斯特林放射性同位素发电机

放射性同位素动力系统 (RPS) 是一项使能技术，用于挑战 NASA 的太阳系探索任务，前往太阳能微弱或间歇性目的地，或者灰尘等环境条件可能限制任务实现其科学或运营目标的能力的目的地。 RPS 使用二氧化钚形式的钚 238 (Pu-238) 的自然放射性衰变产生的热量。 过去在太空中使用的所有 RPS 都是放射性同位素热电发电机 (RTG)，它使用金属热电偶将核燃料的热量转化为电能，不使用任何移动部件。 目前可用的 RPS，即多任务放射性同位素热电发电机 (MMRTG)，其使用寿命初期的转换效率约为 6.3%。

利用热机的动态 RPS 的效率可能是 RTG 的三倍，这将使 RPS 使用大约三分之一的 Pu-238 产生类似的功率。 动态 RPS 也有可能提供比 RTG 更高的比功率，这意味着它们将提供每千克系统质量更多的功率。 这些功能可以扩展美国能源部保留用于 NASA 任务的热源钚供应的效用，并为未来的 NASA 任务提供新的或更强大的概念。

可能对空间应用有用的热机热力学循环包括斯特林、布雷顿、朗肯和爱立信。 基于这些循环的发动机可以与交流发电机耦合，以提供“转换器”，将放射性同位素热源能量转化为航天器的电能。 动态 RPS 的潜在缺点是存在移动部件。 然而，来自长期测试的分析研究和实验证据表明，活动部件的存在并不排除较长的设计寿命。 通过非接触式轴承和密封件的设计，这些类型的循环可以在没有任何磨损机制的机器中实现。 消除磨损机制是 NASA 任务所需的长寿命连续运行的先决条件。 非接触式密封可以通过使用紧公差制造的紧密间隙来实现。 有了这个，组件的设计就属于标准工程挑战的范畴，对于这些挑战，存在实现所需寿命的方法。

自 1970 年代初以来，斯特林和布雷顿循环技术的开发一直在美国宇航局格伦研究中心（前身为美国宇航局刘易斯）进行。 最近的两个飞行系统项目专注于开发用于航天飞行的小型自由活塞斯特林转换器，但随后被取消。 斯特林放射性同位素发生器 (SRG-110) 使用挠性轴承斯特林转换器，产生 110 瓦的电力。 该项目原计划建造一个高保真工程单元，当它被重定向到改变为气体轴承斯特林转换器以提高整体性能（在效率和比功率方面）时。 该项目的重新定向导致名称更改为高级斯特林发射性同位素发电机 (ASRG)。 SRG-110 在 2001 年至 2006 年之间开发，ASRG 在 2006 年至 2013 年之间开发。由于 NASA 预算限制，ASRG 项目于 2013 年被取消。

2020 年，美国宇航局格伦斯特林研究实验室的自由活塞式斯特林功率转换器达到了 15 年的免维护和无退化累积运行。 这一持续时间等于 MMRTG 的运行设计寿命，代表了旨在探索外行星或更遥远的柯伊伯带天体的典型任务概念。 这个单元称为技术演示转换器 (TDC) #13，是几个没有显示退化迹象的转换器中最古老的。

自 2017 年以来，NASA Glenn 的 NASA 放射性同位素动力系统计划继续为xxx个在太空飞行的动态 RPS 开发多项候选技术，包括基于创纪录的 TDC #13 和基于气体轴承的斯特林转换器的设计 在 ASRG 中使用。 小型涡轮布雷顿系统也在技术开发中。 正在进行的动态转换技术开发工作已经出现了几种 100-500 瓦的可行发电机设计。 近期，作为 NASA Artemis 计划一部分的使用动态 RPS 的月球演示任务可能是 DRPS 首次用于航天飞行的机会。 在月球着陆有效载荷中使用 DRPS 将使它能够在寒冷的两周月夜或月球两极附近xxx阴影的陨石坑中生存并高效运行。