大缸徑斯特林發動機的想象空間有多大？想想都美得不得了

12月21日，《中國船舶報》發了一個訊息稱。訊息稱，近日國內首臺大缸徑斯特林發動機基礎樣機在中國船舶集團有限公司旗下第711研究所順利完成效能試驗。該基礎樣機額定功率達320千瓦，熱功轉換效率達40%，是目前國際上已知斯特林發動機的最高水平。該基礎樣機的研製成功，標誌著我國在大缸徑斯特林發動機關鍵技術及製造工藝上獲得了重要突破，將為後續兆瓦級斯特林發動機的研製打下良好的基礎。

聽起來很“高大上”。因為訊息中說，這是“目前國際上已知斯特林發動機的最高水平”。那麼這個斯特林發動機究竟是一個什麼東西？它的應用場景是什麼樣？大缸徑斯特林發動機所帶來的想象空間有多大？

先說斯特林發動機。斯特林發動機是外燃機，和外燃機相對的就是內燃機，像汽油機、柴油機這都是內燃機。之所以叫它內燃，是因為它的燃燒做功過程都是在氣缸內完成的。而外燃，顧名思義就是燃燒在氣缸外完成。你像蒸汽機、蒸汽輪機，這都屬於外燃機。從應用場景上來說，外燃機比內燃機應用的環境要求要更低。別的不說吧，內燃機首先它是要“挑食”的，必須是液體或者氣體燃料才能用；而外燃機就不同了，只要能燒起火來，在外面燒爐子就行了。

所以我們看到各種各樣的發電廠，不管是燃煤發電、燃油發電、燃氣發電、核發電，全都是用的外燃機。但是斯特林發動機雖然也是外燃機，它卻有一個很大的技術限制，那就是功率很難做大。所以以前我們看到斯特林發動機的應用場景很少，大家最熟悉的可能就是AIP潛艇使用的斯特林發動機。

其實潛用的斯特林發動機也是因為它的功率有限，只能作為輔助動力而無法作為主動力。所以我們會看到採用斯特林發動機的AIP潛艇，它的動力裝置有三種，一種是柴油機，用於提供水面或通氣管狀態的大功率的動力源，說白了用來發電的；一個是電池加電動機，這是用於水下推進的；再有就是我們說的斯特林發動機了。一艘潛艇搞三種動力，顯然太麻煩，又佔地又浪費重量，但是沒辦法，誰讓斯特林發動機做不大呢。

如果斯特林發動機做大了，會怎麼樣呢？假如就像報道當中所講到的，兆瓦級的斯特林發動機出來了。所謂兆瓦就是千千瓦，達到這樣的功率可以產生什麼效果呢？潛艇可以不要柴油機了，裝上4~6臺斯特林發動機就行了。水面航行的時候，用空氣中的氧氣，水下航行的時候，用液氧，這樣一來，一艘潛艇上三種動力裝置的狀態就可以簡化為一種了。想想有多美吧。

如果再往深裡想一想的話，外燃機只需要有熱源就可以了。至於熱源本身是什麼樣的形式，對外燃機來說都不重要。所以斯特林發動機是可以和核供熱裝置相結合的。

以往我們看到的核動力都是使用“燒開水”的辦法，把熱能轉化為機械能，轉化為電能。“燒開水”的這一套東西，現在大量使用的是蒸汽輪機。這個東西體積和重量是很難壓縮下來的，因為兩個巨大的熱交換器都擺在那兒了，他們一個是鍋爐，一個是冷凝器。而燃氣輪主機雖然也不小，但是和這兩個交換器比起來，都是小兒科了。能不能把核動力裝置做小呢？核反應堆是可以做小的，以現在可以看到的技術，把核反應堆做成麻將桌大小是沒問題的。問題是核反應堆做小了，後面的蒸汽輪機做不小，整個動力裝置還是小不了。但是大缸徑的斯特林發動機就提供了這種可能。既然蒸汽輪機做不小，我不用蒸汽輪機了，我用斯特林發動機。那一下子就可以它做小了，那麼核動力裝置整體就變小了。這實際上就是很多軍迷心心念唸的“小堆”核潛艇。

講到這兒，應用前場景翻來覆去地講的都是潛艇。能不能換一個其他的應用場景呢？當然能，更高大上的就是在航天領域。航天器在太空中執行，什麼東西最要命呢？能源、電力最要命。現在絕大多數用的都是太陽能電池帆板，靠著那點太陽光和麵積有限的太陽能帆板產生的電能能有多大？就這一點能量你能幹多少事？核能就不一樣了。

但是要把核能轉化為電能，用地面上使用的“燒開水”的那一套辦法顯然不行，因為航天發射對重量、體積太敏感了。但換成斯特林發動機就有了這種可能性了。想想看吧。一艘飛船上有一個微型核反應堆，配上斯特林發動機，再加上發電機，這一套動力源達到兆瓦的級別，那就能幹不少事了。再配上等離子體火箭發動機，想想都不要太美。如果換個角度往接地氣的方面來講。目前我們用的汽車絕大多數都是內燃機，將來換成斯特林發動機，不爽嗎？當然爽了，什麼酒精，甲醇、天然氣、氫隨便燒。如果不是為了實現“碳達峰”“碳中和”，你直接燒煤都可以。

講到這兒有人可能會問，你為什麼開始就講了那麼多的潛艇的應用場景呢？你注意看一看，這個東西的研發方711所，還有一個通俗的名字，叫上海船用柴油機研究所。

關於斯特林發動機的原理，如果說用文字來表述確實很難。我在文章當中配了一個圖，可能還是看不太清楚。其實我在頭條上看到有一位公號叫做“水牛愛科技”的朋友在4個月前發了一個東西。東西的名字叫“用針筒現場還原斯特林發動機，點火就能動，太直觀了，真是天才”。

裡面有一段小影片，就是他用斯特林發動機原理做的這一套小裝置，也就是說，他說的那個點火就能動的東西做得太巧妙了，簡單直觀，一看就能懂。尤其很絕的，他把那一套複雜的曲柄連桿加飛輪的結構，用一個簡單的小鋼珠就給替代了。真是“高手在民間”，推薦給大家看一看，斯特林發動機的原理也就懂了。

至於為什麼我說如果斯特林發動機做到兆瓦級別就可以完全取代常規潛艇上的柴油機，甚至連蓄電池組都可以不要，或者只要一點點就夠了呢？給大家算筆賬吧。一兆瓦就是1000千瓦，我說用4~6臺這樣的斯特林發動機，那就是4000千瓦到6000千瓦的總功率。這個功率能夠做到什麼水平呢？可以把一艘1500~2000噸的常規潛艇推到差不多20節的速度。這樣一來，柴油機就完全可以省掉了。與此同時，常規潛艇的電池組也可以不要了，因為單憑斯特林發動機就足以跑到20節了。

而斯特林發動機在通氣管狀態，可以用空氣中的氧氣來燃燒。水下的話，只要用液氧就好了。省出來幾百噸電池的排水量，用來裝液氧綽綽有餘。而燃料呢？就用之前柴油機使用的柴油可以了。這樣一來，整個動力裝置大幅度簡化。而且水下最大航速，跑到18~20節是沒有問題的。這個18~20節和現在常規潛艇的18~20節完全是兩碼事。因為現有的潛艇20節是靠電池跑出來的，跑這個速度撐死了一個半小時到頭了。而現有的AIP潛艇說是可以水下跑上一個禮拜，但是那個速度基本上是龜速。而現在這樣的大功率斯特林的話，這個水下最大航速可以長時間持續的。想想這有多美。

有人會問斯特林發動機噪音，是不是要比水下用電池加電動機的大呢？可能會大一點，但是絕不會大很多。因為斯特林發動機它的原理和內燃機是不一樣的。內燃機的燃燒是有一個爆轟的過程，但我們看到斯特林發動機的原理就可以看到，它的這個燃燒和做攻的過程要“溫柔”得多。所以工藝上控制得好的話，噪音可以做到相當相當的低。而且其他的減震措施可以用上去，像減震浮閥等等。因為去掉了柴油機，去掉了電池組，你省出來的重量是大把的。