科研工匠为天宫“婴儿”定制“供暖外衣”

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“空间站中刚完成的斯特林热电转换试验非常成功，其中的加热器单元表现超出我们预期。”中国科学院上海硅酸盐研究所（简称上海硅酸盐所）副研究员、上海硅酸盐所空间材料与应用技术课题组副组长张明辉对《中国科学报》说，“这个结果让我们很激动，觉得前期付出的艰辛都值了。”

张明辉口中的“艰辛值得”是指中国空间站梦天舱航基柜空间斯特林热电转换装置近日按照方案顺利完成在轨测试和三次试验，其整机全程运行稳定，性能指标超出预期，热电转换效率（同等温比条件下）等综合技术指标达到国际先进水平。

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加热器单元。上海硅酸盐所供图

 试验“天上”发电

斯特林热电转换技术是空间新能源关键技术之一，它采用闭式循环往复活塞式斯特林发动机将热能转换为动能，并通过耦合线性交流发电机将动能再转换为电能。作为航天器电源系统新技术，斯特林热电转换系统具有结构简单、效率高、质量轻、启动快、振动小及噪声低等优点，可将热能高效转化为电能，减少对传统太阳能的依赖，在未来载人登月及深空探测等空间任务中，具有广阔的应用前景。

我国空间站斯特林热电转换试验装置由航天科技集团五院510所抓总，上海硅酸盐所空间材料与应用技术团队负责加热器单元研制。

“在斯特林热电转换装置中，加热器单元的效率是保证整机运行和性能指标的关键。”张明辉介绍说，“我们用斯特林热电转换系统做试验，看看能不能在‘天上’发电，并验证这套装置的可行性、测试其发电效率。”

“这是我国首次实现该技术的空间在轨验证。”空间站高温材料科学实验系统主任设计师、上海硅酸盐所空间材料与应用技术课题组组长刘学超说，“该加热器在空间站的顺利运行，将为我国空间高温加热技术提供新的技术选项，促进我国微重力材料科学研究的发展。”

目前，加热器单元利用电能产生热能，把气体加热膨胀，推动活塞运动做功发电。如果实验顺利，将来会利用太阳能、核能或其他能源实现太空发电。

 太空加热新挑战

“我们以前研制的加热器通常要把热量‘闷’在里面，而这个加热器要实现热量定向流动。”张明辉补充说，“斯特林热电转换装置在梦天舱航基柜中，因此要求体积非常小，重量非常轻，而且还要做得非常结实，能够承受火箭发射升空时的巨大冲击力。”

高效加热似乎不是什么尖端技术，但多项极端指标叠加起来，问题就变得复杂起来。

为达到研制任务的技术指标，研究团队摒弃了传统加热设计理念，在发热、导热、保温材料选择和结构设计上花了不少功夫，通过设计精巧的高密度缠绕加热丝，大幅提高了加热效率；同时，他们提出层叠式隔热结构，有效降低了热量在径向和底部的传导，优化了隔热效果，保证热量的定向流动，提高热量利用效率。

“以往的加热炉芯是非金属（绝缘体），现在为了满足强度、热量流动性和密封性要求，其中很多部件要采用金属材料，包括炉膛、保温结构等。如何保证加热丝和炉膛等部件在高温下绝缘，保证其正常加热、准确测温就成了一个新问题。”张明辉说。

为此，研制团队设计了独特的多层耐高温绝缘套管，对加热丝、热电偶进行绝缘保护，有效改善了装置的高温绝缘性能。

 “高定”婴儿外衣

梦天舱航基柜斯特林热电转换装置的加热器单元是为空间技术试验而“高端定制”，不但没有现成配件、组件，也没有成熟技术可以参照。

“很多指标要进行关键技术攻关，很多设计思想、技术路线能否达到任务指标须先论证设计，做出来后再进行检验，看哪些设计能保留，哪些地方要改进。这些工作自己去做才能把握其中的关键，保证它的效果，即使出现问题我们也清楚问题在哪儿，如何改进。”张明辉说。

研制期间，实验室成了大作坊，这群“科研工匠”放下论文就拿起剪刀、锤子。从设计、选材、加工、测试，到很多金属件的剪裁、倒角、挖孔、装配都亲力亲为。

研制进入关键期正值新冠病毒肆虐，外部沟通联系困难，要保障在任务节点之内交付产品只能自己动手解决问题，团队成员经常一大早进实验室，一口气干到深夜才出来。

由于加热器单元采用多层金属和石英纤维布结合的包裹结构，很多元件结构又非常精细，有很长一段时间，研究人员都在“剪不锈钢”。“那段时间我们小心翼翼，就像为婴儿剪裁衣服一样兴奋、紧张又必须全神贯注。”张明辉解释说，“手工将不锈钢剪出精细的结构很困难，而且要保证完整性，我们要用很大劲去剪，还要非常小心地包裹起来。”

研制关键期正值冬季，寒冷的天气，冰冷尖锐钢件经常划伤研究人员。那段时间，张明辉和同事手上的创口贴基本成了“标配”。