■袁中和

关于斯特林引擎的实验探究

■袁中和

AIP是air indepndentpropulsion的缩写，意即不依赖空气推进。指潜艇在水下不依赖外界的空气也能提供动力的能源系统。

中国AIP潜艇是“绿色核潜艇”，既有核潜艇的大巡航力又没有核潜艇潜在的危害和高成本。其已进入实用阶段的关键之一是斯特林引擎。

英国人斯特林(1790～1878年)最初发明将热能转化为机械能的装置，称为斯特林引擎，其模型如图所示：

一、斯特林引擎的构造和原理

斯特林引擎是通过怎样的构造使其运转起来，不通过耗氧燃烧直接将热能转化为机械能的呢？以下以下热上冷的情况为例，用手转动旋转板，观察各部分的运动情况及其效果。

如上图所示，大活塞(图中深色长方形所示)和小活塞(图中与曲轴连杆相连的小长方形所示)的运动是关键。工作活塞(小活塞)和替换活塞(大活塞)之间通过曲轴连接(90度连接)替换活塞气缸内的密闭空气被加热后，受热膨胀，从而推动工作活塞向外运动且使滑轮旋转；当工作活塞向外运动时，替换活塞被推入已加热的气缸内，热空气由于替换活塞的推进被压入冷却装置内并降温体积缩小，工作活塞又被重新推入气缸内，并保持滑轮旋转，而又使替换活塞向上运动，从而使冷却装置内的冷空气又注入热气缸内。

注意在整个运动过程中，大小活塞的运动方向总是相反的。

笔者制作的斯特林引擎如图所示

二、斯特林引擎的实验操作

1．动起来通过热水、冰、手掌的热度和气温四种温度制造温差。笔者制作的模型大约有30度左右的温差就可使引擎动起来。

斯特林引擎无法自动运转，需要对模型手动帮助。其旋转方向由温差决定，如上图所示。

2．热水实验将杯中装热水，把模型放在杯子上，稍等。

将旋转板轻轻旋转当模型开始工作时，旋转板会自动旋转。

3．冰实验

利用冰和空气的温差使模型运转，刚从冰箱中拿出的冰大约是零下10度，若此时空气温度不太低的话则可正常运转，冰可直接入在铝板上如图所示，将冰装入密封袋中操作起来会更方便。

4．放在手掌上实验

将冰放在铝板上，同时将模型放在手掌上，冰与手掌的温差，尽量将铝板贴紧手掌，另一支手最好支撑住这只手掌。

5．气温实验

利用手掌的体温与气温的温差，使模型运转，根据当时气温不同，手掌的热传递至气缸需要一些时间，尽量将下铝板紧贴手掌，尽量不要挪动手掌是关键。

由于斯特林引擎没有燃料爆燃的工作冲程，因此几乎不产生噪声和废气，绿色环保而且可无声航行，隐敝性非常好。

三、斯特林引擎的实际应用

斯特林引擎的结构和性能特点决定了其广泛的应用前景，这里仅就其在现代军事中的重要应用做一点简单说明。

常规柴电动力潜艇在水面航行时使用柴油机，水下航行则使用蓄电池。而蓄电池容量有限，潜航一段时间后就得上浮至通气状态，利用柴油机为蓄电池充电。而反潜设施在很远的距离就可探测到潜艇升出水面的通气管，因而被定位攻击。可见有限的续航能力是常规动力潜艇的致命弱点。

核动力潜艇可以有几乎无限的水下续航力，但它有着潜在的巨大危险性和高成本。

装备了AIP系统的常规潜艇被称之为“绿色核潜艇”，它不需要空气即可正常运行，既有较长的续航力，又没有核潜艇的巨大危险性和高成本，因而受到广泛重视。

四、教学中的应用

在传统的热学和力学教学中，对于模块单元的基础性内容是教学的重点，比如热机的四个冲程、曲轴连杆机构传动装置等等，但对于模块间的较深层次的跨接勾连却甚少突破，斯特林引擎的探究，不断对传统的基础内容(四冲程、能量转换)有所突破，而且对热学与力学这两大模块间的内在联系上有了全新的意义。

武汉市教科院）

责任编辑 姚远