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近年来随着新一轮空间探索热潮的兴起,空间探索任务要求执行的周期越来越长,这就使得执行空间探索任务的航天器对能源的需求越来越高。自由活塞斯特林发动机是一种外部加热的闭式循环活塞式发动机,具有长寿命、高可靠性、高效率和高比功率等优点,特别适合于空间探索任务的需要。因此,对空间热发电应用的自由活塞斯特林发动机的研究具有十分重要的意义。本文首先对有效功率为200 W的自由活塞斯特林发动机进行初步设计,确定自由活塞斯特林发动机换热系统的基本参数。以自由活塞斯特林发动机的初步设计方法为基础,结合理想绝热模型与Simple分析法,完成了基于Matlab平台的自由活塞斯特林发动机参数设计可视化软件的开发。利用该软件对自由活塞斯特林发动机的主要参数进行了优化及分析,通过多目标优化设计方法得到其全局最优设计参数。为了减小数值计算中模型的网格量和缩短计算周期,设计了有效功率为15 W的斯特林发动机,其设计参数作为研究热管式辐射冷却器的依据。其次,建立了自由活塞斯特林发动机热管式辐射冷却器的物理模型。通过FLUENT软件的动网格技术模拟了自由活塞斯特林发动机内工质气体的振荡流动,分析辐射冷却器的动态换热特性及流动阻力特性。研究发现热管蒸发段总换热量周期性变化的相位总是略微滞后于平均速度的相位和略微超前于平均温度的相位;辐射冷却器热管在某一迎风间距与顺风间距下蒸发段的综合换热性能最好时,发动机的综合效率也最高;适当减小热管的迎风间距与顺风间距,有利于平衡每对热管蒸发段的换热能力,使蒸发段换热量均匀分布;热管对数越多,靠近冷却器出口处的热管蒸发段换热能力越差。最后,研究了表面发射率、辐射板厚度及材料对辐射冷却器辐射散热效率的影响。结果显示,单位面积的辐射散热量Qout/A随表面发射率的增加基本呈线性增加;而单位辐射散热量所需质量M/Qout与表面发射率呈反比。以固定散热量为约束条件,优化分析了辐射表面的温度分布及散热效率:当总散热量一定时,在优先考虑M/Qout最小的前提下,不同的辐射板厚度都有对应的最优辐射表面长宽比;相比钛合金与纯铝作为辐射板材料,镁合金材料辐射板的M/Qout是钛合金材料的一半,同时也小于纯铝材料。因此,辐射板采用镁合金材料最为合适。