Tarptautinė kosminė stotis (ISS) - Gyvenamųjų dirbtinių palydovų, skriejančių žemę ~ 400 kilometrų ~ 400 kilometrų - aukštyje, priklauso nuo sudėtingos, uždarytos - kilpos sistemos, kad išlaikytų savo 7 astronautų įgulą (maksimalią talpą) ištisus mėnesius. Skirtingai nuo Žemės, kur atmosferoje gausu deguonies, erdvė yra vakuumas, kuriame nėra natūralaus deguonies šaltinio. Tai reiškia, kad ISS turi gaminti, laikyti, paskirstyti ir perdirbti deguonį visiškai ant - lentos, kartu valdant dujas, tokias kaip anglies dioksidas (CO₂). Sistemos dizainui prioritetą teikia patikimumas (siekiant išvengti gyvybės - grėsmingų nesėkmių), efektyvumas (siekiant sumažinti atsargų misijas) ir pritaikyti (norint valdyti įgulos dydžio pokyčius ir įrangos gedimus). Žemiau yra išsamus ISS „Oxygen“ sistemos suskirstymas, įskaitant jos pagrindinius komponentus, darbo principus, iššūkius ir atsarginių kopijų protokolus.
1. Palaiko gyvenamąją atmosferą
Prieš gilindamiesi į technines detales, labai svarbu suprasti pagrindinį „ISS Oxygen“ sistemos tikslą: išlaikyti atmosferą, kuri kuo labiau imituoja Žemę. Žmogaus išgyvenimui reikalauja ISS:
Deguonies koncentracija: 21% (tas pats kaip Žemės atmosfera), kuri yra optimalus kvėpavimo lygis ir išvengia hipoksijos (mažai deguonies) arba toksiškumo deguonies (didelis deguonis).
Spaudimas: 101,3 kilopaskalų (kPa) arba 1 atmosfera (atm) - lygiavertis jūros - lygio slėgiui Žemėje. Tai apsaugo nuo dekompresijos ligos (rizika, kai slėgis sumažėja per mažai) ir leidžia astronautams normaliai kvėpuoti be specializuotos įrangos (išskyrus kosminių takų metu).
Dujų šveitimas: Atliekų, tokių kaip CO₂, pašalinimas (gaminamas kvėpavimo metu) ir pėdsakų teršalai (pvz., Lakieji organiniai junginiai iš įrangos ar maisto).
Norėdami tai pasiekti, ISS deguonies sistema veikia kaip apusiau - uždara kilpa- Jis gamina naują deguonį, perdirba deguonį iš atliekų srautų, kaupia deguonies perteklių ekstremalioms situacijoms ir tolygiai paskirsto jį visuose stoties moduliuose.
2. Deguonies generavimo sistema (OGS)
Pagrindinis ISS deguonies šaltinis yraDeguonies generavimo sistema (OGS), modulinė sąranka, kurią sukūrė NASA ir Rusijos „Roscosmos“ (su Europos kosmoso agentūros, ESA ir Japonijos aviacijos ir kosmoso tyrinėjimo agentūros, Jaxa). OGS naudojaElektrolizė- tas pats cheminis procesas, naudojamas kai kuriose Žemėje -, pagrįstuose deguonies generatoriais -, norint padalyti vandenį (H₂o) į deguonį (O₂) ir vandenilį (H₂). Čia pateiktas išsamus jo komponentų ir operacijos suskirstymas:
2.1 OGS komponentai
OGS sudaro trys pagrindiniai posistemiai, kurių kiekvienas turi specializuotą aparatinę įrangą:
Vandens apdorojimo agregatas (WPA): Prieš elektrolizę, reikia išgryninti vandenį, kad būtų pašalinti teršalai (pvz., Druskos, organinės medžiagos), kurie galėtų pažeisti OGS elektrodus. WPA renka vandenį iš trijų šaltinių:
Perdirbtas vanduo: Kondensatas iš stoties oro (vandens garai nuo kvėpavimo ir prakaitavimo), apdorotos nuotekos (pvz.
Atsiras vanduo: Vanduo, pristatytas per krovininius erdvėlaivius (pvz.
Kuro elementų vanduo: Buvusių stoties kuro elementų šalutinis produktas (naudojamas elektros energijai generuoti prieš montuojant saulės matricas). Nors kuro elementai nebėra pirminiai galios šaltiniai, jų likutis vis dar naudojamas, jei yra.
Elektrolizės modulis (EM): Ogs širdis, EM yra duKietosios oksido elektrolizės ląstelės (SOEC)- patobulinti prietaisai, kuriuose naudojama aukšta temperatūra (600–800 laipsniai), kad vanduo būtų padalytas į deguonį ir vandenilį. Skirtingai nuo tradicinių elektrolizės sistemų (kuriose naudojami skysti elektrolitai), SOEC naudoja kietą keraminį elektrolitą, kuris yra efektyvesnis, kompaktiškesnis ir patvarus erdvėje. Štai kaip veikia procesas:
Išgrynintas vanduo į SOEC yra tiekiamas kaip garas (garinamas, kad padidėtų efektyvumas).
Elektros srovė (iš ISS saulės matricų) taikoma SOECS elektrodams (anodas ir katodas).
Anodo metu garai reaguoja su keraminiu elektrolitu, kad gautų deguonies dujas (O₂), elektronus ir vandenilio jonus (H⁺).
Elektronai teka per išorinę grandinę (sukuriant nedidelį kiekį papildomos elektros), o vandenilio jonai juda per elektrolitą į katodą.
Katodo metu vandenilio jonai sujungiami su elektronais, kad susidarytų vandenilio dujos (H₂).
Deguonies tvarkymo posistemis (OHS): Po gamybos EM deguonis yra apdorojamas ir paskirstomas:
Aušinimas: Karštos deguonies dujos (iš SOECS) atvėsinamos iki kambario temperatūros, naudojant šilumokaičius (prijungtas prie ISS šiluminės valdymo sistemos).
Džiovinimas: Bet koks likęs vandens garai pašalinami naudojant molekulinius sietus (panašius į žemę - pagrindu pagamintus deguonies koncentratorius), kad būtų išvengta kondensacijos stoties vamzdžiuose.
Paskirstymas: Sausas, grynas deguonis (99.999% grynumas) į ISS atmosferą siunčiamas vožtuvų ir vamzdžių tinklu, maišant su esamu oru, kad išlaikytų 21% koncentraciją.
Vandenilio ventiliacija: Vandenilio šalutinis produktas nenaudoja ISS (nes stotis veikia saulės energija, o ne vandenilio kuro elementais) ir išleidžiama į kosmosą. Tai yra pagrindinis skirtumas nuo ankstyvų kosminių stočių, tokių kaip „Mir“, kuriai vandeniliui buvo naudojamas elektrai gaminti.
2.2 OGS efektyvumas ir pajėgumas
OGS yra skirtas patenkinti ISS dienos deguonies poreikį, kuris yra ~ 0,84 kilogramo (kg) kiekvienam astronautui (lygi ~ 588 litrų dujinio deguonies 1 atm). 7 ekipažui tai siekia ~ 5,88 kg deguonies per dieną. Pagrindinės OGS veiklos metrikos apima:
Gamybos norma: Kiekvienas SOEC per dieną gali gaminti ~ 0,5 kg deguonies, todėl abu SOEC kartu sukuria ~ 1 kg per dieną. Tačiau sistema veikia suskirstytu režimu (vienas SOEC aktyvus, vienas budėjimo režime), kad būtų sumažintas nusidėvėjimas, todėl grynoji gamyba sudaro ~ 0,5 kg per dieną. Tai reiškia, kad vien OGS negali patenkinti viso įgulos paklausos -, todėl reikia papildomų deguonies šaltinių (žr. 3 skyrių).
Energijos efektyvumas: SOEC yra labai efektyvūs, ~ 80% elektrinės energijos paverčia deguonimi (palyginti su ~ 60% tradicinių elektrolizės sistemų). Tai labai svarbu, nes ISS saulės aryvai turi ribotą talpą (~ 120 kilovatų, KW, visų sistemų galios).
Patikimumas: OGS dizaino gyvenimo trukmė yra 15 metų (pratęsta nuo pradinių 10 metų) ir apima nereikalingus komponentus (pvz., Atsarginius SOECS, vožtuvus), kad būtų išvengta gedimų. Nuo tada, kai jis buvo įdiegtas 2008 m. (Kaip „ISS's Node 3“ modulio „Trečiai) dalis), OGS patyrė tik nedidelius klausimus (pvz.
3. Atsarginės ir papildomos sistemos
Nors OGS yra pagrindinis deguonies šaltinis, ISS remiasi trimis antrinėmis sistemomis, kad užtikrintų nuolatinį tiekimą -, kai OGS gedimai arba didžiausio paklausos metu (pvz., Kai įgulos dydis laikinai padidėja).
3.1 Slėgintos deguonies rezervuarai (Rusijos segmentas)
ISS rusų segmentas (RS) -, kuriame yra tokie moduliai, tokieSlėginės deguonies rezervuaraikaip atsarginė kopija. Šie rezervuarai yra:
Dizainas: Cilindrinės talpyklos, pagamintos iš titano lydinio (atlaikyti aukštą slėgį ir erdvės spinduliuotę), kurių kiekviena yra ~ 40 litrų. Jie saugo deguonį kaip aukštą - slėgio dujas (3000 psi, arba 20,7 MPa) - to paties tipo, naudojamo Žemėje - pagrindu pagamintos nardymo rezervuarai, bet modifikuoti erdvei.
Tiekimas: Cisternos į ISS pristatomos per Rusijos krovinių erdvėlaivį (pvz., Pažanga) ir pritvirtintos prie RS išorinių uostų. Kiekviena progreso misija yra 2–3 rezervuarai, suteikiantys ~ 100–150 kg deguonies vienai misijai (pakanka paremti 7 įgulą ~ 20–25 dienas).
Diegimas: Kai OGS nepavyksta, „RS“ gyvybės palaikymo sistema atveria vožtuvus, kad deguonies iš rezervuarų būtų išlaisvintas į stoties atmosferą. Tankai taip pat naudojami kosminių takų metu (EVA, ekstravertiška veikla), kad būtų tiekiami deguonies astronautų kosmonautai.
3.2 Deguonies žvakės (cheminio deguonies generatoriai)
Avarinėms situacijoms (pvz.Deguonies žvakės- kompaktiškas, cheminis - pagrįsti generatoriai, gaminantys deguonį per šiluminę reakciją. Šios žvakės yra:
Kompozicija: Kiekviena žvakė yra kietas natrio chlorato (NaClo₃) blokas, sumaišytas su katalizatoriumi (pvz., Geležiniais milteliais) ir degalais (pvz., Aliuminis). Įdegus, natrio chloratas suyra esant aukštai temperatūrai (500–600 laipsnių), kad susidarytų deguonies dujų ir natrio chloridas (stalo druska).
Pajėgumas: Viena žvakė (sverianti ~ 1 kg) gamina ~ 60 litrų deguonies (pakanka vienam astronautui ~ 10 valandų). ISS neša ~ 100 žvakių, laikomos ugniai atspariose konteineriuose kiekviename modulyje (pvz., „Zarya“, „Unity“), kad būtų lengva pasiekti.
Saugumas: Deguonies žvakės yra suprojektuotos taip, kad būtų saugios erdvėje -, jos negamina atviros liepsnos (tik šiluma), o natrio chlorido šalutinis produktas yra ne - toksiškas (jis renkamas filtre ir vėliau pašalinamas atliekant krovinių misijas). Tačiau jie naudojami tik kaip paskutinė priemonė dėl savo ribotų pajėgumų ir rankinio aktyvavimo poreikio.
3.3 Regeneracinė gyvybės palaikymas: deguonies perdirbimas iš CO₂
ISSAplinkos kontrolės ir gyvybės palaikymo sistema (ECLSS)Apima regeneracinį komponentą, kuris perdirba deguonį iš CO₂ -, sumažindamas naujos deguonies gamybos poreikį. Tai daroma perAnglies dioksido pašalinimo agregatas (CDRA)(JAV segmentas) ir„Vazdukh“ sistema(Rusijos segmentas):
CDRA (JAV segmentas): Naudoja du - žingsnių procesą, vadinamąkietas amino vandens desorbcijapašalinti CO₂ ir gaminti deguonį:
CO₂ Adsorbcija: Oras iš ISS pumpuojamas per kieto amino (cheminio junginio, jungiančio su CO₂) lova). Amino spąstai CO₂, o švarus oras (be CO₂) grąžinamas į stotį.
Desorbcija ir deguonies gamyba: Kai amino lova yra prisotinta, ji kaitinama, kad būtų galima išlaisvinti įstrigusią CO₂. Tada CO₂ reaguoja su vandeniliu (iš OGS elektrolizės proceso) aSabatier reaktorius(Kitas ECLSS komponentas) gaminti vandenį (h₂o) ir metaną (CH₄). Tada vanduo siunčiamas į OGS, kad jis būtų padalytas į deguonį ir vandenilį, sukuriant uždarą kilpą.
„Vazdukh“ sistema (Rusijos segmentas): Naudoja panašų procesą, tačiau su skirtinga cheminė medžiaga (ličio hidroksidas, lioh) absorbuoti CO₂. Skirtingai nuo CDRA, „Vazdukh“ sistema neperdirbama į deguonį -, o lioh išmetamas po to, kai jis tampa prisotintas (jis keičiamas per krovinių misijas). Tačiau jis yra paprastesnis ir patikimesnis nei CDRA, todėl tai yra vertinga atsarginė kopija.
Regeneracinė sistema sumažina ISS deguonies paklausą ~ 40%- kritinio efektyvumo padidėjimo, kuris sumažina atsargų misijų poreikį. Pavyzdžiui, be perdirbimo stočiai 7 astronautams prireiks ~ 9,8 kg deguonies per dieną; Atliekant perdirbimą, tai sumažėja iki ~ 5,88 kg.
4. Atsparumo ekstremalioms situacijoms užtikrinimas
Be antrinių šaltinių, ISS turi skirtas deguonies saugojimo sistemas, kad galėtų patenkinti didžiausią paklausą ir ekstremalias situacijas. Šios sistemos yra skirtos laikyti deguonį dviem formomis: aukšta - slėgio dujomis ir skysčiu.
4.1 Aukštas - slėgio dujų saugojimas (JAV segmentas)
JAV segmentasAukštos - slėgio dujų rezervuaraiyra 1 mazge („Unity“) ir 3 mazgo (ramybės) moduliuose. Šie rezervuarai:
Dizainas: Sferinės talpyklos, pagamintos iš „Inconel“ (nikelio - chromo lydinio, atsparaus korozijai ir aukštai temperatūrai), kurių kiekviena yra ~ 150 litrų. Jie kaupia deguonį esant 6000 psi (41,4 MPa) - dvigubai didesniam Rusijos segmento rezervuarų slėgiui -, leidžiant daugiau deguonies laikyti mažesnėje erdvėje.
Pajėgumas: Kiekvienas bakas turi ~ 100 kg deguonies (pakanka 7 astronautams ~ 17 dienų). JAV segmente yra 4 tokie rezervuarai, kurių bendra atsarginė kopija yra ~ 400 kg (pakanka ~ 68 dienoms).
Naudokite dėklą: Šie rezervuarai yra naudojami OGS papildymui didžiausio paklausos metu (pvz. Jie taip pat naudojami stoties slopinimui po kosminio tako (kadangi EVA metu prarandamas koks nors oras).
4.2 Skystas deguonies (LOX) saugojimas (tik avarinė)
Ilgai - terminas ekstremalios situacijos (pvz., Mėnesiai - ilgas OGS gedimas), ISS gali saugoti saugykląSkystas deguonis (LOX)- Ta pati forma, naudojama raketose. Lox saugomas:
Dizainas: Dvigubas - sieninės talpyklos su vakuuminio izoliacijos sluoksniu, kad LOX išlaikytų -183 laipsnį (jo virimo taškas 1 atm). Dėl ribotos vietos stotyje rezervuarai yra maži (po ~ 50 litrų).
Pajėgumas: 50 litrų LOX bakas turi ~ 60 kg deguonies (nes LOX tankis yra 1,141 kg/L), kurio pakanka 7 astronautams ~ 10 dienų. ISS turi 2 tokius rezervuarus, iš viso ~ 120 kg (pakanka ~ 20 dienų).
Iššūkiai: LOX saugoti erdvėje yra sunku, nes stoties temperatūra svyruoja (nuo {- 120 laipsnių šešėlyje iki 120 laipsnių saulės spinduliuose), todėl kai kurie lox užvirs (išgaruoja). Norint sumažinti virimo, rezervuaruose yra šildytuvai, reguliuojantys temperatūrą ir slėgio mažinimo vožtuvą, kuris suteikia dujų perteklių (kuris vėliau fiksuojamas ir naudojamas stoties atmosferoje).
5. Vienodo tiekimo per modulius užtikrinimas
ISS yra sudėtingas 16 modulių tinklas (nuo 2024 m.), Įskaitant gyvenamąsias patalpas (pvz., Įgulos kvartalus), laboratorijas (pvz., Columbus, Kibo) ir aptarnavimo modulius (pvz. Siekdama užtikrinti,centralizuota paskirstymo sistemasu šiais komponentais:
5.1 Oro cirkuliacijos ventiliatoriai
Kiekvienas modulis turi 4–6Oro cirkuliacijos ventiliatoriaiTas juda oru ~ 1 kubinio metro per minutę greičiu. Šie gerbėjai:
Užkirsti kelią sustingusioms oro kišenėms (dėl kurių modulio kampuose gali būti žemas deguonies kiekis).
Sumaišykite naujai pagamintą deguonį su esamu oru, kad išlaikytumėte 21% koncentraciją.
Paspauskite orą per CDRA/VOZDUKH sistemas, kad pašalintumėte CO₂ ir teršalus.
Ventiliatoriai yra kritiški, nes mikrogravitacijoje (nesvarumo) oras nėra cirkuliuojamas natūraliai (kaip tai daro žemėje dėl konvekcijos). Be gerbėjų astronautai galėjo patirti hipoksiją tose vietose, esančiose toli nuo deguonies šaltinio.
5.2 vožtuvai ir vamzdžiai
TinklasNerūdijančio plieno vamzdžiai(2–4 colių skersmens) jungia OGS, laikymo rezervuarus ir modulius. Kiekvienas vamzdis yra aprūpintas:
Solenoidiniai vožtuvai: Elektriniai valdomi vožtuvai, atidaromi ir arti deguonies srauto. Šie vožtuvai yra nereikalingi (kiekvienas vamzdis turi du vožtuvus), kad būtų išvengta nuotėkio.
Slėgio jutikliai: Stebėkite slėgį vamzdžiuose, kad įsitikintumėte, jog jis atitinka stoties atmosferos slėgį (101,3 kPa). Jei slėgis sumažėja (pvz., Dėl nuotėkio), jutikliai suaktyvina aliarmą ir uždaro paveiktus vožtuvus.
Filtrai: Išimkite dulkes ir šiukšles iš deguonies, kad išvengtumėte gerbėjų ir gyvybės palaikymo sistemų pažeidimo.
5.3 modulis - specifiniai reguliatoriai
Kiekvienas modulis turi aSlėgio reguliatoriusTai sureguliuoja deguonies srautą į modulį, atsižvelgiant į jo dydį ir užimtumą. Pavyzdžiui:
Mažiems moduliams (pvz., Įgulos kvartalams, kurie yra ~ 10 kubinių metrų), reikia mažesnio srauto greičio (~ 0,1 kg deguonies per dieną) nei dideli moduliai (pvz.
Reguliatoriai taip pat užtikrina, kad modulio slėgis išlieka 101,3 kPa, net jei kiti moduliai yra represuojami (pvz., Po kosminio tako).
