如何设计一款斯特林发动机（大缸径斯特林发动机的想象空间有多大）

如何设计一款斯特林发动机（大缸径斯特林发动机的想象空间有多大）讲到这儿，应用前场景翻来覆去地讲的都是潜艇。能不能换一个其他的应用场景呢？当然能，更高大上的就是在航天领域。航天器在太空中运行，什么东西最要命呢？能源、电力最要命。现在绝大多数用的都是太阳能电池帆板，靠着那点太阳光和面积有限的太阳能帆板产生的电能能有多大？就这一点能量你能干多少事？核能就不一样了。以往我们看到的核动力都是使用“烧开水”的办法，把热能转化为机械能，转化为电能。“烧开水”的这一套东西，现在大量使用的是蒸汽轮机。这个东西体积和重量是很难压缩下来的，因为两个巨大的热交换器都摆在那儿了，他们一个是锅炉，一个是冷凝器。而燃气轮主机虽然也不小，但是和这两个交换器比起来，都是小儿科了。能不能把核动力装置做小呢？核反应堆是可以做小的，以现在可以看到的技术，把核反应堆做成麻将桌大小是没问题的。问题是核反应堆做小了，后面的蒸汽轮机做不小，整个动力装置还是小不了。但是大缸径的斯特林发动机就提供了这

12月21日，《中国船舶报》发了一个消息称。消息称，近日国内首台大缸径斯特林发动机基础样机在中国船舶集团有限公司旗下第711研究所顺利完成性能试验。该基础样机额定功率达320千瓦，热功转换效率达40%，是目前国际上已知斯特林发动机的最高水平。该基础样机的研制成功，标志着我国在大缸径斯特林发动机关键技术及制造工艺上获得了重要突破，将为后续兆瓦级斯特林发动机的研制打下良好的基础。

听起来很“高大上”。因为消息中说，这是“目前国际上已知斯特林发动机的最高水平”。那么这个斯特林发动机究竟是一个什么东西？它的应用场景是什么样？大缸径斯特林发动机所带来的想象空间有多大？

先说斯特林发动机。斯特林发动机是外燃机，和外燃机相对的就是内燃机，像汽油机、柴油机这都是内燃机。之所以叫它内燃，是因为它的燃烧做功过程都是在气缸内完成的。而外燃，顾名思义就是燃烧在气缸外完成。你像蒸汽机、蒸汽轮机，这都属于外燃机。从应用场景上来说，外燃机比内燃机应用的环境要求要更低。别的不说吧，内燃机首先它是要“挑食”的，必须是液体或者气体燃料才能用；而外燃机就不同了，只要能烧起火来，在外面烧炉子就行了。

所以我们看到各种各样的发电厂，不管是燃煤发电、燃油发电、燃气发电、核发电，全都是用的外燃机。但是斯特林发动机虽然也是外燃机，它却有一个很大的技术限制，那就是功率很难做大。所以以前我们看到斯特林发动机的应用场景很少，大家最熟悉的可能就是AIP潜艇使用的斯特林发动机。

其实潜用的斯特林发动机也是因为它的功率有限，只能作为辅助动力而无法作为主动力。所以我们会看到采用斯特林发动机的AIP潜艇，它的动力装置有三种，一种是柴油机，用于提供水面或通气管状态的大功率的动力源，说白了用来发电的；一个是电池加电动机，这是用于水下推进的；再有就是我们说的斯特林发动机了。一艘潜艇搞三种动力，显然太麻烦，又占地又浪费重量，但是没办法，谁让斯特林发动机做不大呢。

如果斯特林发动机做大了，会怎么样呢？假如就像报道当中所讲到的，兆瓦级的斯特林发动机出来了。所谓兆瓦就是千千瓦，达到这样的功率可以产生什么效果呢？潜艇可以不要柴油机了，装上4~6台斯特林发动机就行了。水面航行的时候，用空气中的氧气，水下航行的时候，用液氧，这样一来，一艘潜艇上三种动力装置的状态就可以简化为一种了。想想有多美吧。

如果再往深里想一想的话，外燃机只需要有热源就可以了。至于热源本身是什么样的形式，对外燃机来说都不重要。所以斯特林发动机是可以和核供热装置相结合的。

以往我们看到的核动力都是使用“烧开水”的办法，把热能转化为机械能，转化为电能。“烧开水”的这一套东西，现在大量使用的是蒸汽轮机。这个东西体积和重量是很难压缩下来的，因为两个巨大的热交换器都摆在那儿了，他们一个是锅炉，一个是冷凝器。而燃气轮主机虽然也不小，但是和这两个交换器比起来，都是小儿科了。能不能把核动力装置做小呢？核反应堆是可以做小的，以现在可以看到的技术，把核反应堆做成麻将桌大小是没问题的。问题是核反应堆做小了，后面的蒸汽轮机做不小，整个动力装置还是小不了。但是大缸径的斯特林发动机就提供了这种可能。既然蒸汽轮机做不小，我不用蒸汽轮机了，我用斯特林发动机。那一下子就可以它做小了，那么核动力装置整体就变小了。这实际上就是很多军迷心心念念的“小堆”核潜艇。

讲到这儿，应用前场景翻来覆去地讲的都是潜艇。能不能换一个其他的应用场景呢？当然能，更高大上的就是在航天领域。航天器在太空中运行，什么东西最要命呢？能源、电力最要命。现在绝大多数用的都是太阳能电池帆板，靠着那点太阳光和面积有限的太阳能帆板产生的电能能有多大？就这一点能量你能干多少事？核能就不一样了。

但是要把核能转化为电能，用地面上使用的“烧开水”的那一套办法显然不行，因为航天发射对重量、体积太敏感了。但换成斯特林发动机就有了这种可能性了。想想看吧。一艘飞船上有一个微型核反应堆，配上斯特林发动机，再加上发电机，这一套动力源达到兆瓦的级别，那就能干不少事了。再配上等离子体火箭发动机，想想都不要太美。如果换个角度往接地气的方面来讲。目前我们用的汽车绝大多数都是内燃机，将来换成斯特林发动机，不爽吗？当然爽了，什么酒精，甲醇、天然气、氢随便烧。如果不是为了实现“碳达峰”“碳中和”，你直接烧煤都可以。

讲到这儿有人可能会问，你为什么开始就讲了那么多的潜艇的应用场景呢？你注意看一看，这个东西的研发方711所，还有一个通俗的名字，叫上海船用柴油机研究所。

关于斯特林发动机的原理，如果说用文字来表述确实很难。我在文章当中配了一个图，可能还是看不太清楚。其实我在头条上看到有一位公号叫做“水牛爱科技”的朋友在4个月前发了一个东西。东西的名字叫“用针筒现场还原斯特林发动机，点火就能动，太直观了，真是天才”。

里面有一段小视频，就是他用斯特林发动机原理做的这一套小装置，也就是说，他说的那个点火就能动的东西做得太巧妙了，简单直观，一看就能懂。尤其很绝的，他把那一套复杂的曲柄连杆加飞轮的结构，用一个简单的小钢珠就给替代了。真是“高手在民间”，推荐给大家看一看，斯特林发动机的原理也就懂了。

至于为什么我说如果斯特林发动机做到兆瓦级别就可以完全取代常规潜艇上的柴油机，甚至连蓄电池组都可以不要，或者只要一点点就够了呢？给大家算笔账吧。一兆瓦就是1000千瓦，我说用4~6台这样的斯特林发动机，那就是4000千瓦到6000千瓦的总功率。这个功率能够做到什么水平呢？可以把一艘1500~2000吨的常规潜艇推到差不多20节的速度。这样一来，柴油机就完全可以省掉了。与此同时，常规潜艇的电池组也可以不要了，因为单凭斯特林发动机就足以跑到20节了。

而斯特林发动机在通气管状态，可以用空气中的氧气来燃烧。水下的话，只要用液氧就好了。省出来几百吨电池的排水量，用来装液氧绰绰有余。而燃料呢？就用之前柴油机使用的柴油可以了。这样一来，整个动力装置大幅度简化。而且水下最大航速，跑到18~20节是没有问题的。这个18~20节和现在常规潜艇的18~20节完全是两码事。因为现有的潜艇20节是靠电池跑出来的，跑这个速度撑死了一个半小时到头了。而现有的AIP潜艇说是可以水下跑上一个礼拜，但是那个速度基本上是龟速。而现在这样的大功率斯特林的话，这个水下最大航速可以长时间持续的。想想这有多美。

有人会问斯特林发动机噪音，是不是要比水下用电池加电动机的大呢？可能会大一点，但是绝不会大很多。因为斯特林发动机它的原理和内燃机是不一样的。内燃机的燃烧是有一个爆轰的过程，但我们看到斯特林发动机的原理就可以看到，它的这个燃烧和做攻的过程要“温柔”得多。所以工艺上控制得好的话，噪音可以做到相当相当的低。而且其他的减震措施可以用上去，像减震浮阀等等。因为去掉了柴油机，去掉了电池组，你省出来的重量是大把的。

当然了讲了这么多美好，前提是要真地拿出兆瓦级的可靠的斯特林发动机。现在的300多千瓦还只能做到AIP潜艇的水平，只不过是一个大号的能力更强的AIP潜艇。当然再进一步说，如果把热源我不是用烧柴油，而是改成一个紧凑的小型核反应堆的话，那就是一个小堆核潜艇了。