: Двигатель Стирлинга - прошлое, настоящее и будущее

Ââåäåíèå

21 ñåíòÿáðÿ 1816

ãîäà â

Ýäèíáóðãå,

ñòîëèöå

Øîòëàíäèè

Ðîáåðò

Ñòèðëèíã

çàïàòåíòîâàë

ìàøèíó,

êîòîðóþ îí

íàçâàë

"ýêîíîìàéçåð"

(economiser ). Â ðåàëüíîé

æèçíè

Ðîáåðò

Ñòèðëèíã

áûë

ñâÿùåííèêîì

øîòëàíäñêîé

öåðêâè è

ïðîäîëæàë

âåñòè

ñëóæáû, õîòÿ

åìó ê ýòîìó

âðåìåíè

èñïîëíèëîñü

âîñåìüäåñÿò

øåñòü ëåò. Â

ñâîáîäíîå

âðåìÿ â ñâîåé

äîìàøíåé

ìàñòåðñêîé

îí

êîíñòðóèðîâàë

òåïëîâûå

ìàøèíû. Îäíó

èç åãî

ðàáîòàâøèõ

ìîäåëåé

ïîçäíåå

èñïîëüçîâàë

ëîðä Êåëüâèí

äëÿ ñâîèõ

óíèâåðñèòåòñêèõ

ëåêöèé.

Îäèí èç ïåðâûõ äâèãàòåëåé Ñòèðëèíãà

 òî âðåìÿ äâèãàòåëü Ñòèðëèíãà ïîëó÷èë ïðèçíàíèå êàê íàäåæíàÿ ïàðîâàÿ ìàøèíà, êîòîðàÿ íèêîãäà íå âçðûâàåòñÿ, êàê ýòî äîâîëüíî ÷àñòî ñëó÷àëîñü ñ äðóãèìè òèïàìè ïàðîâûõ äâèãàòåëåé â òå âðåìåíà.

 1850 ïðîñòàÿ è

ýëåãàíòíàÿ

äèíàìèêà

äâèãàòåëÿ

Ñòèðëèíãà

áûëà âïåðâûå

òåîðåòè÷åñêè

îïèñàíà

ïðîôåññîðîì

Ðýíêèíîì

ÌàêÊîðíîì ( Professor

McQuorne Rankine ).

Ïðèáëèçèòåëüíî

÷åðåç ñòî

ëåò òåðìèí

"Äâèãàòåëü

Ñòèðëèíãà"

áûë

èñïîëüçîâàí

Ðîëüôîì

Ìåéåðîì (Rolf Meijer)

äëÿ

îáîçíà÷åíèÿ

âñåõ òèïîâ

ðåãåíåðàòèâíûõ

ïàðîâûõ

ìàøèí

çàìêíóòîãî

öèêëà.

Äâèãàòåëü

Ñòèðëèíãà

ÿâëÿåòñÿ

óíèêàëüíîé

òåïëîâîé

ìàøèíîé,

ïîñêîëüêó

åãî

òåîðåòè÷åñêàÿ

ýôôåêòèâíîñòü

ïðàêòè÷åñêè

ðàâíà

ìàêñèìàëüíîé

ýôôåêòèâíîñòè

òåïëîâûõ

ìàøèí (

ýôôåêòèâíîñòü

öèêëà Êàðíî ).

Äâèãàòåëü

Ñòèðëèíãà

ðàáîòàåò çà

ñ÷åò

òåïëîâîãî

ðàñøèðåíèÿ

ãàçà, çà

êîòîðûì

ñëåäóåò

ñæàòèå ãàçà

ïîñëå åãî

îõëàæäåíèÿ.

Äâèãàòåëü

Ñòèðëèíãà

ñîäåðæèò

íåêîòîðûé

ïîñòîÿííûé

îáúåì

ðàáî÷åãî

ãàçà,

êîòîðûé

ïåðåìåùàåòñÿ

ìåæäó

"õîëîäíîé"

÷àñòüþ

(îáû÷íî

êîìíàòíîé

òåìïåðàòóðû)

è "ãîðÿ÷åé"

÷àñòüþ,

êîòîðÿ

îáû÷íî

ðàçîãðåâàåòñÿ

çà ñ÷åò

ñæèãàíèÿ

ëþáîãî âèäà

òîïëèâà,

àòîìíûì

ðåàêòîðîì

èëè çà ñ÷åò

ñîëíå÷íîãî

òåïëà.

Íàãðåâ

ïðîèçâîäèòñÿ

ñíàðóæè,

ïîýòîìó

äâèãàòåëü

Ñòèðëèíãà

îòíîñÿò ê

äâèãàòåëÿì

âíåøíåãî

ñãîðàíèÿ.

Ñ ìîìåíòà

èçîáðåòåíèÿ

áûëî

ðàçðàáîòàíî

áîëüøîå

êîëè÷åñòâî

ðàçëè÷íûõ

ðàçíîâèäíîñòåé

äâèãàòåëåé

Ñòèðëèíãà ñ

öåëüþ

ïîâûøåíèÿ

ìîùíîñòè è

ýôôåêòèâíîñòè.

Òåì íå ìåíåå,

îíè

óñòóïàëè ïî

óäåëüíîé

ìîùíîñòè

äâèãàòåëÿì

Îòòî è

Äèçåëÿ.

Äâèãàòåëü

Îòòî,

èçîáðåòåííûé

â 1877 ãîäó è

äâèãàòåëü

Äèçåëÿ,

èçîáðåòåííûé

â 1893 èìåëè

áîëåå

âûñîêóþ

óäåëáíóþ

ìîùíîñòü,

÷åì

äâèãàòåëè

Ñòèðëèíãà

òîãî

âðåìåíè. Ýòî

ïðèâåëî ê

ïîñòåïåííîìó

âûòåñíåíèþ

äâèãàòåëÿ

Ñòèðëèíãà

èç

ïðîìûøëåííîñòè.

Îíè åùå

øèðîêî

ïðèìåíÿëèñü

â íà÷àëå

íàøåãî âåêà

íà ôåðìàõ è

øàõòàõ - â

îñíîâíîì äëÿ

ïðèâåäåíèå â

äåéñòâèå

ðàçëè÷íûõ

íàñîñîâ è

äðóãèõ

ïðèìåíåíèé,

ãäå íå

òðåáóåòñÿ

âûñîêàÿ

óäåëüíàÿ

ìîùíîñòü, à

îñíîâíûìè

êðèòåðèÿìè

ÿâëÿþòñÿ

íàäåæíîñòü

è

ýêîíîìè÷íîñòü.

Íî ê 1940 ãîäó èõ

âûïóñê áûë

ïðåêðàùåí.

Äåìîíñòðàöèîííàÿ ìîäåëü äâèãàòåëÿ Ñòèðëèíãà

Äîâîëüíî

äîëãî

äâèãàòåëè

Ñòèðëèíãà

èñïîëüçîâàëèñü

ëèøü êàê

èãðóøêè è

ó÷åáíûå

ïîñîáèÿ â

øêîëàõ è

óíèâåðñèòåòàõ

ïðè

èçó÷åíèè

òåðìîäèíàìèêè.

Íî â

ïîñëåäíèå

ãîäû

èíòåðåñ ê

äâèãàòåëþ

Ñòèðëèíãà

áûñòðî

âîçðàñòàåò.

Íà÷àò

ïðîìûøëåííûé

âûïóñê

äîìàøíèõ

ýëåêòðîãåíåðàòîðîâ

íà

äâèãàòåëå

Ñòèðëèíãà (

ñì.

ïðèëîæåíèå 1 ).

Íàöèîíàëüíûì

Àýðîêîñìè÷åñêèì

Àãåíòñòâîì

ÑØÀ (NASA) áûëè

ïðîâåäåíû

ñðàâíèòåëüíûå

îöåíêè

ðàçëè÷íûõ

òèïîâ

òåïëîâûõ

ìàøèí äëÿ

èñïîëüçîâàíèÿ

â

êîñìè÷åñêîé

àïïàðàòóðå (

ñì.

ïðèëîæåíèå 2 ).

Äâèãàòåëü

Ñòèðëèíãà

áûë ïðèçíàí

íàèáîëåå

ïåðñïåêòèâíûì

èç-çà ñâîåãî

âûñîêîãî êïä

è

íàäåæíîñòè.

Âûïóñêàþòñÿ

õîëîäèëüíûå

óñòàíîâêè,

ðàáîòàþùèå

íà îáðàòíîì

öèêëå

Ñòèðëèíãà -

êàê

ïðîìûøëåííûå,

ïîçâîëÿþùèå

ïîëó÷àòü

òåìïåðàòóðó

äî -2400 Ñ ( ñì.

ïðèëîæåíèå 3 ),

òàê è

ïðåäíàçíà÷åííûå

äëÿ

èñïîëüçîâàíèÿ

â áûòîâûõ

õîëîäèëüíèêàõ.

 ïîñëåäíåì

ñëó÷àå èõ

ïðåèìóùåñòâà

ïåðåä

òðàäèöèîííûìè

ñèñòåìàìè

îáóñëîâëåíû

òåì, ÷òî â

êà÷åñòâå

õëàäîãåíòà

â íèõ ìîæåò

áûòü

èñïîëüçîâàí

îáû÷íûé

âîçäóõ.

Òàêèì îáðàçîì, ìîæíî ñêàçàòü, ÷òî èñòîðèÿ äâèãàòåëÿ Ñòèðëèíãà äàëåêî íå çàêîí÷åíà. Åãî ðàçâèòèå âõîäèò â íîâûé ìíîãîîáåùàþùèé ýòàï.

Ïðèíöèï ðàáîòû è óñòðîéñòâî.

Äâèãàòåëü Ñòèðëèíãà ÿâëÿåòñÿ òåïëîâîé ìàøèíîé çàìêíóòîãî öèêëà. Åãî ðàáîòà îñíîâàíà íà ðàñøèðåíèè ãàçà, èñïîëüçóåìîãî êàê ðàáî÷åå òåëî, ïðè ïîâûøåíèè òåìïåðàòóðû. Íà ñëåäóþùåì ðèñóíêå ïðèâåäåíû äèàãðàììû äëÿ èäåàëüíîãî öèêëà Ñòèðëèíãà â êîîðäèíàòàõ äàâëåíèå-îáüåì P-V è òåìïåðàòóðà-ýíòðîïèÿ T-S è èëëþñòðàöèè ñîîòâåòñòâóþùèõ ïðîöåññîâ.

Íà

äèàãðàììàõ

öèôðàìè

îáîçíà÷åíû

òî÷êè,

ðàçäåëÿþùèå

ýòàïû

ðàáîòû

äâèãàòåëÿ.

Íà ïåðâîì

ýòàïå (1-2)

ïðîèñõîäèò

èçîòåðìè÷åñêîå

ðàñøèðåíèå

ãàçà. Äàëåå,

íà

ñëåäóþùåì

ýòàïå (2-3) -

îõëàæäåíèå

ïðè

ïîñòîÿííîì

îáúåìå.

Äàëåå (ýòàï 3-4) -

èçîòåðìè÷åñêîå

ñæàòèå

îõëàæäåííîãî

ãàçà. È

íàêîíåö íà

ýòàïå 4-1

ðàçîãðåâ ïðè

ïîñòîÿííîì

îáúåìå.

Ïîëåçíàÿ

ðàáîòà

ïðîèçâîäèòñÿ

ãàçîì

òîëüêî íà

ïåðâîì ýòàïå.

Âñå

îñòàëüíûå

ïðîèñõîäÿò

çà ñ÷åò

çàïàñåííîé

÷àñòè

ýíåðãèè

(îáû÷íî,

ýíåðãèè

âðàùàþùåãîñÿ

êîëåñà).

Ñóùåñòâóþò äâà îñíîâíûõ òèïà äâèãàòåëåé Ñòèðëèíãà, îòëè÷àþùèõñÿ óñòðîéñòâîì öèëèíäðîâ.  ïåðâîì - òàê íàçûâàåìîì äâóõöèëèíäðîâîì (Two pistons type Stirling engine) èñïîëüçóþòñÿ ðàçäåëüíûå öèëèíäðû äëÿ íàãðåâàíèÿ è îõëàæäåíèÿ ðàáî÷åãî ãàçà.

Äâóõöèëèíäðîâûé äâèãàòåëü Ñòèðëèíãà

Íà ýòîì

ðèñóíêå

âåðõíÿÿ

÷àñòü

ãîðÿ÷åãî

öèëèíäðà ñ

ïîðøíåì (hot piston)

ïîñòîÿííî

ðàçîãðåâàåòñÿ

âíåøíèì

èñòî÷íèêîì

òåïëà, â òî

âðåìÿ, êàê

âåðõíÿÿ

÷àñòü

õîëîäíîãî

öèëèíäðà ñ

ïîðøíåì (cold piston)

ïîñòîÿííî

îõëàæäàåòñÿ.

Ñëåäóåò

îáðàòèòü

âíèìàíèå,

÷òî ïîðøíè

çàêðåïëåíû

íà

êîëåí÷àòîì

âàëó (crank shaft) òàê,

÷òî

îáåñïå÷èâàþò

ñäâèã ïî

ôàçå íà 90

ãðàäóñîâ, ò.å.

â òî âðåìÿ,

êàê ãîðÿ÷èé

ïîðøåíü

äîñòèãàåò

âåðõíåãî

ïîëîæåíèÿ,

õîëîäíûé

íàõîäèòñÿ â

ñðåäíåì

ïîëîæåíèè,

äâèãàÿñü

ââåðõ. Ýòîò

ìîìåíò

ñîîîòâåòñòâóåò

ýòàïó 2-3 íà

ïðåäûäóùåì

ðèñóíêå -

îõëàæäåíèþ

ïðè

ïîñòîÿííîì

îáúåìå.

Çàòåì

õîëîäíûé

ïîðøåíü

ïîäíèìàåòñÿ

ââåðõ,

ñæèìàÿ

îõëàæäåííûé

ãàç ïðè

ïîñòîÿííîé

òåìïåðàòóðå -

ýòàï 3-4. Êîãäà

õîëîäíûé

ïîðøåíü

âûòåñíÿåò

îõëàæåííûé

è ñæàòûé

ãàç â

ãîðÿ÷èé

öèëèíäð, òîò

ðàçîãðåâàåòñÿ

ïðè

ïîñòîÿííîì

îáúåìå - ýòàï

4-1. È íàêîíåö,

ãîðÿ÷èé ãàç

ðàñøèðÿåòñÿ,

òîëêàÿ

ïîðøåíü â

ãîðÿ÷åì

öèëèíäðå

âíèç - ýòàï 1-2.

Íà

ïîñëåäíåì

ýòàïå

âûäåëÿåòñÿ

ìîùíîñòü,

÷àñòü

êîòîðîé

çàïàñàåòñÿ

âðàùàþùèìñÿ

êîëåñîì (flywheel).

 äðóãîé

êîíñòðóêöèè

- äâèãàòåëå

Ñòèðëèíãà

ïîðøíåâîãî

òèïà (Displacer type Stirling engine) -

èñïîëüçóåòñÿ

îäèí öèëèíäð,

îäíà

ñòîðîíà

êîòîðîãî

(âåðõíÿÿ íà

ïðèâåäåííîì

íèæå

ðèñóíêå)

ïîñòîÿííî

îõëàæäàåòñÿ,

à äðóãàÿ -

ïîñòîÿííî

íàãðåâàåòñÿ.

Ïîðøåíü-äèñïëåéñåð

(displacer),

ðàçäåëÿþùèé

õîëîäíóþ è

ãîðÿ÷óþ

÷àñòè

öèëèíäðà,

íåïëîòíî

ïðèëåãàåò ê

ñòåíêàì

öèëèíäðà,

÷òî

ïîçâîëÿåò

ãàçó

ïåðåìåùàòüñÿ

ìåæäó íèìè. Â

ýòîé

êîíñòðóêöèè

ïîðøíè òàê

æå

çàêðåïëåíû

íà

êîëåí÷àòîì

âàëó ñî

ñäâèãîì ïî

ôàçå íà 90

ãðàäóñîâ.

Äâèãàòåëü

ðàáîòàåòïî

òîìó æå

ïðèíöèïó,

÷òî è

ïðåäûäóùàÿ

êîíñòðóêöèÿ.

Äâèãàòåëü Ñòèðëèíãà ïîðøíåâîãî òèïà

È â òîé, è â

äðóãîé

êîíñòðóêöèè

òåïëîâàÿ

ýíåðãèÿ

íàãðåâàòåëÿ

ïðåîáðàçóåòñÿ

â

ìåõàíè÷åñêóþ

ýíåðãèþ

âðàùåíèÿ

âàëà. Îäíàêî,

âîçìîæíî

èñïîëüçîâàíèå

è îáðàòíîãî

öèêëà

Ñòèðëèíãà -

åñëè çà ñ÷åò

âíåøíåãî

äâèãàòåëÿ

âðàùàòü âàë

â ýòèõ

ìàøèíàõ,

ðàáî÷èé ãàç

áóäåò

äâèãàòüñÿ ïî

òîìó æå

öèêëó. Ïðè

ýòîì

"ãîðÿ÷èé"

öèëèíäð

áóäåò

îõëàæäàòüñÿ,

à "õîëîäíûé" -

ðàçîãðåâàòüñÿ.

Òî åñòü

äâèãàòåëü

Ñòèðëèíãà â

ýòîì ñëó÷àå

áóäåò

ðàáîòàòü

êàê òåïëîâîé

íàñîñ, ò.å.

õîëîäèëüíàÿ

ìàøèíà.

Ðàáî÷èì

òåëîì â íåì

ìîæåò

ñëóæèòü

ëþáîé ãàç, â

òîì ÷èñëå è

àòìîñôåðíûé

âîçäóõ.

Ïåðñïåêòèâû èñïîëüçîâàíèÿ.

Ðàçâèòèå íàóêè è òåõíèêè ðèâåëî ê îáðàçîâàíèþ íîâûõ "ýêîëîãè÷åñêèõ íèø", â êîòîðûõ ñ óñïåõîì ìîæåò ïðèìåíÿòüñÿ äâèãàòåëü Ñòèðëèíãà. Íåêîòîðûå èç íèõ ïîêàçàíû íà ïðèâåäåííûõ íèæå ðèñóíêàõ.

Ïåðñïåêòèâíûå ïðèìåíåíèÿ äâèãàòåëÿ Ñòèðëèíãà.

Íà ïåðâîì èç

íèõ ïîêàçàí

ïðèìåð

ñîëíå÷íîé

ýíåðãåòè÷åñêîé

óñòàíîâêè (solar

power system). Âûñîêèé

ê.ï.ä.,

ïðîñòîòà è

íàäåæíîñòü

êîíñòðóêöèè

äâèãàòåëÿ

Ñòèðëèíãà

îáóñëàâëèâàþò

ýôôåêòèâíîñòü

åãî

èñïîëüçîâàíèÿ

â äàííûõ

ñèñòåìàõ.

Ñîëíå÷íûé

ñâåò

ôîêóñèðóåòñÿ

âîãíóòûìè

çåðêàëàìè

äëÿ

ðàçîãðåâà

äâèãàòåëÿ (â

êà÷åñòâå

èñòî÷íèêà

òåïëà). Â ðîëè

îõëàäèòåëÿ

ìîæåò

èñïîëüçîâàòüñÿ

îêðóæàþùèé

àòìîñôåðíûé

âîçäóõ. Ðîëü

òàêîãî

ýêîëîãè÷åñêè

÷èñòîãî

èñòî÷íèêà

ýíåðãèè â

ñîâðåìåííîì

ìèðå ëåãêî

îöåíèòü.

Íà âòîðîì

ðèñóíêå

ñõåìàòè÷åñêè

èçîáðàæåí

òåïëîâîé

íàñîñ

Âóëëåìåéåðà

(Vuillemeier Heat Pump).

Èçâåñòíî,

÷òî ïðè

èñïîëüçîâàíèè

îáðàòíîãî

öèêëà

Ñðèðëèíãà,

ò.å. åñëè,

íàïðèìåð,

ïðèâîäèòü

äâèãàòåëü

Ñòèðëèíãà â

äâèæåíèå ñ

ïîìîùüþ

êàêîãî-ëèáî

âíåøíåãî

èñòî÷íèêà

(íàïðèìåð,

åùå îäíîãî

äâèãàòåëÿ

Ñòèðëèíãà),

òî "ãîðÿ÷èé"

öèëèíäð

áóäåò

îõëàæäàòüñÿ,

à "õîëîäíûé" -

ðàçîãðåâàòüñÿ.

Åñëè ïðè

ýòîì

ðàçîãðåâàòü

"ãîðÿ÷èé"

öèëèíäð

(íàïðèìåð,

îêðóæàþùèì

âîçäóõîì), òî

"õîëîäíûé"

öèëèíäð

áóäåò

ðàçîãðåâàòüñÿ

äî áîëåå

âûñîêîé

òåìïåðàòóðû.

Ïðè ýòîì

âíåøíÿÿ

ýíåðãèÿ

ðàñõîäóåòñÿ

íå

íåïîñðåäñòâåííî

íà ðàçîãðåâ,

à íà

"ïåðåêà÷êó"

òåïëà èç

õîëîäíîãî

ìåñòà â

áîëåå òåïëîå,

÷òî ãîðàçäî

ýôôåòèâíåå.

Äëÿ

èäåàëüíîãî

ñëó÷àÿ

ê.ï.ä.òàêîé

ñèñòåìû

ìîæåò áûòü

ïîñ÷èòàí

êàê

ãäå

Òñ - àáñîëþòíàÿ òåìïåðàòóðà õîëîäíîé ÷àñòè

Òh - àáñîëþòíàÿ òåìïåðàòóðà ãîðÿ÷åé ÷àñòè

Ïîñêîëüêó

äàæå â

ñèëüíûå

ìîðîçû Òñ

ðåäêî

îïóñêàåòñÿ

íèæå 250

ãðàäóñîâ

Êåëüâèíà, äëÿ

ïîääåðæàíèÿ

Òh íà

óðîâíå 300

ãðàäóñîâ

Êåëüâèíà ( 270 )

ê.ï.ä.

ñîñòàâëÿåò

250/(300-250)=5. Òî åñòü,

çàòðàòèâ 1

êÂò.÷

ýëåêòðîýíåðãèè

íà ðàáîòó

òåïëîâîãî

íàñîñà, ìû

ïîëó÷èì â 5

ðàç áîëüøå

òåïëà, ÷åì

åñëè áû

ïîäàâàëè òó

æå ìîùíîñòü

ïðÿìî íà

ýëåêòðîíàãðåâàòåëü.

Îòñþäà

ëåãêî ïîíÿòü

èíòåðåñ ê

òåïëîâûì

íàñîñàì íà

îñíîâå

öèêëà

Ñòèðëèíãà.

Íà ñëåäóþùåì ðèñóíêå ïðåäñòàâëåí êðèîêóëåð Ñòèðëèíãà (Stirling cryocooler). Îí ðàáîòàåò ïî òîìó æå ïðèíöèïó òåïëîâîãî íàñîñà, íî èñïîëüçóåòñÿ â êà÷åñòâå õîëîäèëüíîé óñòàíîâêè äëÿ ïîëó÷åíèÿ î÷åíü íèçêèõ òåìïåðàòóð. Äàëåå áóäóò áîëåå ïîäðîáíî îïèñàíû ïåðñïåêòèâû è ïðåèìóùåñòâà óñòðîéñòâ ýòîãî òèïà.

Íà ïîñëåäíåì

ðèñóíêå

ïîêàí

äâèãàòåëü

Ñòèðëèíãà,

óñòàíîâëåííûé

íà àòîìíîé

ïîäâîäíîé

ëîäêå.

Ïîñêîëüêó â

ýòîì ñëó÷àå

âåñ è

ãàáàðèòû

äâèãàòåëÿ

íå èãðàþò

ðåøàþùåé

ðîëè,

âûñîêèé ê.ï.ä.

è

íàäåæíîñòü

äåëàþò åãî

èäåàëüíûì

êàíäèäàòîì

äëÿ

ïðåîáðàçîâàíèÿ

òåïëîâîé

ýíåðãèè,

âûðàáàòûâàåìîé

àòîìíûì

ðåàêòîðîì, â

ìåõàíè÷åñêóþ.

Áëàãîäàðÿ

òîìó, ÷òî

äâèãàòåëü

Ñòèðëèíãà

ïðàêòè÷åñêè

íå

íóæäàåòñÿ â

óõîäå è

íàñòðîéêå,

îí ìîæåò

áûòü

ðàçìåùåí â

èçîëèðîâàííîé

÷àñòè

êîðïóñà, ÷òî

îñîáåííî

ñóùåñòâåííî

â ñëó÷àå

çàòðóäíåííîãî

äîñòóïà (êàê

â ñëó÷àå

ïîäâîäíûõ

ëîäîê èëè

êîñìè÷åñêèõ

àïïàðàòîâ).

Òàê,

ñïåöèàëèñòàìè

NASA (

Íàöèîíàëüíîãî

Àýðîêîñìè÷åñêîãî

Àãåíòñòâà

ÑØÀ) áûëè

ïðîäåëàíû

ïðåäâàðèòåëüíûå

ïðîðàáîòêè

ïðîåêòà

ñîçäàíèÿ

îáèòàåìîé

áàçû íà Ëóíå

( ñì.

ïðèëîæåíèå 2 ).

Ïðîåêòîì

ïðåäóñìàòðèâàåòñÿ

ïîñòåïåííîå,

"ýâîëþöèîííîå"

ñòðîèòåëüñòâî

áàçû -

íà÷èíàÿ ñ

ìàëåíüêîãî

îáèòàåìîãî

ìîäóëÿ è äî

áîëüøîé

ïðîèçâîäñòâåíîé

áàçû ñ

ïîëíîé

îáðàáîòêîé

ïîëåçíûõ

èñêîïàåìûõ.

 êà÷åñòâå

îñíîâíîãî

èñòî÷íèêà

ýíåðãèè äëÿ

ðàáîòû â

óñëîâèÿõ

ëóííîé

ïîâåðõíîñòè

áûë âûáðàí

àòîìíûé

ðåàêòîð SP-100 ñ

òåïëîâîé

ìîùíîñòüþ 2500

êÂò è 8

ýëåêòðè÷åñêèõ

ãåíåðàòîðîâ,

ðàáîòàþùèõ

îò

äâèãàòåëåé

Ñòèðëèíãà.

Äâà èç íèõ

ïðåäïîëàãàëîñü

äåðæàòü â

ðåçåðâå äëÿ

îáåñïå÷åíèÿ

òðåáóåìîãî

óðîâíÿ

ðåçåðâèðîâàíèÿ

ìîùíîñòè, à

îñòàëüíûå

ïëàíèðîâàëîñü

èñïîëüçîâàòü

íà 91.7

ïðîöåíòîâ îò

èõ

íîìèíàëüíîé

ýëåêòðè÷åñêîé

ìîùíîñòè (150

êÂò). Òàêèì

îáðàçîì,

ïîëíàÿ

ïðîåêòíàÿ

ýëåêòðè÷åñêàÿ

ìîùíîñòü

ñîñòàâëÿåò 825

êÂò. Â

êà÷åñòâå

äîïîëíèòåëüíîãî

èñòî÷íèêà

íà ïåðâîì

ýòàïå

ñòðîèòåëüñòâà

ïðåäóñìîòðåíî

èñïîëüçîâàíèå

íàðàùèâàåìûõ

ñîëíå÷íûõ

áàòàðåé. Â

ïðîåêòå

ïðèâîäèòñÿ

ïîäðîáíîå

òåõíè÷åñêîå

îïèñàíèå

ðåàêòîðíîé

óñòàíîâêè,

êîíñòðóêöèè

è òåïëîâîãî

ïîäñîåäèíåíèÿ

äâèãàòåëåé

Ñòèðëèíãà,

ñèñòåì

îòâîäà òåïëà

è

ðàñïðåäåëåíèÿ

ìîùíîñòè.

Îïèñàííûé

ëóííûé

ïðîåêò

äåìîíñòðèðóåò

ïîòåíöèàëüíûå

ïðèìåíåíèÿ

äâèãàòåëåé

Ñòèðëèíãà â

áóäóþùåì.

Åñëè

âåðíóòüñÿ â

íàñòîÿùåå

âðåìÿ, ìîæíî

ïðèâåñòè, â

êà÷åñòâå

ïðèìåðà,

íà÷àâøèéñÿ

âûïóñê

äîìàøíèõ

ýëåêòðîãåíåðàòîðîâ

íà

äâèãàòåëå

Ñòèðëèíãà (

ñì.

ïðèëîæåíèå 1 ).

Â

ïðèâåäåííîì

ðåêëàìíîì

ìàòåðèàëå

îïèñàí

ñîâìåùåííûé

íàãðåâàòåëü-ýëåêòðîãåíåðàòîð

WG800 ìîøíîñòüþ 800

Âò íà

äâèãàòåëå

Ñòèðëèíãà.

Ïðèáîð

óíèâåðñàëüíûé,

ïðåäíàçíà÷åí

äëÿ

èñïîëüçîâàíèÿ

êàê â

äîìàøíèõ

óñëîâèÿõ,

òàê è ïîä

îòêðûòûì

íåáîì. Åãî

ïðåèìóùåñòâà

- âûñîêàÿ

íàäåæíîñòü

è

àâòîíîìíîñòü

(5000 ÷àñîâ

ðàáîòû äî

ïåðâîãî

òåõíè÷åñêîãî

îáñëóæèâàíèÿ),

íèçêèé

óðîâåíü

øóìà -

ãîðþ÷åå

ñãîðàåò

íåïðåðûâíî, â

îòëè÷èå îò

äâèãàòåëåé

âíóòðåííåãî

ñãîðàíèÿ,

ãäå îíî

ïîñòóïàåò â

öèëèíäð

ïîðöèÿìè è

òàì

âçðûâàåòñÿ.

 êà÷åñòâå

òîïëèâà

ìîæåò

èñïîëüçîâàòüñÿ

ïðèðîäíûé

ãàç, âñå âèäû

æèäêîãî

òîïëèâà,

óãîëü è äàæå

äðîâàÂñå ýòî

äåëàåò åãî

÷ðåçâû÷àéíî

óäîáíûì äëÿ

èñïîëüçîâàíèÿ

â óäàëåííûõ

îò

ýëåêòîñåòåé.

Íà ðûíêå

äîñòóïíû

òàê æå áîëåå

ìîùíûå, 3 êÂò,

ìîäåëè

ïðèáîðà.

Äðóãîé

ïðèìåð

ñîâðåìåííîãî

èñïîëüçîâàíèÿ

ïðèáîðîâ,

îñíîâàííûõ

íà öèêëå

Ñòèðëèíãà -

êðèîêóëåðû. Â

øèðîêèõ

ìàñøòàáàõ

èõ íà÷àëè

ïðîèçâîäèòü

îêîëî äåñÿòè

ëåò íàçàä -

ïðåèìóùåñòâåííî

äëÿ

èñïîëüçîâàíèÿ

â âîåííîé

òåõíèêå: íà

òàíêàõ è

ñàìîëåòàõ

òðåáîâàëîñü

óñòàíàâëèâàòü

âûñîêî÷óâñòâèòåëüíûå

îõëàæäàåìûå

äî

òåìïåðàòóð

ïîðÿäêà -2000 Ñ

äàò÷èêè è

ïðèåìíèêè.

Äëÿ èõ

îõëàæäåíèÿ

è áûëè

ðàçðàáîòàíû

êðèîêóëåðû

íà îñíîâå

îáðàòíîãî

öèêëà

Ñòèðëèíãà.

Íèæå

ïðèâîäèòñÿ

êðàòêîå

îïèñàíèå

îäíîãî èç

îòå÷åñòâåííûõ

êðèîêóëåðîâ,

êîòîðûå â

ñâÿçè ñ

êîíâåðñèåé

ïîñòóïèëè

íà îòêðûòûé

ðûíîê.

çÏÓÕÄÁÒÓÔ×ÅÎÎÏÅ ÐÒÅÄÐÒÉÑÔÉÅ "îðï ïÒÉÏÎ".

íÎÏÇÏÜÌÅÍÅÎÔÎÙÊ ÆÏÔÏÐÒÉÅÍÎÉË ÎÁ ÏÓÎÏ×Å ëòT Ó ÓÉÓÔÅÍÏÊ ÏÈÌÁÖÄÅÎÉÑ ÔÉÐÁ óÐÌÉÔ-óÔÉÒÌÉÎÇ

ëÒÁÔËÏÅ_ÏÐÉÓÁÎÉÅ: íÎÏÇÏÜÌÅÍÅÎÔÎÙÊ ÆÏÔÏÐÒÉÅÍÎÉË ÎÁ_ÏÓÎÏ×Å ÓÏÅÄÉÎÅÎÉÑ ËÁÄÍÉÊ-ÒÔÕÔØ-ÔÅÌÌÕÒ Ó ÒÁÚÍÅÒÏÍ ÜÌÅÍÅÎÔÁ 50È50 (35È35) ÍËÍ ÄÌÑ ÓÐÅËÔÒÁÌØÎÏÇÏ ÄÉÁÐÁÚÏÎÁ 8-12 ÍËÍ, ÉÎÔÅÇÒÉÒÏ×ÁÎÎÙÊ Ó ÏÈÌÁÄÉÔÅÌÅÍ óÔÉÒÌÉÎÇÁ. ïÂÎÁÒÕÖÉÔÅÌØÎÁÑ ÓÐÏÓÏÂÎÏÓÔØ D* > 4*1010 ÷Ô-1çÃ1/2ÓÍ. ðÏÔÒÅÂÌÑÅÍÁÑ ÍÏÝÎÏÓÔØ < 10 ÷Ô.

îÁÚÎÁÞÅÎÉÅ: ôÅÐÌÏ×ÉÚÉÏÎÎÁÑ ÁÐÐÁÒÁÔÕÒÁ ÛÉÒÏËÏÇÏ ÎÁÚÎÁÞÅÎÉÑ (ÄÉÁÇÎÏÓÔÉËÁ × ÍÅÄÉÃÉÎÅ, ÁÎÁÌÉÚ ÔÅÐÌÏ×ÙÈ ÐÏÔÅÒØ × ÐÒÏÉÚ×ÏÄÓÔ×ÅÎÎÙÈ É ÖÉÌÙÈ ÚÄÁÎÉÑÈ, ËÏÎÔÒÏÌØ ÐÏÔÅÒØ × ÜÎÅÒÇÏÓÅÔÑÈ, ÔÁÍÏÖÅÎÎÙÊ ËÏÎÔÒÏÌØ), ÉÚÍÅÒÉÔÅÌØÎÁÑ ÁÐÐÁÒÁÔÕÒÁ, ÎÁÕÞÎÙÅ ÉÓÓÌÅÄÏ×ÁÎÉÑ É ÄÒ.

Âîîáøå

ãîâîðÿ,

ñîâðåìåííàÿ

ïîëóïðîâîäíèêîâàÿ

ýëåêòðîíèêà

ïîäîøëà â

ñâîåì

ðàçâèòèè ê

ïðåäåëó,

îáóñëîâëåííîìó

ôèçè÷åñêèìè

çàêîíàìè.

Äàëüíåéøåå

ïîâûøåíèå

õàðàêòàðèñòèê

òðåáóåò

ïåðåõîäà ê

îõëàæäàåìûì

äî

òåìïåðàòóð

ïîðÿäêà -1000 -2000

Ñ ýëåìåíòàì.

Íà

ïîñëåäíèõ

êîíôåðåíöèÿõ

ïî

ýëåêòðîíèêå

(ISEC-97, EUCAS-97) àêòèâíî

îáñóæäàþòñÿ

ðàçëè÷íûå

ñïîñîáû

îõëàæäåíèÿ

àïïàðàòûðû.

Íà

ñåãîäíÿøíèé

äåíü

íàèáîëåå

ïåðñïåêòèâíûì

ïðèçíàíî

èñïîëüçîâàíèå

êðèîêóëåðîâ

íà öèêëå

Ñòèðëèíãà.

Äîñòóïíûå â

íàñòîÿùåå

âðåìÿ,

âûïóñêàåìûå

ìåëêèìè

ñåðèÿìè

ìîäåëè

ìàëîìîùíûõ

êðèîêóëåðîâ

ñòîÿò

ïîðÿäêà 10-15

òûñÿ÷

äîëëàðîâ. Ïðè

ïåðåõîäå ê

êðóïíîñåðèéíîìó

ïðîèçâîäñòâó

îæèäàåòñÿ,

÷òî èõ öåíû

óïàäóò â

íåñêîëüêî

ðàç, ÷òî

ñäåëàåò

êîììåð÷åñêè

ðåíòàáåëüíûì

èñïîëüçîâàíèå

îõëàæäàåìûõ

ýëåìåíòîâ

ñíà÷àëà â

íàèáîëåå

îòâåòñòâåííûõ

ñèñòåìàõ -

òàêèõ, êàê

ôàéë-ñåðâåðû,

è áîëüøèå

êîìïüþòåðû, à

â

ïåðñïåêòèâå

è â áûòîâûõ

êîìïüþòåðàõ.

Òàêèì

îáðàçîì,

ìîæíî

îæèäàòü, ÷òî

ê ñåðåäèíå

ñëåäóþùåãî

âåêà, ïî ìåðå

ðàñïðîñòðàíåíèÿ

äîìàøíèõ

êîìïüþòåðîâ,

äâèãàòåëü

Ñòèðëèíãà

ïðèäåò

ïðàêòè÷åñêè

â êàæäûé äîì

Çàêëþ÷åíèå

Ïîñëå ñâîåãî

èçîáðåòåíèÿ

â 1816 ãîäó,

äâèãàòåëü

Ñòèðëèíãà

ïåðåæèë

ïåðâûé

ïåðèîä

ñâîåãî

øèðîêîãî

ðàñïðîñòðàíåíèÿ

- â êîíöå

ïðîøëîãî -

íà÷àëå

íàøåãî âåêà,

ïîñëå ÷åãî

áûë

ïðàêòè÷åñêè

çàáûò. Íî â

ïîñëåäíèå

ãîäû îí

âíîâü

ïðèâëåêàåò ê

ñåáå

ïîâûøåííûé

èíòåðåñ â

ñàìûõ

ðàçíûõ

îáëàñòÿõ

èñïîëüçîâàíèÿ.

 íàñòîÿùåå

âðåìÿ áûñòðî

ðàñøèðÿåòñÿ

èñïîëüçîâàíèå

êðèîêóëåðîâ

íà îñíîâå

öèêëà

Ñòèðëèíãà,

âûïóñêàþòñÿ

ýëåêòðîãåíåðàòîðû,

ðàáîòàþùèå

îò

äâèãàòåëåé

Ñòèðëèíãà.

Åãî

ïðåèìóùåñòâà

- âûñîêèé ê.ï.ä.,

íàäåæíîñòü,

íåïðèõîòëèâîñòü,

âîçìîæíîñòü

èñïîëüçîâàíèÿ

ýêîëîãè÷åñêè

÷èñòûõ

èñòî÷íèêîâ

ýíåðãèè

ïîçâîëÿþò

ðàññ÷èòûâàòü

íà øèðîêîå

ðàñïðîñòðàíåíèå

äâèãàòåëÿ

Ñòèðëèíãà â

áóäóþùåì.

Ëèòåðàòóðà.

1. El-Genk, Mohamed S.; Editor (1994) A Critical Review of SPACE NUCLEAR

POWERAND PROPULSION 1984-1993, American Institute of Physics Press

2. Organ, A. J. (1992) Thermodynamics and Gas Dynamics of the Stirling Cycle

Machine, Cambridge University Press

3. Reader, G. T. and Hooper, C. (1983) Stirling Engines, E. & F. N. Spon

4. Urieli, I. and Berchowitz, D. M. (1984) Stirling Cycle Engine Analysis,

Adam Hilger Ltd.

5. Walker, G. (1973) Stirling-Cycle Machines, Oxford University Press

6. West, C. D. (1986) Principles and Applications or Stirling Engines, Van

Nostrand Reinhold Company, Inc.

7. Roberts, M.L.: Inflatable Habitation for the Lunar Base. Presented at the

Symposium on Lunar Bases and Space Activities of the 21st Century, Apr. 5-7,

1988, Houston, TX, Paper Number LBS-88-266.

8. Conceptual Design of a Lunar Oxygen Pilot Plant--Lunar Base Systems Study.

(EEI-88-182, Eagle Engineering, Inc., NASA Contract NAS9-17878) NASA-CR-

172082.

9. Brinker, D.J.; and Flood, D.J.: Advanced Photovoltaic Power Power System

Technology for Lunar Base Applications. NASA TM-100965, 1988.

10. A.C. Klein, NASA Lewis Summer Intern Report.

11. Personal communication from J. Alfred, NASA Johnson Space Center.

12. Bloomfield, H.S.: Small Reactor Power Systems for Manned Planetary

Surface Bases. NASA TM-100223, 1987.

13. Slaby, J.G.: Overview of the 1988 Free-Piston Stirling SP-100 Activities

at the NASA Lewis Research Center. NASA TM-87305, 1986.

14. English, R.E.; and Guentart, D.G.: Segmenting of Radiators for Meteoroid

Protection. ARS J., vol. 31, no.8, Aug. 1961, pp. 1162-1163.

15. Bien, D.D.; and Guentart, D.C.: A Method for Reducing the Equivalent Sink

Temperature of a Vertically Oriented Radiator on the Lunar Surface. NASA TM

X-1729, 1969.

16. Roberts, B.B.; and Bland, D.: Office of Exploration: Exploration Studies

Technical Report, Volume 2: Studies Approach and Results. NASA TM-4075-VOL-2,

1988.

17. Lee S. Mason and Harvey S. Bloomfield National Aeronautics and Space

Administration Lewis Research Center, Cleveland, Donald C. Hainley Sverdrup

Technology, Inc. NASA Lewis Research Center Group Cleveland SP-100 Power

System Conceptual Design for Lunar Base Applications 6th Symposium on Space

Nucelar Power Systems. 6th Symposium on Space Nucelar Power Systems sponsored

by the Institute for Space Nucelar Power Studies, Albuquerque, NM, January 8-

12, 1989

Ñîäåðæàíèå.

1. Ââåäåíèå 2

2. Ïðèíöèï ðàáîòû è óñòðîéñòâî 5

3. Ïåðñïåêòèâû èñïîëüçîâàíèÿ 8

4. Çàêëþ÷åíèå

14

5. Ñïèñîê

ëèòåðàòóðû

15

6. Ïðèëîæåíèÿ 18

Ïðèëîæåíèÿ