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12月21日，《中國(guó)船舶報(bào)》發(fā)了一個(gè)消息稱。消息稱，近日國(guó)內(nèi)首臺(tái)大缸徑斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)樣機(jī)在中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司旗下第711研究所順利完成性能試驗(yàn)。該基礎(chǔ)樣機(jī)額定功率達(dá)320千瓦，熱功轉(zhuǎn)換效率達(dá)40%，是目前國(guó)際上已知斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的最高水平。該基礎(chǔ)樣機(jī)的研制成功，標(biāo)志著我國(guó)在大缸徑斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)及制造工藝上獲得了重要突破，將為后續(xù)兆瓦級(jí)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的研制打下良好的基礎(chǔ)。

聽(tīng)起來(lái)很“高大上”。因?yàn)橄⒅姓f(shuō)，這是“目前國(guó)際上已知斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的最高水平”。那么這個(gè)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)究竟是一個(gè)什么東西？它的應(yīng)用場(chǎng)景是什么樣？大缸徑斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)所帶來(lái)的想象空間有多大？

先說(shuō)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是外燃機(jī)，和外燃機(jī)相對(duì)的就是內(nèi)燃機(jī)，像汽油機(jī)、柴油機(jī)這都是內(nèi)燃機(jī)。之所以叫它內(nèi)燃，是因?yàn)樗娜紵龉^(guò)程都是在氣缸內(nèi)完成的。而外燃，顧名思義就是燃燒在氣缸外完成。你像蒸汽機(jī)、蒸汽輪機(jī)，這都屬于外燃機(jī)。從應(yīng)用場(chǎng)景上來(lái)說(shuō)，外燃機(jī)比內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用的環(huán)境要求要更低。別的不說(shuō)吧，內(nèi)燃機(jī)首先它是要“挑食”的，必須是液體或者氣體燃料才能用；而外燃機(jī)就不同了，只要能燒起火來(lái)，在外面燒爐子就行了。

所以我們看到各種各樣的發(fā)電廠，不管是燃煤發(fā)電、燃油發(fā)電、燃?xì)獍l(fā)電、核發(fā)電，全都是用的外燃機(jī)。但是斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)雖然也是外燃機(jī)，它卻有一個(gè)很大的技術(shù)限制，那就是功率很難做大。所以以前我們看到斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景很少，大家最熟悉的可能就是AIP潛艇使用的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。

其實(shí)潛用的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)也是因?yàn)樗墓β视邢?，只能作為輔助動(dòng)力而無(wú)法作為主動(dòng)力。所以我們會(huì)看到采用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的AIP潛艇，它的動(dòng)力裝置有三種，一種是柴油機(jī)，用于提供水面或通氣管狀態(tài)的大功率的動(dòng)力源，說(shuō)白了用來(lái)發(fā)電的；一個(gè)是電池加電動(dòng)機(jī)，這是用于水下推進(jìn)的；再有就是我們說(shuō)的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)了。一艘潛艇搞三種動(dòng)力，顯然太麻煩，又占地又浪費(fèi)重量，但是沒(méi)辦法，誰(shuí)讓斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)做不大呢。

如果斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)做大了，會(huì)怎么樣呢？假如就像報(bào)道當(dāng)中所講到的，兆瓦級(jí)的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)出來(lái)了。所謂兆瓦就是千千瓦，達(dá)到這樣的功率可以產(chǎn)生什么效果呢？潛艇可以不要柴油機(jī)了，裝上4~6臺(tái)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)就行了。水面航行的時(shí)候，用空氣中的氧氣，水下航行的時(shí)候，用液氧，這樣一來(lái)，一艘潛艇上三種動(dòng)力裝置的狀態(tài)就可以簡(jiǎn)化為一種了。想想有多美吧。

如果再往深里想一想的話，外燃機(jī)只需要有熱源就可以了。至于熱源本身是什么樣的形式，對(duì)外燃機(jī)來(lái)說(shuō)都不重要。所以斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是可以和核供熱裝置相結(jié)合的。

以往我們看到的核動(dòng)力都是使用“燒開(kāi)水”的辦法，把熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，轉(zhuǎn)化為電能。“燒開(kāi)水”的這一套東西，現(xiàn)在大量使用的是蒸汽輪機(jī)。這個(gè)東西體積和重量是很難壓縮下來(lái)的，因?yàn)閮蓚€(gè)巨大的熱交換器都擺在那兒了，他們一個(gè)是鍋爐，一個(gè)是冷凝器。而燃?xì)廨喼鳈C(jī)雖然也不小，但是和這兩個(gè)交換器比起來(lái)，都是小兒科了。能不能把核動(dòng)力裝置做小呢？核反應(yīng)堆是可以做小的，以現(xiàn)在可以看到的技術(shù)，把核反應(yīng)堆做成麻將桌大小是沒(méi)問(wèn)題的。問(wèn)題是核反應(yīng)堆做小了，后面的蒸汽輪機(jī)做不小，整個(gè)動(dòng)力裝置還是小不了。但是大缸徑的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)就提供了這種可能。既然蒸汽輪機(jī)做不小，我不用蒸汽輪機(jī)了，我用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。那一下子就可以它做小了，那么核動(dòng)力裝置整體就變小了。這實(shí)際上就是很多軍迷心心念念的“小堆”核潛艇。

講到這兒，應(yīng)用前場(chǎng)景翻來(lái)覆去地講的都是潛艇。能不能換一個(gè)其他的應(yīng)用場(chǎng)景呢？當(dāng)然能，更高大上的就是在航天領(lǐng)域。航天器在太空中運(yùn)行，什么東西最要命呢？能源、電力最要命?，F(xiàn)在絕大多數(shù)用的都是太陽(yáng)能電池帆板，靠著那點(diǎn)太陽(yáng)光和面積有限的太陽(yáng)能帆板產(chǎn)生的電能能有多大？就這一點(diǎn)能量你能干多少事？核能就不一樣了。

但是要把核能轉(zhuǎn)化為電能，用地面上使用的“燒開(kāi)水”的那一套辦法顯然不行，因?yàn)楹教彀l(fā)射對(duì)重量、體積太敏感了。但換成斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)就有了這種可能性了。想想看吧。一艘飛船上有一個(gè)微型核反應(yīng)堆，配上斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，再加上發(fā)電機(jī)，這一套動(dòng)力源達(dá)到兆瓦的級(jí)別，那就能干不少事了。再配上等離子體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，想想都不要太美。如果換個(gè)角度往接地氣的方面來(lái)講。目前我們用的汽車絕大多數(shù)都是內(nèi)燃機(jī)，將來(lái)?yè)Q成斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，不爽嗎？當(dāng)然爽了，什么酒精，甲醇、天然氣、氫隨便燒。如果不是為了實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”，你直接燒煤都可以。

講到這兒有人可能會(huì)問(wèn)，你為什么開(kāi)始就講了那么多的潛艇的應(yīng)用場(chǎng)景呢？你注意看一看，這個(gè)東西的研發(fā)方711所，還有一個(gè)通俗的名字，叫上海船用柴油機(jī)研究所。

關(guān)于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的原理，如果說(shuō)用文字來(lái)表述確實(shí)很難。我在文章當(dāng)中配了一個(gè)圖，可能還是看不太清楚。其實(shí)我在頭條上看到有一位公號(hào)叫做“水牛愛(ài)科技”的朋友在4個(gè)月前發(fā)了一個(gè)東西。東西的名字叫“用針筒現(xiàn)場(chǎng)還原斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，點(diǎn)火就能動(dòng)，太直觀了，真是天才”。

里面有一段小視頻，就是他用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)原理做的這一套小裝置，也就是說(shuō)，他說(shuō)的那個(gè)點(diǎn)火就能動(dòng)的東西做得太巧妙了，簡(jiǎn)單直觀，一看就能懂。尤其很絕的，他把那一套復(fù)雜的曲柄連桿加飛輪的結(jié)構(gòu)，用一個(gè)簡(jiǎn)單的小鋼珠就給替代了。真是“高手在民間”，推薦給大家看一看，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的原理也就懂了。

至于為什么我說(shuō)如果斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)做到兆瓦級(jí)別就可以完全取代常規(guī)潛艇上的柴油機(jī)，甚至連蓄電池組都可以不要，或者只要一點(diǎn)點(diǎn)就夠了呢？給大家算筆賬吧。一兆瓦就是1000千瓦，我說(shuō)用4~6臺(tái)這樣的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，那就是4000千瓦到6000千瓦的總功率。這個(gè)功率能夠做到什么水平呢？可以把一艘1500~2000噸的常規(guī)潛艇推到差不多20節(jié)的速度。這樣一來(lái)，柴油機(jī)就完全可以省掉了。與此同時(shí)，常規(guī)潛艇的電池組也可以不要了，因?yàn)閱螒{斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)就足以跑到20節(jié)了。

而斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在通氣管狀態(tài)，可以用空氣中的氧氣來(lái)燃燒。水下的話，只要用液氧就好了。省出來(lái)幾百噸電池的排水量，用來(lái)裝液氧綽綽有余。而燃料呢？就用之前柴油機(jī)使用的柴油可以了。這樣一來(lái)，整個(gè)動(dòng)力裝置大幅度簡(jiǎn)化。而且水下最大航速，跑到18~20節(jié)是沒(méi)有問(wèn)題的。這個(gè)18~20節(jié)和現(xiàn)在常規(guī)潛艇的18~20節(jié)完全是兩碼事。因?yàn)楝F(xiàn)有的潛艇20節(jié)是靠電池跑出來(lái)的，跑這個(gè)速度撐死了一個(gè)半小時(shí)到頭了。而現(xiàn)有的AIP潛艇說(shuō)是可以水下跑上一個(gè)禮拜，但是那個(gè)速度基本上是龜速。而現(xiàn)在這樣的大功率斯特林的話，這個(gè)水下最大航速可以長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)的。想想這有多美。

有人會(huì)問(wèn)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)噪音，是不是要比水下用電池加電動(dòng)機(jī)的大呢？可能會(huì)大一點(diǎn)，但是絕不會(huì)大很多。因?yàn)樗固亓职l(fā)動(dòng)機(jī)它的原理和內(nèi)燃機(jī)是不一樣的。內(nèi)燃機(jī)的燃燒是有一個(gè)爆轟的過(guò)程，但我們看到斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的原理就可以看到，它的這個(gè)燃燒和做攻的過(guò)程要“溫柔”得多。所以工藝上控制得好的話，噪音可以做到相當(dāng)相當(dāng)?shù)牡?。而且其他的減震措施可以用上去，像減震浮閥等等。因?yàn)槿サ袅瞬裼蜋C(jī)，去掉了電池組，你省出來(lái)的重量是大把的。

當(dāng)然了講了這么多美好，前提是要真地拿出兆瓦級(jí)的可靠的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。現(xiàn)在的300多千瓦還只能做到AIP潛艇的水平，只不過(guò)是一個(gè)大號(hào)的能力更強(qiáng)的AIP潛艇。當(dāng)然再進(jìn)一步說(shuō)，如果把熱源我不是用燒柴油，而是改成一個(gè)緊湊的小型核反應(yīng)堆的話，那就是一個(gè)小堆核潛艇了。