冶文蓮，孫述澤，陳鵬帆，楊山舉*

（1.西北農(nóng)林科技大學機械與電子工程學院，陜西 楊凌 712100；2.蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點實驗室，蘭州 730000；3.西安交通大學能源與動力工程學院，西安 710049）

0 引言

隨著空間技術(shù)的快速發(fā)展和空間應用需求的不斷擴大，美國、歐洲、日本、俄羅斯、印度等國家和組織提出了一系列的深空探測計劃，我國也制定了相應的航天事業(yè)發(fā)展規(guī)劃，將月球探測、火星探測、空間站等任務(wù)提上重點研發(fā)日程。各國均開展了關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，其中對關(guān)鍵保障技術(shù)——空間電源提出了更高的要求[1-3]。常規(guī)的空間電源裝置，如太陽能光伏電池和蓄電池均不能滿足新的要求。由于核電源系統(tǒng)具有高可靠、長壽命、受光照影響不顯著等優(yōu)點，成為目前空間任務(wù)的優(yōu)選方案?？臻g核電源系統(tǒng)通常采用靜態(tài)（放射性同位素溫差發(fā)電器）或者動態(tài)熱電轉(zhuǎn)換裝置（如自由活塞斯特林發(fā)電系統(tǒng)）。然而，前者作為一種靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換裝置，轉(zhuǎn)換效率和能量密度較低，無法滿足大功率需求。而后者可用放射性同位素或核熱驅(qū)動，具有高可靠、結(jié)構(gòu)簡單、啟動快、質(zhì)量輕等優(yōu)點，且在溫度比為2～3時轉(zhuǎn)換效率高達35%，效率和比功率明顯高于傳統(tǒng)的發(fā)電設(shè)備，可滿足空間站、月球探測、火星登陸等航天任務(wù)的需求，受到世界航天強國的密切關(guān)注。因此，自由活塞斯特林發(fā)電機將成為空間電源系統(tǒng)的主流。

自由活塞斯特林發(fā)電機由斯特林發(fā)動機和直線電機組成。由動力活塞和配氣活塞構(gòu)成自由活塞斯特林發(fā)動機的諧振系統(tǒng)，取消了傳統(tǒng)斯特林發(fā)動機的曲軸連桿機構(gòu)，兩活塞之間無機械約束。這種特殊結(jié)構(gòu)使其具有以下幾方面的優(yōu)勢：（1）配氣活塞和動力活塞自由運行于工質(zhì)和彈簧之間，因而機械效率高；（2）兩活塞與氣缸間采用非接觸間隙密封，具有長壽命、高效率和高可靠的特點；（3）兩活塞做往復直線運動，工作腔與大氣隔絕，因而噪音小、振動小。因此，自由活塞斯特林發(fā)動機在未來空間飛行任務(wù)中有著廣泛的應用前景。美國的Infinia、Sunpower、MTI等公司在自由活塞斯特林發(fā)動機研制方面開展了大量的理論與系統(tǒng)性能測試研究，可靠性和壽命基本滿足工程應用要求，部分樣機性能已達到飛行驗證階段。

本文系統(tǒng)總結(jié)了自由活塞發(fā)動機在放射性同位素發(fā)電裝置和核裂變電源系統(tǒng)中的研究進展，并根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，總結(jié)關(guān)鍵技術(shù)，簡要介紹了自由活塞斯特林發(fā)動機在熱力學分析、多目標優(yōu)化以及動力學方面的理論研究進展，最后針對目前國內(nèi)研究現(xiàn)狀提出了幾點思考。

1 自由活塞斯特林發(fā)動機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

自1964年發(fā)明自由活塞斯特林發(fā)動機（free piston Stirling engine，F(xiàn)PSE）以來，國外多家研究機構(gòu)，如美國的Sunpower公司、Infinia公司（原STC公司）、MTI公司、LMSC公司、美國航空航天局（NASA）和美國能源部（DOE）等投入大量科研人員和研究經(jīng)費開展理論研究和樣機研制。其空間應用主要集中于放射性同位素發(fā)電和核裂變發(fā)電系統(tǒng)，前者主要為深空探測、空間站以及火星探測等飛行任務(wù)提供電力，后者主要用于星球表面大功率的發(fā)電系統(tǒng)。空間自由活塞特林發(fā)動機的研究至今已經(jīng)50多年，主要經(jīng)歷了三個階段：

1.1.1 第一階段——空間核反應堆動力系統(tǒng)

“空間核動力系統(tǒng)（SP-100）項目”始于1983年，該項目分為空間動力演示發(fā)動機（space power demonstrator engine，SPDE）和組件測試動力轉(zhuǎn)換器（component test power convertor，CTPC）兩個階段[4-7]。自由活塞斯特林發(fā)動機采用γ型結(jié)構(gòu)，雙臺斯特林發(fā)動機對置布置，且共用一個膨脹腔，利用氣體靜壓軸承和間隙密封技術(shù)實現(xiàn)氣體彈簧的徑向/軸向支撐，樣機設(shè)計功率為25 kW。1984-1987年，由美國NASA和MTI公司聯(lián)合開發(fā)的空間動力演示樣機（SPDE）主要驗證雙臺發(fā)動機對置的可行性，樣機實物如圖1所示[6]。熱端采用熔鹽加熱（溫度630 K），冷端為水冷（溫度315 K），系統(tǒng)效率22%，質(zhì)功比12.7 kg/kW。

圖1 空間動力演示發(fā)動機Fig.1 Space power demonstrator engine

為進一步驗證整機的高溫運行情況，研制了組件測試動力轉(zhuǎn)換器（CTPC），實物如圖2所示[7]。此時熱端溫度由630 K提高至1 050 K，工作頻率由105 Hz降至70 Hz，設(shè)計壽命60 000 h。該系統(tǒng)中熱源采用電加熱鈉熱管，冷卻器采用油循環(huán)冷卻。隨后，MTI公司完成了斯特林發(fā)動機縮比模型的研制，以評估整機比功率和效率。SP-100項目終止于20世紀90年代初期，實際CTPC樣機運行壽命小于1 500 h。

圖2 組件測試動力轉(zhuǎn)換器Fig.2 Component test power convertor

1.1.2 第二階段——基于自由活塞斯特林發(fā)動機的放射性同位素發(fā)電裝置

20世紀90年代中期，百瓦級斯特林發(fā)動機與放射性同位素熱源組成的電源系統(tǒng)成為空間電源的主要研究方向[8-11]。美國Infinia公司先后開發(fā)了技術(shù)演示轉(zhuǎn)換器（technology demonstration convertor，TDC）和先進同位素斯特林發(fā)電器（advanced Stirling radioisotope generator，ASRG）。其中，TDC采用γ型結(jié)構(gòu)自由活塞斯特林發(fā)動機，兩臺55 W斯特林發(fā)動機對置布置，系統(tǒng)比功率為3.6 W/kg，整機設(shè)計壽命大于100 000 h，滿足14年的長壽命需求，實物如圖3所示[8]。經(jīng)過前期的積累，對自由活塞斯特林發(fā)電系統(tǒng)關(guān)注點由先前的自由活塞斯特林發(fā)動機單機運行性能和可靠性的提升轉(zhuǎn)向整機的系統(tǒng)集成研究。洛克希德馬丁公司和Infinia公司聯(lián)合研制了用于深空探測的SRG110斯特林發(fā)電機。發(fā)動機組熱源為放射性同位素，采用動鐵式線性電機，結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示[9]。截止2006年，整機試驗的累計運行時間已達111 000 h，已超設(shè)計壽命值。為滿足未來深空探測任務(wù)需求，在NASA的SBIR項目資助下，Sunpower公司于2004年設(shè)計研發(fā)了型號為EE-35和EE-80的自由活塞斯特林發(fā)動機，裝置采用雙缸對置結(jié)構(gòu)，兩種斯特林發(fā)動機的性能參數(shù)如表 1所列[10-11]。

圖3 對置式技術(shù)演示轉(zhuǎn)換器Fig.3 Protype of TDC

圖4 Infinia SRG110斯特林放射性同位素電源Fig.4 Infinia SRG110 Stirling radioisotope power

表1 EE-35和EE-80自由活塞斯特林發(fā)動機性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of free piston Stirling engines

基于EE-80斯特林發(fā)動機的研制基礎(chǔ)，Sunpower公司于2006年開展“先進斯特林轉(zhuǎn)換器”的研制，以開發(fā)高效、高比功率、高可靠和小質(zhì)量的自由活塞斯特林發(fā)動機，該項目分三個階段進行[12-14]：

（1）第一階段：驗證高頻運行斯特林樣機（frequency test bed，F(xiàn)TB）的可行性。測試結(jié)果顯示：溫度比3，運行頻率105 Hz時，輸出功率大于80 W，轉(zhuǎn)換效率36%，比功率8 W/kg，樣機實物如圖5所示[11]。（2）第二階段：驗證熱頭材料MarM-247在1 123 K時的性能，即高溫長壽命的運行可實現(xiàn)性。Sunpower公司采用耐溫更高的熱頭材料，研制了4臺ASC-I斯特林發(fā)電機，結(jié)果顯示：當熱頭材料選用MarM-247、溫度比約3時，輸出功率88 W，整機效率可達38%，樣機實物如圖6所示[12]。（3）第三階段：采用整體密封式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高溫運行整機的輕量化設(shè)計，進一步驗證密封結(jié)構(gòu)斯特林發(fā)電機性能。

圖5 FTB測試樣機Fig.5 FTB test machine

圖6 4臺ASC-1測試機實物Fig.6 ASC-1 protype of test machine

美國能源部DOE、NASA、LM等公司開展了先進同位素斯特林發(fā)電器ASRG的研制，采用β型自由活塞斯特林發(fā)動機，直線電機為動磁式結(jié)構(gòu)，優(yōu)化改進性能后效率35%，比功率達10 W/kg。隨后通過不斷改進熱頭材料，完成了型號為ASC-E、ASC-E2以及ASC-E3斯特林發(fā)動機的研制，開展了整機性能的可靠性和壽命測試，實物如圖7[13]和圖8[14]所示。上述三個階段研制的自由活塞斯特林發(fā)動機性能參數(shù)如表2所列。

圖7 ASC-E2結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of ASC-E2

圖8 ASC-E3測試樣機Fig.8 Testing machine of ASC-E3

1.1.3 第三階段——基于自由活塞斯特林發(fā)動機的核裂變電源系統(tǒng)

2004年1 月，美國提出了重返月球計劃。這一計劃對空間電源系統(tǒng)提出了更高要求，功率需求從幾kW到50 kW。針對月球和火星探測需求，NASA制定了4步研究計劃[15]。2007-2008年之間，Sunpower公司研制了兩臺功率為1 kW的P2A斯特林發(fā)動機，采用氣體燃燒熱源，輸出功率為1.1 kW，頻率50 Hz，效率31%，并對不同運行參數(shù)下的整機性能進行了測試[16]。隨后，馬歇爾空間飛行中心MSFC對P2A進行了二次結(jié)構(gòu)優(yōu)化，去除了鈉鉀液態(tài)金屬流體熱源，采用電加熱方式。此外，Auburn University和Foster Miller公司繼承了CTPC的設(shè)計經(jīng)驗，研制了氣體彈簧支撐的10 kW對置式斯特林發(fā)動機[17]，結(jié)構(gòu)如圖9所示。

表2 三個階段研制的自由活塞斯特林發(fā)動機設(shè)計參數(shù)Tab.2 Design parameters of FPSE developed in three stages

圖9 10 kW斯特林發(fā)動機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic diagram of 10 kW free piston Stirling engine

在以上研究成果的基礎(chǔ)上，NASA于2010年設(shè)計了12 kW的對置式空間大功率斯特林發(fā)動機，當鈉鉀流體側(cè)熱端溫度為850 K、運行頻率為60 Hz時，對置的兩臺斯特林發(fā)動機輸出功率分別為6 109 W和6 048 W，轉(zhuǎn)換效率分別為26.5%和24.4%[18-19]，實驗系統(tǒng)如圖10所示。2011年，NASA將對置樣機與鈉鉀液態(tài)流動循環(huán)、電控系統(tǒng)、多層面板散熱器等進行系統(tǒng)集成，開展了綜合性能測試[20]。

圖10 12 kW自由活塞斯特林發(fā)動機實物[18]Fig.10 Protype of 12 kW free piston Stirling engine[18]

由上述國外自由活塞斯特林發(fā)動機研制情況得知，其發(fā)展過程體現(xiàn)為：

（1）斯特林發(fā)動機結(jié)構(gòu)型式多樣化：為減小配氣活塞與氣缸、動力活塞與氣缸間的磨損以及提高整機運行可靠性，采用板彈簧支撐、氣體靜壓軸承、β及γ型結(jié)構(gòu)FPSE、間隙密封及雙臺對置共用膨脹腔等多種設(shè)計方案；

（2）輸出功率及應用范圍的不斷擴大：由于單機輸出功率有限，并考慮到振動因素，通過多臺并聯(lián)或串聯(lián)方式，使得系統(tǒng)輸出功率達到幾十千瓦甚至百千瓦，可滿足月球、火星、空間站等應用需求；

（3）由單機走向系統(tǒng)集成：研究重點由最初的單機性能測試、原理樣機研制逐步過渡到工程樣機，再到飛行驗證階段，最終發(fā)展到多臺集成與控制等方向。

圖11總結(jié)了國外自由活塞斯特林發(fā)動機研制發(fā)展過程。

圖11 國外自由活塞斯特林發(fā)動機發(fā)展過程Fig.11 Development progress of free piston Stirling engine abroad

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)自由活塞斯特林發(fā)動機還處于起步研究階段，相關(guān)基礎(chǔ)理論和技術(shù)相對比較薄弱，研制水平落后于發(fā)達國家。從現(xiàn)有文獻來看，蘭州空間技術(shù)物理研究所正在開展空間斯特林發(fā)電機的研制，分別于2012年、2020年完成“T”型以及β型結(jié)構(gòu)110 W、1 000 W自由活塞斯特林發(fā)動機原理樣機研制，并開展了整機性能測試，尚未公布具體參數(shù)[21-22]。中電16所、中國科學院理化技術(shù)研究所研制了多款自由活塞斯特林發(fā)動機原理樣機[23-26]，研制情況如表3所列。其他研究機構(gòu)，如哈爾濱工業(yè)大學、上海理工大學、南京航空航天大學、華中科技大學等在自由活塞斯特林發(fā)動機研究方面也做了許多有益的工作[27-30]。

表3 中電16所和中國科學院理化技術(shù)研究所自由活塞斯特林發(fā)動機研制情況Tab.3 Development of free piston Stirling engine

2 關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)近幾十年來自由活塞斯特林發(fā)動機的研究進展，國內(nèi)外研制單位采用的關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)如下：

2.1 自由活塞斯特林發(fā)動機性能的多目標優(yōu)化技術(shù)

由斯特林發(fā)動機運行機理得知，影響其性能的參數(shù)眾多，主要包括運行參數(shù)（充氣壓力、冷熱端溫度）、熱力學（回熱器、冷卻器和加熱器結(jié)構(gòu)尺寸等）與動力學參數(shù)（板彈簧剛度、活塞阻尼、負載阻尼等）。如何在眾多參數(shù)中優(yōu)化關(guān)鍵參數(shù)使整機性能達到最佳，成為近幾年國際研究熱點。目前單目標參數(shù)設(shè)計方法已無法滿足斯特林發(fā)動機的高效率需求，需采用多種方法或算法開展整機性能多目標參數(shù)的綜合優(yōu)化研究，為整機的運行和結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計提供理論依據(jù)。

2.2 自由活塞斯特林發(fā)動機熱-動力學耦合技術(shù)

自由活塞斯特林發(fā)動機作為一種多自由度振動系統(tǒng)，運動部件間采用氣動連接方式，影響系統(tǒng)熱-動力學性能的因素有配氣活塞和動力活塞質(zhì)量、支撐活塞彈簧剛度、負載阻尼等，且因素之間相互影響。因此，針對自由活塞斯特林發(fā)動機熱-動力學耦合技術(shù)的研究，重點在于如何將兩者有效耦合。通過建立斯特林發(fā)電機熱-動力學耦合模型，分析多參數(shù)對性能影響規(guī)律，為整機熱-動力學參數(shù)設(shè)計提供指導。

2.3 長壽命間隙密封技術(shù)

間隙密封可有效保證斯特林發(fā)動機相對高速、高頻運動部件的非接觸運行，使運動部件間長期處于無磨損運行狀態(tài)，是保證斯特林發(fā)動機能否長壽命、高可靠運行的關(guān)鍵。因此，需針對自由活塞斯特林發(fā)動機內(nèi)部運動部件尺度大、整機運行頻率高、活塞與氣缸間間隙尺寸小等問題，并根據(jù)不同結(jié)構(gòu)斯特林發(fā)動機，開展板彈簧的優(yōu)化設(shè)計、整機全板彈簧支撐、活塞與氣缸動態(tài)仿真模擬和板彈簧組裝工藝等技術(shù)研究。

2.4 氣體靜壓軸承技術(shù)

空間自由活塞斯特林發(fā)動機壽命和可靠性是制約其廣泛應用的技術(shù)瓶頸，其主要影響因素源于部件運行時造成的摩擦和磨損。靜壓氣體軸承作為新型的活塞高效支撐技術(shù)，有效消除了運行部件間的磨損?；钊鶑瓦\行時，活塞與氣缸間形成壓力氣膜，從而減小了活塞與氣缸間的接觸摩擦，使整機滿足長壽命、高可靠的要求。因此，需開展氣體靜壓軸承的動/靜態(tài)特性、靜動態(tài)平衡工藝和承載特性實驗等研究。

3 理論研究進展

自由活塞斯特林發(fā)動機內(nèi)部工作機理涉及傳熱學、熱力學、流體力學、振動力學和電磁學等多方面的問題，內(nèi)部工質(zhì)流動極為復雜。對于整機的設(shè)計與優(yōu)化，需要準確的理論分析模型，而熱力學分析方法是整機設(shè)計和后期多目標優(yōu)化與動力學分析的理論基礎(chǔ)。下面從熱力學分析方法、多目標優(yōu)化方法及動力學分析三個方面做簡要介紹。

3.1 熱力學分析方法

根據(jù)Martini命名法，斯特林循環(huán)的熱力學分析方法包括零級、一級、二級、三級和四級。文獻[31]中對各種方法進行了簡要介紹，本文不做展開說明。Tavakolpour-Saleh等基于施密特分析模型，加入換熱器的不完全換熱模型，揭示了自由活塞斯特林發(fā)動機工質(zhì)溫度與整機性能的影響機理，并通過實驗驗證了模型的有效性[32]?；赟imple模型和有限速度模型，Hosseinzade等提出了精度更高的Simple II、多變有限速度熱力學和組合絕熱有限速度等模型，與實驗結(jié)果的相對誤差小于20%?；诠?jié)點分析模型，Gedeon編制了斯特林機商用軟件GLIMPS和Sage。陳曦等[33]利用Sage軟件建立了Re-1000自由活塞斯特林發(fā)動機熱力學模型，并與實驗結(jié)果進行對比，證明其準確性。張志國等[34]對一臺設(shè)計功率為55 W的γ型自由活塞斯特林發(fā)動機進行了二維模擬，將結(jié)果與Sage計算結(jié)果對比，結(jié)果顯示其具有較好的吻合度。

由上述斯特林發(fā)動機熱力學分析方法研究進展得知，熱力學分析主要集中于二級和三級分析法。其中，二級分析法相對簡單快速，可對整機內(nèi)部關(guān)鍵部件開展深入分析，精度相對較高；三級分析法中各部件采用模塊化連接，適用于多參數(shù)影響的斯特林發(fā)動機熱力學性能多目標優(yōu)化分析；四級分析法可直觀地觀察發(fā)動機內(nèi)部工質(zhì)溫度場、壓力場等變化情況，但耗時長、計算量大，且涉及多場分布，目前未得到廣泛應用。

3.2 多目標優(yōu)化方法

影響斯特林發(fā)動機性能的因素很多，如何在眾多參數(shù)中獲得優(yōu)化參數(shù)組合，使得輸出功率、熱效率或者其他性能達到較優(yōu)，成為近年國際研究熱點，這其中多目標優(yōu)化研究尤其受到重視。目前，多目標優(yōu)化方法已廣泛應用于斯特林發(fā)動機輸出性能的預測。Rao等[35]建立了TLBO優(yōu)化算法，將斯特林發(fā)動機輸出功率最大、壓力損失最小和熱效率最大作為性能優(yōu)化目標，并將此種算法與其他算法（LINMAP、TOPSIS和模糊Bellman-Zadeh算法）進行對比。Dai等[36]以發(fā)動機的輸出功率、熱效率以及生態(tài)性能系數(shù)作為優(yōu)化目標，采用多目標粒子群優(yōu)化算法-MOPSOCD開展性能的多目標優(yōu)化分析。Punnathanam等[37]采用了NSGA-II和遺傳算法對斯特林發(fā)動機的輸出功率、熱效率和熵產(chǎn)率開展了優(yōu)化分析，并進一步驗證了采用該方法的有效性。Mou等[38]采用無量綱功率對自由活塞斯特林發(fā)動機的熱源溫度、相位角和頻率等參數(shù)進行了優(yōu)化。Ye等[39]建立了響應面和滿意度函數(shù)的斯特林發(fā)動機多目標優(yōu)化模型，構(gòu)建了輸出功率、轉(zhuǎn)換效率和效率的定量預測關(guān)系。

由上述可知，對斯特林發(fā)動機性能進行單目標及多目標優(yōu)化的方法較多，主要優(yōu)化目標包括輸出功率、熱效率效率、壓力損失、生態(tài)性能系數(shù)和熵產(chǎn)率等，采用的方法有響應面分析法、NSGA-II、LINMAP、TOPSIS、遺傳算法、FYYPO、MOGWOs、TLBO、TS-TLBO等[40-41]。每種優(yōu)化方法均具有獨特的特點，應根據(jù)實際工況選擇合適的優(yōu)化方法或算法。

3.3 動力學研究進展

從上世紀60年代開始，國外研究學者開展了自由活塞斯特林發(fā)動機的動力學研究?；赟chmidt和節(jié)點分析降階模型，Choudhary[42]建立了弱非線性動力學方程，利用中心流形簡化方法求解微分方程，證實了系統(tǒng)中存在Hopf分岔的可能性。Sim等[43]建立了線性和非線性自由活塞斯特林發(fā)動機模型，開展了整機的動力學分析，得出了滿足線性系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件，獲取了阻尼的非線性參數(shù)以及整機穩(wěn)定運行時兩活塞的極限環(huán)。Zare等[44]采用遺傳算法建立了自由活塞發(fā)動機動力學分析模型，確定了兩活塞彈簧剛度、配氣活塞桿直徑等參數(shù)，并對整機輸出功率進行了參數(shù)影響分析。Nikolay等[45]采用絕熱模型建立了活塞振動方程，考慮了氣體彈簧、負載非線性因素，并利用特征函數(shù)法求解起振點。Majidniya等[46]采用等溫模型建立了Re-1000斯特林發(fā)動機的線性和非線性熱-動力學耦合模型，獲得穩(wěn)定運行狀態(tài)下兩活塞運動軌跡。Yang[47]建立了基于彈簧非線性的自由活塞斯特林發(fā)動機的動力學修正模型，揭示了活塞振幅、相位角以及運行頻率隨負載的變化規(guī)律。

上述研究人員在自由活塞斯特林發(fā)動機整機線性及非線性動力學建模、運行穩(wěn)定性和性能測試等方面取得了一定進展，提出了分岔和極限環(huán)的概念，采用不同模型、不同方法求解動力活塞和配氣活塞運動方程，得出活塞運行軌跡曲線，并對斯特林發(fā)動機關(guān)鍵參數(shù)——活塞振幅、運行頻率和輸出功率等進行預測。

4 結(jié)論

自由活塞斯特林發(fā)動機作為一種動態(tài)能源轉(zhuǎn)換機械，具有可利用效率高、長壽命和高可靠等優(yōu)點，在月球探測、空間站以及火星探測等領(lǐng)域具有良好的應用前景。國外經(jīng)過50多年的研究，已從原理樣機過渡到工程樣機，并進行了飛行驗證階段，在轉(zhuǎn)換效率、可靠性、壽命提升有系統(tǒng)集成方面做了大量的研究工作，目前已接近實際應用。我國對自由活塞斯特林發(fā)動機技術(shù)的研究起步較晚，尚處于理論研究及原理樣機研制階段。由于受到基礎(chǔ)工業(yè)和工藝水平的限制，我國在自由活塞斯特林發(fā)動機方面的研制水平與國外相比差距較大，因此可以從以下幾方面開展工作，為縮小我國與國外先進技術(shù)的差距提供可能性：

（1）開展深入的理論研究：自由活塞斯特林發(fā)動機涉及學科知識較多、系統(tǒng)復雜度高，需要有深入的理論基礎(chǔ)研究。例如：熱力循環(huán)分析、斯特林發(fā)動機內(nèi)部各項損失分析、多目標優(yōu)化分析、熱-動力學耦合分析、多物理場耦合分析、熱源與整機耦合模擬等。

（2）國內(nèi)優(yōu)勢單位聯(lián)合：從國內(nèi)研制情況來看，在關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)方面各研制單位之間合作較少，制約了自由活塞斯特林發(fā)動機研制水平的提高。需根據(jù)目前現(xiàn)狀，優(yōu)勢互補，確定各自的研究重點，著力加強關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，實現(xiàn)成果共享。

（3）制定詳細規(guī)劃及路線：從我國空間計劃發(fā)展角度看，急需制定詳細的研究規(guī)劃，結(jié)合現(xiàn)有斯特林發(fā)動機技術(shù)，通過建立單項及綜合性能測試平臺，進一步驗證斯特林發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)。

（4）多學科交叉融合：自由活塞斯特林發(fā)動機的研制涉及電磁學、傳熱學、機械、材料等多個學科，需吸收密封技術(shù)、精密加工技術(shù)和涂層技術(shù)等方面的研究成果，實現(xiàn)多學科的融合交叉，與斯特林發(fā)動機的具體研制緊密結(jié)合。