Двигатель Стирлинга - прошлое, настоящее и будующие

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.  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).  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.  êà÷åñòâå äîïîëíèòåëüíîãî èñòî÷íèêà íà ïåðâîì ýòàïå ñòðîèòåëüñòâà ïðåäóñìîòðåíî èñïîëüçîâàíèå íàðàùèâàåìûõ ñîëíå÷íûõ áàòàðåé.  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 ).  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.  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