Starptautiskā kosmosa stacija (ISS) - Apdzīvojams mākslīgais satelīts, kas riņķo ap Zemi ~ 400 kilometru augstumā ~ 400 kilometru -, paļaujas uz izsmalcinātu, slēgtu - Loop skābekļa sistēmu, lai uzturētu savu 7 astronautu apkalpi (maksimālā jauda) vairākus mēnešus. Atšķirībā no zemes, kur skābekļa atmosfērā ir bagātīgs, telpa ir vakuums, kurā nav dabiska skābekļa avota. Tas nozīmē, ka ISS ir jāizgatavo, jāuzglabā, izplatīšana un skābekļa pārstrāde pilnībā {- dēlī, vienlaikus pārvaldot arī tādu notekūdeņu gāzes kā oglekļa dioksīds (CO₂). Sistēmas dizains prioritizē uzticamību (lai izvairītos no dzīvības - draudošām kļūmēm), efektivitāte (lai samazinātu atjaunošanas misijas) un pielāgošanās spēju (lai apstrādātu apkalpes lieluma izmaiņas un aprīkojuma darbības traucējumus). Zemāk ir visaptverošs ISS skābekļa sistēmas sadalījums, ieskaitot tās galvenos komponentus, darba principus, izaicinājumus un rezerves protokolus.
1. Apdzīvojamas atmosfēras uzturēšana
Pirms iedziļināšanās tehniskajās detaļās ir svarīgi izprast ISS skābekļa sistēmas galveno mērķi: atmosfēras saglabāšana, kas pēc iespējas ciešāk imitē Zemes. Cilvēka izdzīvošanai ir nepieciešams ISS:
Skābekļa koncentrācija: 21% (tāds pats kā Zemes atmosfēra), kas ir optimālais elpošanas līmenis un izvairoties no hipoksijas (zema skābekļa) vai skābekļa toksicitātes (augsts skābeklis).
Spiediens: 101.3 kilopaskāli (KPA) vai 1 atmosfēra (ATM) -, kas ir ekvivalents jūrai - līmeņa spiediens uz Zemi. Tas novērš dekompresijas slimības (risks, kad spiediens pazeminās pārāk zemu) un ļauj astronautiem normāli elpot bez specializēta aprīkojuma (izņemot kosmosa laikā).
Gāze: Izgāzu, piemēram, CO₂ (ražota elpošanas) un izsekošanas piesārņotāju noņemšana (piemēram, gaistoši organiski savienojumi no aprīkojuma vai pārtikas).
Lai to sasniegtu, ISS skābekļa sistēma darbojas kā aSemi - slēgta cilpa- Tas ražo jaunu skābekli, pārstrādā skābekli no atkritumu plūsmām, uzglabā pārmērīgu skābekļa daudzumu ārkārtas situācijām un vienmērīgi to izplata visos stacijas moduļos.
2. Skābekļa ģenerēšanas sistēma (OGS)
ISS galvenais skābekļa avots irSkābekļa ģenerēšanas sistēma (OGS), Modulāra iestatīšana, ko izstrādājusi NASA un Krievijas Roscosmos (ar Eiropas Kosmosa aģentūras, ESA un Japānas aviācijas un kosmosa izpētes aģentūras ieguldījumiem Jaxa). OGS izmantoelektrolīze- Tas pats ķīmiskais process, ko izmanto kādā zemē - balstīti skābekļa ģeneratori -, lai sadalītu ūdeni (h₂o) skābeklī (O₂) un ūdeņradim (h₂). Šeit ir detalizēts tā komponentu un darbības sadalījums:
2.1 OG komponenti
OG sastāv no trim galvenajām apakšsistēmām, katrai no tām ir specializēta aparatūra:
Ūdens apstrādes montāža (WPA): Pirms elektrolīzes ūdens ir jāattīra, lai noņemtu piesārņotājus (piemēram, sāļus, organiskas vielas), kas varētu sabojāt OGS elektrodus. WPA savāc ūdeni no trim avotiem:
Pārstrādāts ūdens: Kondensāts no stacijas gaisa (ūdens tvaiki no elpošanas un svīšanas), apstrādāti notekūdeņi (piemēram, no izlietnēm, dušām) un urīnā (apstrādāts ar urīna pārstrādes komplektu, UPA).
Ūdens krājums: Ūdens, kas piegādāts caur kravas kosmosa kuģi (piemēram, SpaceX's Dragon, Northrop Grumman's Cygnus) kā rezerves kopiju, kad pārstrādes sistēmas neizdodas.
Degvielas šūnu ūdens: Stacijas bijušo degvielas elementu blakusprodukts (izmanto elektrības ražošanai pirms saules bloku uzstādīšanas). Kaut arī degvielas šūnas vairs nav primārie enerģijas avoti, to atlikušais ūdens joprojām tiek izmantots, ja pieejams.
Elektrolīzes modulis (EM): OG sirdī, EM satur divusCietās oksīda elektrolīzes šūnas (SOEC)- Papildu ierīces, kurās tiek izmantota augsta temperatūra (600–800 grādi), lai sadalītu ūdeni skābeklī un ūdeņradī. Atšķirībā no tradicionālajām elektrolīzes sistēmām (kurās tiek izmantoti šķidrie elektrolīti), SOEC izmanto cietu keramikas elektrolītu, kas ir efektīvāks, kompakts un izturīgs telpā. Lūk, kā process darbojas:
Attīrīts ūdens tiek ievadīts SOEC kā tvaiks (iztvaicēts, lai palielinātu efektivitāti).
SOEC elektrodiem (anodam un katodam) tiek piemērota elektriskā strāva (no ISS saules blokiem).
Anodā tvaiks reaģē ar keramikas elektrolītu, lai iegūtu skābekļa gāzi (O₂), elektronus un ūdeņraža jonus (H⁺).
Elektroni plūst caur ārēju ķēdi (veidojot nelielu daudzumu papildu elektrības), savukārt ūdeņraža joni pārvietojas caur elektrolītu uz katodu.
Katoda ūdeņraža joni apvienojas ar elektroniem, veidojot ūdeņraža gāzi (H₂).
Skābekļa apstrādes apakšsistēma (OHS): Pēc ražošanas tiek apstrādāts un izplatīts skābeklis no EM:
Dzesēšana: Karstā skābekļa gāze (no SOEC) tiek atdzesēta līdz istabas temperatūrai, izmantojot siltummaiņus (savienoti ar ISS termiskās vadības sistēmu).
Žāvēšana: Visi atlikušie ūdens tvaiki tiek noņemti, izmantojot molekulāros sietus (līdzīgi tiem, kas atrodas Zemē - balstīti skābekļa koncentratori), lai novērstu kondensāciju stacijas caurulēs.
Sadalījums: Sausais, tīrs skābeklis (99,999% tīrība) tiek nosūtīts uz ISS atmosfēru, izmantojot vārstu un cauruļu tīklu, sajaucoties ar esošo gaisu, lai saglabātu 21% koncentrāciju.
Ūdeņraža ventilācija: Ūdeņraža blakusproduktu neizmanto ISS (jo stacija darbojas ar saules enerģiju, nevis ūdeņraža degvielas elementiem) un tiek izvadīta kosmosā. Tā ir galvenā atšķirība no agrīnajām kosmosa stacijām, piemēram, miR, kurās elektrības ražošanai tika izmantots ūdeņradis.
2.2 OG efektivitāte un spēja
OG ir paredzēts, lai apmierinātu ISS ikdienas skābekļa pieprasījumu, kas ir ~ 0,84 kilogrami (kg) uz vienu astronautu (ekvivalents ~ 588 litriem gāzveida skābekļa pie 1 atm). Apkalpei 7, tas ir ~ 5,88 kg skābekļa dienā. OGS galvenais veiktspējas metrika ietver:
Ražošanas līmenis: Katrs SOEC dienā var radīt ~ 0,5 kg skābekļa, tāpēc abi SOEC kopā ģenerē ~ 1 kg dienā. Tomēr sistēmu darbina pakāpeniski (viens SOEC aktīvs, viens - gaidīšanas režīmā), lai samazinātu nodilumu, kā rezultātā neto ražošana ir ~ 0,5 kg dienā. Tas nozīmē, ka tikai OG nevar apmierināt pilnu apkalpes pieprasījumu - Tādējādi nepieciešamība pēc papildu skābekļa avotiem (sk. 3. sadaļu).
Energoefektivitāte: SOEC ir ļoti efektīvi, pārvēršot ~ 80% elektriskās enerģijas skābekli (salīdzinot ar ~ 60% tradicionālajām elektrolīzes sistēmām). Tas ir kritiski, jo ISS saules masīviem ir ierobežota ietilpība (~ 120 kilovati, KW, visu sistēmu jauda).
Uzticamība: OGS dizaina kalpošanas laiks ir 15 gadus (pagarināts no sākotnējiem 10 gadiem), un tas ietver liekas komponentus (piemēram, rezerves kopijas, vārstus), lai novērstu neveiksmes. Kopš uzstādīšanas 2008. gadā (kā daļu no ISS mezgla 3 moduļa, mierīgums), OGS ir piedzīvojusi tikai nelielas problēmas (piemēram, aizsērējušas ūdens filtrus), kas tika atrisinātas, izmantojot attālo problēmu novēršanu.
3. Dublēšanas un papildu sistēmas
Kamēr OG ir galvenais skābekļa avots, ISS paļaujas uz trim sekundārām sistēmām, lai nodrošinātu nepārtrauktu piegādi - kritiski, ja OGS darbības laikā vai maksimuma pieprasījuma laikā (piemēram, kad apkalpes lielums īslaicīgi palielinās).
3.1. Aizspiežas ar paaugstinātu skābekļa tvertni (krievu segments)
ISS krievu segments (RS) -, kurā ietilpst tādi moduļi kā Zvezda (servisa modulis) un Nauka (daudzfunkcionālu laboratorijas modulis) - Izmantospiediena skābekļa tvertneskā rezerves kopija. Šīs tvertnes ir:
Projektēšana: Cilindriskas tvertnes, kas izgatavotas no titāna sakausējuma (lai izturētu augsta spiediena un telpas starojumu) ar jaudu ~ 40 litri katrā. Viņi glabā skābekli kā augstu - spiediena gāzi (3000 psi vai 20,7 MPa) - tāda paša veida, ko izmanto zemē - balstītas akvalanga tvertnes, bet modificētas telpai.
Piegāde: Tvertnes tiek piegādātas ISS caur Krievijas kravas kosmosa kuģi (piemēram, progresu) un piestiprinātas pie RS ārējām ostām. Katrā progresa misijā ir 2–3 tvertnes, nodrošinot ~ 100–150 kg skābekļa vienā misijā (pietiekami, lai atbalstītu apkalpi 7 ~ 20–25 dienas).
Izvietošana: Kad OG neizdodas, RS dzīvības atbalsta sistēma atver vārstus, lai no tvertnēm atbrīvotu skābekli stacijas atmosfērā. Tvertnes tiek izmantotas arī kosmosa pastaigu laikā (EVA, ekstravehikulārā aktivitāte), lai piegādātu skābekli astronautu kosmosa kostīmiem.
3.2 Skābekļa sveces (ķīmiskā skābekļa ģeneratori)
Ārkārtas situācijām (piemēram, būtiska OGS kļūme apvienojumā ar kravas aizkavēšanos), ISS izmantoskābekļa sveces- kompakts, ķīmiski - balstīti ģeneratori, kas ražo skābekli, izmantojot termisko reakciju. Šīs sveces ir:
Sastāvs: Katra svece ir ciets nātrija hlorāta (NaClo₃) bloks, kas sajaukts ar katalizatoru (piemēram, dzelzs pulveri) un degvielu (piemēram, alumīniju). Aizdedzinot, nātrija hlorāts sadalās augstā temperatūrā (500–600 grādu), lai iegūtu skābekļa gāzi un nātrija hlorīdu (galda sāls).
Ietilpība: Viena svece (sver ~ 1 kg) rada ~ 60 litrus skābekļa (pietiekami vienam astronautam ~ 10 stundas). ISS pārvadā ~ 100 sveces, kas katrā modulī (piemēram, Zarya, Unity) glabā ugunsdrošos traukos (piemēram, Zarya, vienotība).
Drošība: Skābekļa sveces ir paredzētas tā, lai tās būtu drošas telpā - Tās nerada atvērtas liesmas (tikai siltums), un nātrija hlorīda blakusprodukts nav - toksisks (tas tiek savākts filtrā un vēlāk noņemts kravas misiju laikā). Tomēr tos izmanto tikai kā pēdējo iespēju ierobežotās jaudas un nepieciešamības pēc manuālas aktivizēšanas.
3.3. Reģeneratīvais dzīvības atbalsts: skābekļa pārstrāde no CO₂
ISSVides kontroles un dzīvības atbalsta sistēma (ECLSS)Ietver reģeneratīvu komponentu, kas pārstrādā skābekli no CO₂ -, samazinot vajadzību pēc jaunas skābekļa ražošanas. Tas tiek darīts caurOglekļa dioksīda noņemšanas montāža (CDRA)(ASV segments) unVozdukh sistēma(Krievu segments):
CDRA (ASV segments): Izmanto divus - soļa procesu ar nosaukumuciets amīna ūdens desorbcijaLai noņemtu co₂ un ražotu skābekli:
Co₂ adsorbcija: Gaiss no ISS tiek sūknēts caur cieta amīna gultni (ķīmisks savienojums, kas saistās ar CO₂). Amīna slazdi ir co₂, kamēr tīrs gaiss (bez co₂) tiek atgriezts stacijā.
Desorbcija un skābekļa ražošana: Kad amīna gulta ir piesātināta, to uzkarsē, lai atbrīvotu ieslodzīto co₂. Pēc tam CO₂ tiek reaģēts ar ūdeņradi (no OGS elektrolīzes procesa)Sabatier Reaktors(Vēl viena ECLSS sastāvdaļa), lai iegūtu ūdeni (h₂o) un metānu (ch₄). Pēc tam ūdeni nosūta uz OG, lai sadalītu skābeklī un ūdeņradī, izveidojot slēgtu cilpu.
Vozdukh sistēma (Krievijas segments): Izmanto līdzīgu procesu, bet ar atšķirīgu ķīmisku vielu (litija hidroksīds, lioh), lai absorbētu CO₂. Atšķirībā no CDRA, Vozdukh sistēma nepārstrādā CO₂ skābekļa - tā vietā, lioh tiek izmests pēc tam, kad tas kļūst piesātināts (to aizstāj ar kravas misijām). Tomēr tas ir vienkāršāks un ticamāks nekā CDRA, padarot to par vērtīgu rezerves kopiju.
Reģeneratīvā sistēma samazina ISS skābekļa pieprasījumu par ~ 40%- kritisku efektivitātes pieaugumu, kas samazina nepieciešamību pēc atkārtotas piegādes misijām. Piemēram, bez pārstrādes stacijai būtu nepieciešami ~ 9,8 kg skābekļa dienā 7 astronautiem; Ar pārstrādi tas samazinās līdz ~ 5,88 kg.
4. Aizturības nodrošināšana ārkārtas situācijām
Papildus sekundārajiem avotiem ISS ir īpašas skābekļa uzglabāšanas sistēmas, lai apstrādātu maksimālo pieprasījumu un ārkārtas situācijās. Šīs sistēmas ir paredzētas skābekļa uzglabāšanai divās formās: augsta - spiediena gāze un šķidrums.
4.1 Augsts - spiediena gāzes uzkrāšana (ASV segments)
ASV segmentsAugstas - spiediena gāzes tvertnesatrodas mezglā 1 (vienotība) un mezgla 3 (tranktivitātes) moduļi. Šīs tvertnes:
Projektēšana: Sfēriskas tvertnes, kas izgatavotas no inconel (niķelis - hroma sakausējuma izturīgs pret koroziju un augsto temperatūru) ar jaudu ~ 150 litri katrā. Viņi glabā skābekli pie 6000 psi (41,4 MPa) - divreiz lielāku krievu segmenta tvertņu spiedienu -, ļaujot vairāk skābekļa glabāt mazākā telpā.
Ietilpība: Katrā tvertnē ir ~ 100 kg skābekļa (pietiekami 7 astronautiem ~ 17 dienas). ASV segmentā ir 4 šādas tvertnes, nodrošinot kopējo rezerves kopiju ~ 400 kg (pietiekami ~ 68 dienas).
Lietošanas korpuss: Šīs tvertnes tiek izmantotas, lai papildinātu OG maksimālā pieprasījuma laikā (piemēram, kad divi astronauti atrodas uz kosmosa celiņa, palielinot skābekļa patēriņu par ~ 50%) un kā rezerves kopiju, ja OG neizdodas. Tos izmanto arī stacijas represionizēšanai pēc kosmosa celiņa (jo EVA laikā tiek zaudēts kāds gaiss).
4.2. Šķidrs skābeklis (LOX) uzglabāšana (tikai ārkārtas situācija)
Long - Termiņa ārkārtas situācijām (piemēram, mēneši - Long OGS kļūme) ISS var saglabātšķidrs skābeklis (LOX)- Tāda pati forma, ko izmanto raķešu degvielā. LOX tiek glabāts:
Projektēšana: Dubultā - sienas tvertnes ar vakuuma izolācijas slāni, lai LOX būtu -183 grādos (tā vārīšanās punkts pie 1 bankomāta). Tvertnes ir mazas (katra ~ 50 litri), pateicoties ierobežotajai telpai uz stacijas.
Ietilpība: 50 litru LOX tvertnei ir ~ 60 kg skābekļa (jo LOX blīvums ir 1,141 kg/L), pietiek ar 7 astronautiem ~ 10 dienas. ISS ir 2 šādas tvertnes, kas kopumā nodrošina ~ 120 kg (pietiekami ~ 20 dienas).
Izaicinājumi: LOX glabāšana telpā ir grūti, jo stacijas temperatūra svārstās (no - 120 grādiem ēnā līdz 120 grādiem saules gaismā), izraisot zināmu lox vārīšanos (iztvaikot). Lai samazinātu izvārījumu, tvertnes ir aprīkotas ar sildītājiem, kas regulē temperatūru, un spiediena samazināšanas vārstu, kas atver lieko gāzi (kuru pēc tam notver un izmanto stacijas atmosfērā).
5. nodrošināt vienotu piegādi dažādos moduļos
ISS ir sarežģīts 16 moduļu tīkls (no 2024. gada), ieskaitot dzīvojamās telpas (piemēram, apkalpes ceturtdaļas), laboratorijas (piemēram, Kolumbu, Kibo) un pakalpojumu moduļus (piemēram, Zvezda, Naukka). Lai nodrošinātu, ka katram modulim ir konsekventa 21% skābekļa koncentrācija, stacija izmanto acentralizēta izplatīšanas sistēmaar šādām sastāvdaļām:
5.1 Gaisa cirkulācijas ventilatori
Katram modulim ir 4–6Gaisa cirkulācijas ventilatoritas pārvietojas ar ātrumu ~ 1 kubikmetru minūtē. Šie fani:
Novērst stagnējošas gaisa kabatas (kas moduļa stūros varētu izraisīt zemu skābekļa līmeni).
Sajauciet nesen ražoto skābekli ar esošo gaisu, lai saglabātu 21% koncentrāciju.
Piespiediet gaisu caur CDRA/Vozdukh sistēmām, lai noņemtu CO₂ un piesārņotājus.
Ventilatori ir kritiski kritiski, jo mikrogravitācijā (bezsvara) gaiss dabiski cirkulē (kā tas notiek uz Zemes konvekcijas dēļ). Bez faniem astronauti varētu izjust hipoksiju apgabalos, kas atrodas tālu no skābekļa avota.
5.2 vārsti un caurules
Tīklsnerūsējošā tērauda caurules(Diametra 2–4 collas) savieno OG, uzglabāšanas tvertnes un moduļus. Katra caurule ir aprīkota ar:
Solenoīdu vārsti: Elektriski kontrolēti vārsti, kas atvērti un tuvu, lai regulētu skābekļa plūsmu. Šie vārsti ir lieki (katrai caurulei ir divi vārsti), lai novērstu noplūdes.
Spiediena sensori: Pārraugiet spiedienu caurulēs, lai pārliecinātos, ka tas atbilst stacijas atmosfēras spiedienam (101,3 kPa). Ja spiediens pazeminās (piemēram, noplūdes dēļ), sensori izraisa trauksmi un aizver skartos vārstus.
Filtri: Noņemiet putekļus un gružus no skābekļa, lai novērstu bojājumus faniem un dzīvības atbalsta sistēmām.
5.3 Modulis - specifiski regulatori
Katram modulim ir aspiediena regulatorsTas pielāgo skābekļa plūsmu modulī, pamatojoties uz tā lielumu un noslogojumu. Piemēram:
Maziem moduļiem (piemēram, apkalpes ceturtdaļām, kas ir ~ 10 kubikmetri), ir nepieciešams zemāks plūsmas ātrums (~ 0,1 kg skābekļa dienā) nekā lieliem moduļiem (piemēram, Kolumba laboratorija, kas ir ~ 75 kubikmetri, kuriem ir nepieciešami ~ 0,5 kg dienā).
Regulatori arī nodrošina, ka moduļa spiediens paliek pie 101,3 kPa, pat ja citi moduļi tiek represēti (piemēram, pēc kosmosa celiņa).
