新的AIP潜艇不仅兼顾了常规潜艇低成本的优势，还兼顾了核潜艇无线续航，高航速的优势，简直就是一种适合大批量生产的新式低配核潜艇！预计这种潜艇可以20节的速度持续航行，航程还近乎无限！必要时还能以30节以上的超高速航行几个小时，无论是日常巡逻、伏击还是战时紧急追击敌方水面舰艇，这种潜艇都能完美胜任！综合性能相比现有的AIP常规潜艇来说简直就是降维打击！

一旦造出这种介于核潜艇和常规潜艇之间的新型AIP潜艇，同样的预算，我国能多比美国多造至少3倍数量的新型AIP潜艇。通过上述分析发现，这种潜艇综合性能相比核潜艇在噪音、航程方面丝毫不逊色，仅在最大航速持续航行时间上有所不如。综合战力预计可达同吨位核潜艇的60%以上，消费比远超核潜艇和常规潜艇，简直就是前所未有的水下战斗神器！

结论：通过上述分析，我们发现，这套320千瓦的斯特林样机一点也不简单，其单体功率、热效率、功率拓展能力、应用前景都堪称世界之最。今后一旦以此为基础造出兆瓦级斯特林机，结合功率不超过10兆瓦的微型核反应堆，就能造出介于核潜艇和常规AIP潜艇之间的新式核潜艇！这种潜艇兼顾噪声低、近乎无限航程、安全可靠、航速快的优点，航程、航速、安全性均远超采用锂电池作为能量源的AIP潜艇！这无疑将引发AIP潜艇革命！

百千瓦级！国际首套，研制成功

来源：科技日报

◎ 科技日 报记者 陆成宽

记者2日从中国科学院理化技术研究所获悉，该所成功研制国际首套百千瓦级自由活塞热声斯特林发电样机。 专家组现场测试结果显示，在热源温度为530摄氏度时，发电样机实测最大发电功率达102千瓦。

发电机实物照片。图片来源：中国科学院理化技术研究所

自由活塞热声斯特林发电技术是一种新型热发电技术。 基于该技术研制的发电机，主要由自由活塞热声发动机和直线电机两部分组成。发动机主要组成部件为加热器、热声换能器（传统称回热器）、冷却器等，直线电机主要组成部分为动力活塞、永磁体、线圈等。

研究团队创建了先进的热声分析和设计理论，阐明了热声转换、声场调节、声电匹配等机理问题，突破了高功率交变换热、高精度气体间隙密封、气浮支撑多项关键技术。

中国科学院理化所研究员胡剑英表示，自由活塞热声斯特林发电机功率的突破极大地拓展了其应用领域，使之成为太阳能热发电、生物质发电以及分布式能源领域具有广泛应用前景的新一代能源动力转换技术。

来源：科技日报

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