·计算材料学·
空间斯特林发电机热头结构设计及分析
霍英杰张安张学林
（兰州空间技术物理研究所，真空低温技术与物理重点实验室，兰州
730000）
文摘空间斯特林发电机热头在工作中要承受严酷的高温高压的工况，为了保证其长寿命和高效换热等要求，需要对斯特林发电机热头的材料、结构等方面进行分析和优化设计。本文初步介绍了空间斯特林发电机热头结构设计的要求和准则，分析了热头结构设计的难点和关键点及解决途径。采用有限元分析方法，开展了斯特林发电样机热头的温度和压力综合应力分析和热头结构的优化设计。加工完成的热头结构的工作性能满足斯特林发电机样机的要求，初步验证了设计方法和途径的正确性。
关键词空间，斯特林发电机，热头，结构，设计，分析
中图分类号：TK172
DOI:10.3969/j.issn.10072330.2015.01.002
Structure Design and Analysis for Heater Head of Space-Borne Stirling Convertor
HUOYingjie
ZHANGAn
ZHANG Xuelin
(Science and Technology on Vacum Technology and Physics Laboratory, Lanzhou Institute of Physics, Lanzhou730000)
AbstractThe running conditions of the space-borne Stirling convertor is rigorous,such as high temperature and pressure from inner working fluid. To ensure long longevity and high efficiency heat transfer of the heater head, the materials,structure and so on are need to be analyzed and optimized. In this paper, the structure design principle,a-nalysis,demands for the heater head of space-borne Stirling convertor are introduced. The difficulty of the heater head structure is also analyzed in this paper. The heater head optimistic design combined with stress analysis produced by both temperature and pressure were carried out with the aid of commercial finite element method,the finial heater head structure design was completed and fabricated,the hardware was integrated on the Stirling engine,the heater head per-formance is satisfied with the experiment demands
Key wordsSpace-borne,Stirling convertor,Heater head,Structure,Design, Analysis
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引言
空间放射性同位素电源系统具有功率大、寿命长、不受光照影响的特点，是深空探测、登月等空间任务的必然选择，电源系统一般通过静态或动态热电转换装置将放射性同位素热能转换为电能。其中放射性同位素温差发电器RTG的设计与制造已日臻完善，并在空间得到大量的应用，但这种热电转换系统在温度比为1.5~2.0时，热电转换效率<8%，能量密度低，而且不适合于大功率电源的需求。
利用斯特林循环将热能转换为电能的核热驱动
斯特林发电的电源系统SRG由于效率高、结构简单、质量轻、启动快和振动小、噪声低等优点，从20世纪 80年代起得到NASA持续关注和支持，其结构如图1 所示。相对于RTG、Multi-MissionRTG等技术具有高效（30%）、高比功率的特点，在相同的功率输出时，比RTG系统的质量轻，所需的放射性同位素燃料的量减少了将近3/4，在质量和成本上具有优势， NASA已将其作为未来深空探测、月球登陆和星际飞行等任务的先进电源系统进行重点研究开发，经过 20多年的发展，即将空间飞行验证。同时该项技术
收稿日期；2014-12-11
作者简介：霍英杰，1972年出生，高级工程师，主要从事空间斯特林制冷技术和高效换能技术的研究工作。E-mail：huoyingjie@163.com
字航材料工艺http://www.yhclgy.com2015年第1期万方数据
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