我国四代堆用大功率斯特林发动机获重大突破！会用在核潜艇上吗？

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七一一所顺利完成性能实验。基础样机额定功率达320KW，热功转换效率达40%，是目前国际上已知单机功率最大的斯特林发动机。

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，为后续兆瓦级斯特林发动机的研制打下良好基础。

斯特林发动机作为一种闭式循环往复式动力机械，其理论效率与卡诺循环效率相等，为所有热力循环所能达到的最高效率。同时，作为一种外部供热的闭式循环动力机械，斯特林发动机可与常规能源、核能等任意热源相结合，结构形式灵活多变，在兆瓦功率等级范围内具有结构紧凑、系统简单、启动迅速、可模块化布置等显著优势。特别是与钠冷快堆等金属堆相结合，可从根本上杜绝传统钠冷快堆发电系统中钠水反应的风险，具有本质上的高安全性。

此外，通过单台或多台斯特林发电机组的组合，可满足百千瓦至几兆瓦等级的供电需求，特别适用于可移动式微堆发电场景，在极地、海岛、戈壁等特殊环境条件下具有较好的应用前景。

征途漫漫，这是新的起点，是七一一所科研团队、几代人经过四十余年艰苦卓绝的创新与攻关取得的成果。

1975年，老一辈科研人员在七一一所创立了斯特林发动机试验室。它效率更高，能源适用性更广，拥有该技术对国家意义重大。当时世界上只有几个国家正在研制该类发动机，对外严密封锁技术。

没有资料、没有图纸、没有实物，没有试验室，更没有可借鉴的经验。历经十年，老一辈科研人员没有放弃，终于研制出一台小型太阳能斯特林样机，迈出了坚实的第一步。

又十年，七一一所科研团队靠着微薄的科研经费，实现了技术突破，研制出我国第一台功率达10马力的发动机，而达到同样的技术水平，发达国家用了几十年，耗资巨大。

再十年，七一一所科研团队在不断的自我否定与自主创新中，解决了密封、燃烧、热交换等十多项关键技术，打通了所有技术瓶颈，打破了国外技术封锁，成功研制出工程样机，并实现了产品试用。

从无到有、从小到大、从大到精、从精细到实用、从实用到产业化发展，七一一所科研团队始终在奋斗，继续潜心钻研“中国动力” 。

斯特林发动机简介

斯特林发动机是英国物理学家罗巴特斯特林（Robert Stirling）于1816年发明的，所以命名为“斯特林发动机”（Stirling engine）。斯特林发动机是通过气缸内工作介质（氢气或氦气）经过冷却、压缩、吸热、膨胀为一个周期的循环来输出动力，因此又被称为热气机。

1938年，随着荷兰飞利浦公司重新研制斯特林发动机，现代意义上的斯特林发动机出现了；随着技术的进步，人们采用了传热好、粘度小的氢气或氦气作为工质，研制成功了各种类型的斯特林发动机，将他们用于卫星、汽车、轮船、潜艇、甚至人造心脏上。

斯特林发动机是一种封闭循环回热式发动机，它由燃料在外部燃烧加热工质，工质吸热后膨胀推动活塞做功，工质被活塞压缩时冷却，如此循环。为保证发动机的连续工作，因此一般还需要一个配气活塞和回热器。根据这些零件的配置和结构，一般可分为α、β和γ型。斯特林发动机是一种外燃发动机，其有效效率一般介于汽油机与柴油机之间。

斯特林发动机的工作原理

图1是该原理模型的结构，模型有一个热气缸与一个冷气缸（气缸为剖面表示），热气缸上有吸热片帮助吸热，冷气缸上有散热片帮助散热，两个气缸通过回热器连通；在气缸内充有气体作为工质，工质不会向外泄漏。热活塞可在热气缸中往复移动，冷活塞可在冷气缸中往复移动，热气缸外有加热源对气缸内气体进行加热，冷气缸外有冷却源吸收气缸内气体的热量。

斯特林发动机AIP系统简称SE/AIP，主要是由斯特林发动机、发电机、液氧系统、供油系统、冷却系统、工质系统和控制系统等组成。SE/AIP系统的工作过程是：在燃烧室内，氧气和燃油持续燃烧，燃烧的火焰将加热器加热，由加热器把热能不断地传递给流经其内部的工作介质，介质吸收热量膨胀做功，推动活塞运动，再通过曲柄、连杆机构变往复运动为旋转运动，使曲轴旋转并输出功率。瑞典是最早将斯特林发动机技术应用到常规潜艇上的国家，1996年服役的A-19级潜艇的第一艘“哥特兰”号，是世界上第一艘实用型AIP潜艇。“哥特兰”号潜艇搭载了两台MTU柴油发电机，一组主推进电机和两组蓄电池组成的主动力系统；辅助动力系统是两台MK2（V4-275R）斯特林发动机，额定功率65kw，最大功率75kw。两者共同构成了独特的闭式循环混合动力系统。

不依赖空气推进系统（AIP）的英文全称是“AirIndependentPropulsion”，是指潜艇在水下不依赖外界的空气也能提供推进动力和其他动力的能源系统。AIP系统主要利用自身携带的氧气，为热机或电化学发电装置提供燃烧条件，完成能量转换，提供水下航行所需的推进动力。AIP技术的应用，能够使常规潜艇的潜航时间由几天增加到几周，提高了它的隐蔽能力和水下续航能力。目前世界上比较成熟而且进入应用阶段的AIP技术主要分为三大类，分别是热机系统、电化学系统和小堆系统（核动力AIP系统）。其中热机系统包括斯特林发动机、闭式循环柴油机、闭式循环涡轮机等形式，电化学系统主要是以燃料电池为主要形式，小堆系统是基于低功率核动力装置的动力系统。中国海军的039A/B型AIP潜艇，采用的是斯特林发动机系统。

为延长潜艇水下不问断航行时问、提高隐蔽性，世界主要潜艇建造国家纷纷研发和使用了潜艇水下航行时不依赖外界空气供给的动力装置，简称“AIP（Air Independent Propulsion Power Plant）装置”。采用AIP装置的非核动力潜艇也称“AIP潜艇“。

目前，世界各国第四代非核动力潜艇基本都安装有AIP装置作为辅助动力装置，一些先进的潜艇建造国家已经开始研发第五代非核动力潜艇。第五代非核动力潜艇的最大特点，是水面和水下航行状态下都采用单一的全工况发动机，AIP装置已经作为潜艇主动力装置，且是唯一的动力装置。

在过去20年，为适应全球能源低碳化的大趋势，核能发达国家都在努力扩大核能应用范围，多用途的小型堆开发已成为全球核能发展的热点。

这些堆中，近一半是水堆，由技术成熟的大型压水堆发展而来，具有明确的近期使用目标。研发国家主要包括中国、俄罗斯、美国、日本等。其中，在海上用的小堆有五六种，包括俄罗斯的海上浮动核电站KIT-40S，现在已经投运。其余部分本质上属先进核能系统（四代堆），包括各类高温气冷堆、快堆、熔盐堆以及微堆。这些堆除少数几个进入详细设计外，大部分处于概念设计或初步设计阶段，到工程建设还有较长时间。这几年发展比较好的是高温气冷堆、铅冷或是钠冷快堆。另外就是熔盐堆。