2021年底，中国自行研发的斯特林发动机基础样机试验成功，一举成为世界上功率最高的斯特林发动机。有人专门比较了日本潜艇用的斯特林发动机，中国一台顶日本的四台。这个斯特林发动机到底有多强呢？有什么用呢？我是东城观星，应粉丝要求，跟大家聊聊斯特林发动机。
军迷朋友们恐怕都听说过，中国的很多潜艇，尤其是常规动力潜艇噪音还是偏大的，容易被发现。如果能把斯特林发动机应用到常规动力潜艇上，将会明显降低潜艇的工作噪音，让潜艇可以更安静地在水下潜行。同时斯特林发动机还可以支持潜艇长时间水下潜行，无需露出水面换气。因此世界很多国家都很重视斯特林发动机在潜艇中的应用。
一、斯特林发动机简单原理
斯特林发动机的原理，很多人都介绍过了，咱们再啰嗦两句。简单点说，就是一台内循环的外燃机。大家都听说过瓦特，他通过观察茶壶烧开水发明了蒸汽机。蒸汽机说白了就是利用气体膨胀做功的机器，需要从外面加热，所以叫外燃机。相对来说我们的汽车，汽油是在气缸内燃烧，用燃烧的热气推动活塞，也叫内燃机。
传统外燃机利用气体膨胀做功，但气体不能一直膨胀下去，因为越到后面力气越小，一直膨胀的意义并不大，所以会跟我们汽车用的内燃机一样，膨胀一次排泄一次废气。
斯特林发动机，也是外燃机，也是通过气体膨胀做功，但是膨胀完了以后，不会把废气排出去，而是送到另外一个气缸进行冷却压缩，冷却后的气体再送回来重新加热膨胀。如此循环往复，带动活塞对外做功。一般来说，加热气缸和冷却气缸温度差异越大，发动机效率越高。受材料和环境的影响，这类发动机和内燃机一样效率不会特别高，一般也就30%左右，好一些的能到40%以上。严格来说，达到40%的效率，已经超过绝大多数内燃机了。所以我们认为斯特林发动机比内燃机效率更高。
我给斯特林发动机打个比方，就跟咱们很多打工人的生活差不多。先在单位努力工作，挣到工资，然后冲进消费场所，把挣到的钱花掉，然后再回到单位工作挣钱，如此循环往复。
二、常规动力潜艇的苦恼
斯特林发动机相对于柴油发动机来说，工作效率高、工作噪音低、对燃料的要求低、维护更简单。看起来，简直是柴油发动机的完美替代者。但是，实际上，斯特林发动机早在1816年就已经发明出来了，200多年过去，不仅没有成为主流发动机，反而被严重边缘化了，可以想象这种发动机的缺点也是不少的。不过，风水轮流转，随着人类工艺水平的不断提高，理论研究的不断加深，新型的斯特林发动机已经成为很多领域的重要选项。尤其是常规动力的潜艇，世界各国都在积极研发应用斯特林发动机。
常规动力潜艇，是相对于核动力潜艇来说的。不使用核燃料的潜艇，基本上都是用化学能的潜艇。比如烧柴油的潜艇，利用柴油机驱动螺旋桨，或者利用柴油机发电然后再利用电能驱动螺旋桨。但是对于潜艇来说，柴油发动机有一个非常大的问题需要解决，那就是柴油燃烧需要空气，潜艇是个密闭空间自己携带的空气量有限。要么需要定期露出水面换气，要么就安装通气管伸出水面换气。由于需要依赖空气，潜艇就不能安心在水底下待着，安全性会受到影响。
为了摆脱这个缺点，人类发明了AIP潜艇，听好了可不是VIP，所谓AIP就是不依赖空气的动力装置。也就是，这类潜艇不再需要频繁换气，可以像核潜艇一样长时间在水底下工作。很多人也知道，斯特林发动机就是AIP潜艇专用的。但很多人恐怕不知道，其实柴油发动机也可以用到AIP潜艇上，蒸汽轮机可以，燃料电池也可以，甚至核动力也应该算作是AIP，AIP并不是斯特林专属的。
甚至还有一点，是大家容易忽略的。那就是普通斯特林发动机，也是依赖空气的。普通斯特林发动机，也需要化学能来加热，一般都是通过燃烧来加热，既然需要燃烧，那绝大多数燃料都是需要空气中的氧气的，也就是需要空气的。理论上真正不需要氧气的斯特林发动机还没有用到潜艇上呢。
三、斯特林发动机并非不可替代
AIP潜艇上的斯特林发动机之所以不依赖空气，并不是发明了什么新的化学反应，只是因为潜艇跟火箭一样自己携带了液态氧气。既然能携带液态氧气，那斯特林发动机可以工作，蒸汽轮机也可以工作，甚至柴油机经过改造也能工作，大家都一样在潜艇里采用闭式循环技术。只不过同样使用闭式循环技术的情况下，斯特林发动机的优势更大。
按说，蒸汽轮机也可以通过外部加热的方式工作，跟斯特林发动机差不多。但是，蒸汽轮机加热的是液态水，水变成蒸汽喷出带动涡轮旋转做功，现在的蒸汽轮机可比斯特林发动机功率高多了。但是在潜艇里也有缺点，因为蒸汽不能直接排掉，需要冷凝成水再循环回去加热。这样就大大增加了系统的复杂程度。同时，水本身的比热容就比较高，还要蒸发成水蒸气，要求必须有足够大的受热面积才行，否则产生的水蒸气量不足，根本无法推动涡轮旋转。这样的话，系统就会比较复杂。
跟蒸汽轮机一比，斯特林发动机的优势就来了。斯特林发动机内部使用的是高压气体，不是水。气体只要受热就会膨胀，水必须先变成蒸汽才能大幅度膨胀，显然斯特林发动机对加热的要求比使用水的蒸汽轮机小很多。
斯特林发动机虽然比柴油发动机成本高、体积大，技术成熟度也远远比不上。但是一旦柴油发动机搞成了闭式循环，光尾气处理系统就会非常复杂，它的尾气不能被海水完全吸收，需要回收利用一部分。更值得一提的是，柴油发动机的噪音实在是难以消除，斯特林发动机的噪音在这几种热机里面是最小的，这一点对于潜艇来说是非常重要的。
四、大功率斯特林发动机
斯特林发动机的最大缺点，就是功率比较低。大家都听说了日本的常规潜艇使用四台斯特林发动机才达到300多千瓦，只能让潜艇以四五节的速度缓慢前行。长时间水下保持静默没有问题，一旦有紧急任务，就只能靠电池里储存的那点电量来加速了。电量耗尽就必须露出水面通过柴油发动机发电储能，这不算是理想的AIP潜艇。
在这样的背景下，大功率的斯特林发动机就显得尤其重要了。中国刚研发的斯特林发动机一台就有320千瓦，可以让2000吨级的潜艇实现8节左右的经济航速。四台就是一千二百多千瓦，理论上就可以让2000吨级的潜艇实现12节以上的航速了，配合大功率电池组，还可以实现20节以上的最大航速。这样和传统潜艇相比才有一定的竞争优势，所以说这个发动机是一个里程碑性质的发动机，大家都夸他是有道理的。
更理想的斯特林发动机应该是800千瓦以上的功率，或者说是兆瓦级别的功率。四台一起工作可以实现20节左右的续航速度。如果再配合大功率蓄电池，还可以实现更强的机动性。那时候斯特林发动机将成为潜艇主动力，而不是现在的辅助动力。
五、题外话
当然，大家也不要把斯特林发动机想象成无可替代的。且不说核动力潜艇的巨大优势，就算是燃料电池AIP潜艇，从性能上也是可以领先斯特林潜艇的。燃料电池效率更高，而且电池本身没有噪音，比斯特林的低噪音更低。目前主要是成本高、氢气储存比较困难，限制了它的发展。未来一旦在这方面实现突破，燃料电池AIP潜艇很可能掩盖住斯特林潜艇的光环。
同时也要说一句，大家千万不要以为中国的斯特林发动机举世无双，从技术成熟度上来说，还是瑞典更强一些，毕竟人家是最早商业化的，很多国家的潜艇都跟人家买斯特林发动机，包括我们前面提到的日本潜艇，使用的就是瑞典公司的产品。从功率上来说，不止中国在研发大功率斯特林发动机，世界上很多国家都在研发，500千瓦、800千瓦的研究项目还是挺多的，甚至已经有公司在动手研发单台2100千瓦的斯特林发动机了，大家也就是前后脚的事情，不存在遥遥领先一说。
虽然没有一味夸奖斯特林发动机，但是中国突破320吨级斯特林发动机的价值还是很高的，大家可以讨论一下中国潜艇下一步的发展方向，320吨级斯特林发动机什么时候能用到潜艇上呢？
强调一下，斯特林发动机的优点还有很多没有说，它的应用场合非常多，尤其在航天领域应用价值非常高，下一期咱们再专门介绍一下这类发动机。我是东城观星，欢迎继续关注，咱们下周见。
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