太空实验室: “太空抽屉”里面有什么?
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目前,中国空间站已全面建成,工程转入应用与发展阶段。作为中国航天史上规模最大、长期有人照料的空间实验平台,建成后的中国空间站成为国家太空实验室,三舱部署的多个实验柜可开展上千项科学实验,惠及地球上普通人的生活。
中国载人航天官方平台开设“今日太空实验室”科普专栏,为你生动介绍国家太空实验室中的各个实验柜,满足你对太空中开展的各项科学实验和技术试验的好奇心。
01 航天基础试验机柜
今天,我们一起聊聊航天基础试验机柜。
空间站各舱段内的四面都装有实验柜,它位于梦天实验舱靠近节点舱的一端,航天员的“脚下”。
▲航天基础试验机柜在中国空间站的大致位置
从外形来看,航天基础试验机柜由多个大小不一的“太空抽屉”(载荷单元)组成,每个抽屉还配有把手,整体仿佛是一个多功能收纳柜,很有辨识度。
▲航天基础试验机柜(左) 普通收纳柜(右)
航天基础试验机柜身处微重力等特殊研究环境中,能够用于支持开展舱内的各项技术试验,针对制约我国航天长远发展的关键技术开展一系列研究,为未来我国航天技术发展和空间应用提供有力的技术支撑。
可以说,航天基础试验机柜就像是哆啦A梦的口袋,每个“太空抽屉”里的试验项目都各不相同。
近日,其中一个“太空抽屉”里完成了一件大事,斯特林热电转换技术完成在轨验证,再次解锁一项“我国首次”。
▲斯特林热电转换试验装置
02 斯特林热电转换试验装置
是啥?什么原理?
斯特林热电转换试验装置位于机柜的左下角,它是一种外燃式发电机,能将热能转化为电能,有合适的温差就能工作。200多年前,由英国科学家罗巴特·斯特林发明了斯特林发电机。工作原理既古老又简单,可以从“热胀冷缩”这个词中理解。
▲斯特林热电转换试验装置位置
通过外部加热,机器内部的氦气便会吸热膨胀,并在冷端收缩,将温差变成自己动力的源泉。
▲斯特林热电转换试验装置示意图
同时,它也不挑燃料。只要能发热,无论是太阳能、燃油、煤炭、木柴,还是核燃料棒,只要有合适的温差就可以工作,非常让人省心且具有明显的优势。
效率有多高?
斯特林热电转换装置的温度比(热端温度与冷端温度之比)越高,热电转换效率就越高。
目前,在温度比接近3的情况下,国内外实现的转换效率能够达到28%以上。
▲斯特林热电转换试验装置内部
本次空间站在轨试验装置温度比为2.2,实现在轨热电转换效率24.7%,若温度比达到3的情况下,也可实现近28%的转换效率。
因此,从这个角度可以理解为转换效率达到了国际上的中上水平。
03 未来或成为人类探测深空一项必不可少的技术
为什么开展这项试验?
现阶段,中国空间站运行在距离地面约400公里的轨道上,空间站主要使用太阳能电池,利用光电效应发电。但是随着航天器到太阳的距离越来越远,太阳能电池组的效率明显下降,甚至都不起作用。
▲中国空间站舱外全景相机拍摄画面
未来,如果人类的脚步踏入月球背面、木星,甚至从行星到行星,太阳的光照微乎其微,太阳能发电就指望不上。该如何保证航天器电力需求?
此时,斯特林发电机就体现出自己的价值,只要给个合适热源和温差就可以发电。
热源使用成熟的核燃料技术,寿命长、发热稳定,两者结合就是完美的电力系统,解决空间电源使用需求。同时,斯特林电源系统作为一种高效能源技术,具有高效率、结构简单、质量轻、启动快和振动小、噪声低等优点。
因此,斯特林热电转换技术在这些领域具有不可替代性。
对未来的展望
斯特林热电转换技术作为一种高效能源技术,在空间有着广泛的应用需求,可用于深空探测、火星探测和更远的木星探测等任务,特别是不依赖太阳能的任务。
▲月面着陆器与新一代载人飞船模型
想不到,一枚小小的“太空抽屉”,在方寸之间,装进了我们对大千世界的探索和追问,对浩瀚宇宙的敬畏和思考。宇宙那么大,人类应该去看看,中国人更应该去看看。在不远的将来,中国人的脚步一定能迈向更远的深空!