1.课题背景及意义
在1816年，苏格兰牧师罗伯特·斯特林首先发明了斯特林发动机，工作流体为空气，于是也称为热气机。但随着内燃机和电动机的相继问世，斯特林发动机受限于当时的材料及制造水平，加热器和回热器等换热器的换热效果一直很差，很快就被内燃机和之后出现的汽轮机所取代而没有得到进一步发展。直到20世纪中叶，随着回热器的发明，斯特林发动机的效率已经能与内燃机相媲美。作为典型的外热式动力机械，斯特林发动机对热源无与伦比的适应性，使其成为内燃机的有效竞争者，迅速在机车、水下推进、电站等领域得到了推广和应用，特别是自由活塞斯特林发动机和低温制冷机，已经成为了深空探测工程的必备装备[1]。
当代载人航天技术的问世，使人类走出地球这一摇篮而到达太空，开始了一个'空间文明'的新时代。随着空间应用需求的不断扩大以及航天技术的快速发展，新一轮的空间探索正由世界主要空间技术强国开启，月球已经成为了21世纪各国深空探测的首要目标[2]。进行月球探索是寻找地外能源，拓展生存空间的必然要求，也是我国能够保持强大竞争力，走在世界前列的重要保证。
随着空间探索技术的发展，在月球表面进行持续的探索工作已经是必不可少的，因此空间能源的稳定持续供应就显得尤为重要。空间探测器的能源主要来自宇宙空间，而空间电源的使用寿命和性能又决定了探测器的使用寿命和安全性，所以高性能空间电源对顺利完成太空的探测任务具有非常重要的意义[3]
月球的环境十分恶劣，漫长的黑夜期（350h）使得集热器对太阳能的收集和利用变得十分困难和不稳定，而黑夜期间低至零下150℃的环境温度对发动机的性能也提出了很高的挑战。目前空间太阳能发电有光伏发电和闭式热机发电两种形式，从长远来看，热机发电效率高、寿命长、噪声低、震动小，自由活塞式斯特林发动机的这些优势最为明显。设计正确的自由活塞式斯特林发动机，只要在冷热端建立起足够的温差就能自行启动，由于结构简单，使用可靠，寿命极长，对维修保养的要求也不高，十分适合在宇宙空间工作，是极其理想的空间发电系统。
基于月壤蓄热的斯特林发动机的太阳能发电技术是一种新型的资源原位利用技术，在白天通过聚光器吸收太阳能加热月壤以储存，晚上月壤释放热量通过斯特林发电机转换成电能，为解决月球探测的能源供给、特别是漫长月夜深低温环境下的电能供给提供了全新的思路。
2.国内外研究现状
从斯特林发动机发明至今，国外对斯特林机各方面均有大量文献报道，我国对斯特林机的研究起步较晚，但发展迅速，取得了大量成果。接下来将从斯特林发动机的关键部件加热器、回热器及冷却器三个方面来进行叙述。
2.1 加热器
加热器是斯特林发动机的关键部件之一，特点是工作温度高，内部工质压力高并且具有腐蚀性，因此对制造材料有着很高的要求。，NASA 路易斯研究中心和Glenn研究中心在加热器材料这一领域做了大量研究并得到了大量成果，在筛选大量商用合金材料和陶瓷的基础上，选取了满足加热器性能要求的材料，研究了这些材料对各种工质的透过率问题，提出了解决方法，并研究了由这些材料制成的薄壁管的抗腐蚀和抗氧化特性，探究了加热器使用寿命的预测方法[4] [5]。
