34、航天器动力能量转换系统：从原理到应用

航天器动力能量转换系统：从原理到应用

1. 引言

在太阳系各类天体的航天器动力和表面发电站领域，多种热力循环系统都是潜在的候选方案。相较于光伏发电，动态系统有望实现更高的效率，并且在高功率水平下具备更好的扩展性。然而，动态机械的可靠性一直是备受关注的问题，航天器设计者更倾向于选择在出现故障时能够逐步降级的动力系统。因此，为提高可靠性而增加的冗余设计和其他改进措施，在一定程度上抵消了动态转换的潜在优势。尽管一些关键组件已经展示了较长的使用寿命，但完整的动态动力转换系统尚未在太空中进行实际飞行验证。

目前，研究和开发工作主要集中在三种基本循环系统上：斯特林循环、布雷顿循环和朗肯循环。除少数情况外，系统所需的使用寿命决定了通常采用闭式循环。下面将详细介绍这三种闭式循环系统的运行原理、发展历程以及关键工程问题。

1.1 基本方程

理想循环的功、热和效率的基本方程对于这三种循环系统是相同的，这些方程在任何基础热力学教材中都可以找到。它们主要描述了工作流体在循环过程中焓的变化。以下是相关的基本方程，均基于单位质量流量的工作流体：
- 加入的热量 (q_{in}) 定义为加热器出口和入口处比焓的差值（单位：瓦时/千克）：
[q_{in}=h_{out}-h_{in}]
- 膨胀过程中产生的热力学功 (w_{exp}) 是膨胀（旋转涡轮或线性活塞冲程）出口和入口处比焓的差值：
[w_{exp}=h_{exp,out}-h_{exp,in}]
- 压缩流体所需的热力学功 (w_{comp}) 是压缩（泵或压缩机）出口和入口处比焓的差值：
[w_{comp}=h_{comp,out}-h_{comp,in}]