太空實(shí)驗(yàn)室： “太空抽屜”里面有什么？

目前，中國(guó)空間站已全面建成，工程轉(zhuǎn)入應(yīng)用與發(fā)展階段。作為中國(guó)航天史上規(guī)模最大、長(zhǎng)期有人照料的空間實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，建成后的中國(guó)空間站成為國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室，三艙部署的多個(gè)實(shí)驗(yàn)柜可開(kāi)展上千項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，惠及地球上普通人的生活。

(資料圖)

中國(guó)載人航天官方平臺(tái)開(kāi)設(shè)“今日太空實(shí)驗(yàn)室”科普專欄，為你生動(dòng)介紹國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室中的各個(gè)實(shí)驗(yàn)柜，滿足你對(duì)太空中開(kāi)展的各項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)的好奇心。

01 航天基礎(chǔ)試驗(yàn)機(jī)柜

今天，我們一起聊聊航天基礎(chǔ)試驗(yàn)機(jī)柜。

空間站各艙段內(nèi)的四面都裝有實(shí)驗(yàn)柜，它位于夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙靠近節(jié)點(diǎn)艙的一端，航天員的“腳下”。

▲航天基礎(chǔ)試驗(yàn)機(jī)柜在中國(guó)空間站的大致位置

從外形來(lái)看，航天基礎(chǔ)試驗(yàn)機(jī)柜由多個(gè)大小不一的“太空抽屜”（載荷單元）組成，每個(gè)抽屜還配有把手，整體仿佛是一個(gè)多功能收納柜，很有辨識(shí)度。

▲航天基礎(chǔ)試驗(yàn)機(jī)柜（左） 普通收納柜（右）

航天基礎(chǔ)試驗(yàn)機(jī)柜身處微重力等特殊研究環(huán)境中，能夠用于支持開(kāi)展艙內(nèi)的各項(xiàng)技術(shù)試驗(yàn)，針對(duì)制約我國(guó)航天長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展一系列研究，為未來(lái)我國(guó)航天技術(shù)發(fā)展和空間應(yīng)用提供有力的技術(shù)支撐。

可以說(shuō)，航天基礎(chǔ)試驗(yàn)機(jī)柜就像是哆啦A夢(mèng)的口袋，每個(gè)“太空抽屜”里的試驗(yàn)項(xiàng)目都各不相同。

近日，其中一個(gè)“太空抽屜”里完成了一件大事，斯特林熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)完成在軌驗(yàn)證，再次解鎖一項(xiàng)“我國(guó)首次”。

▲斯特林熱電轉(zhuǎn)換試驗(yàn)裝置

02 斯特林熱電轉(zhuǎn)換試驗(yàn)裝置

是啥？什么原理？

斯特林熱電轉(zhuǎn)換試驗(yàn)裝置位于機(jī)柜的左下角，它是一種外燃式發(fā)電機(jī)，能將熱能轉(zhuǎn)化為電能，有合適的溫差就能工作。200多年前，由英國(guó)科學(xué)家羅巴特·斯特林發(fā)明了斯特林發(fā)電機(jī)。工作原理既古老又簡(jiǎn)單，可以從“熱脹冷縮”這個(gè)詞中理解。

▲斯特林熱電轉(zhuǎn)換試驗(yàn)裝置位置

通過(guò)外部加熱，機(jī)器內(nèi)部的氦氣便會(huì)吸熱膨脹，并在冷端收縮，將溫差變成自己動(dòng)力的源泉。

▲斯特林熱電轉(zhuǎn)換試驗(yàn)裝置示意圖

同時(shí)，它也不挑燃料。只要能發(fā)熱，無(wú)論是太陽(yáng)能、燃油、煤炭、木柴，還是核燃料棒，只要有合適的溫差就可以工作，非常讓人省心且具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

效率有多高？

斯特林熱電轉(zhuǎn)換裝置的溫度比（熱端溫度與冷端溫度之比）越高，熱電轉(zhuǎn)換效率就越高。

目前，在溫度比接近3的情況下，國(guó)內(nèi)外實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)換效率能夠達(dá)到28%以上。

▲斯特林熱電轉(zhuǎn)換試驗(yàn)裝置內(nèi)部

本次空間站在軌試驗(yàn)裝置溫度比為2.2，實(shí)現(xiàn)在軌熱電轉(zhuǎn)換效率24.7%，若溫度比達(dá)到3的情況下，也可實(shí)現(xiàn)近28%的轉(zhuǎn)換效率。

因此，從這個(gè)角度可以理解為轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了國(guó)際上的中上水平。

03 未來(lái)或成為人類探測(cè)深空一項(xiàng)必不可少的技術(shù)

為什么開(kāi)展這項(xiàng)試驗(yàn)？

現(xiàn)階段，中國(guó)空間站運(yùn)行在距離地面約400公里的軌道上，空間站主要使用太陽(yáng)能電池，利用光電效應(yīng)發(fā)電。但是隨著航天器到太陽(yáng)的距離越來(lái)越遠(yuǎn)，太陽(yáng)能電池組的效率明顯下降，甚至都不起作用。

▲中國(guó)空間站艙外全景相機(jī)拍攝畫面

未來(lái)，如果人類的腳步踏入月球背面、木星，甚至從行星到行星，太陽(yáng)的光照微乎其微，太陽(yáng)能發(fā)電就指望不上。該如何保證航天器電力需求？

此時(shí)，斯特林發(fā)電機(jī)就體現(xiàn)出自己的價(jià)值，只要給個(gè)合適熱源和溫差就可以發(fā)電。

熱源使用成熟的核燃料技術(shù)，壽命長(zhǎng)、發(fā)熱穩(wěn)定，兩者結(jié)合就是完美的電力系統(tǒng)，解決空間電源使用需求。同時(shí)，斯特林電源系統(tǒng)作為一種高效能源技術(shù)，具有高效率、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、啟動(dòng)快和振動(dòng)小、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。

因此，斯特林熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)在這些領(lǐng)域具有不可替代性。

對(duì)未來(lái)的展望

斯特林熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)作為一種高效能源技術(shù)，在空間有著廣泛的應(yīng)用需求，可用于深空探測(cè)、火星探測(cè)和更遠(yuǎn)的木星探測(cè)等任務(wù)，特別是不依賴太陽(yáng)能的任務(wù)。

▲月面著陸器與新一代載人飛船模型

想不到，一枚小小的“太空抽屜”，在方寸之間，裝進(jìn)了我們對(duì)大千世界的探索和追問(wèn)，對(duì)浩瀚宇宙的敬畏和思考。宇宙那么大，人類應(yīng)該去看看，中國(guó)人更應(yīng)該去看看。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，中國(guó)人的腳步一定能邁向更遠(yuǎn)的深空！

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