A Nemzetközi Űrállomás (ISS) - A földre vonatkozó, mesterséges műholdas, amely a Földet ~ 400 kilométer magasságban - magasságban kering, egy kifinomult, zárt- hurok -oxigénrendszerre támaszkodik, hogy a legénység 7 űrhajós (maximális kapacitást) egy hónapon belül fenntartsa. A Földtől eltérően, ahol az oxigén gazdag a légkörben, a tér egy vákuum, amely nem természetes oxigénforrás. Ez azt jelenti, hogy az ISS -nek teljes egészében a - táblán kell előállítania, tárolni, elosztani és újrahasznosítani az oxigént, miközben olyan hulladékgázokat is kezel, mint a szén -dioxid (CO₂). A rendszer kialakítása rangsorolja a megbízhatóságot (az élet elkerülése érdekében {- fenyegető hibák), hatékonyság (a feltöltési missziók minimalizálása érdekében) és az alkalmazkodóképesség (a személyzet méretének változásainak kezelése és a berendezések hibás működése). Az alábbiakban bemutatjuk az ISS oxigénrendszer átfogó bontását, beleértve annak alapvető alkotóelemeit, munka alapelveit, kihívásait és tartalék protokolljait.
1. A lakható légkör fenntartása
Mielőtt belemerülne a műszaki részletekbe, kritikus fontosságú az ISS oxigénrendszer elsődleges célkitűzése: olyan légkör fenntartása, amely a Földet a lehető legszorosabban utánozza. Az emberi túléléshez az ISS megköveteli:
Oxigénkoncentráció: 21% (ugyanaz, mint a Föld légkörével), amely a légzés optimális szintje és a hipoxia (alacsony oxigén) vagy az oxigén toxicitás (magas oxigén) elkerülése.
Nyomás: 101,3 kilopascals (KPA) vagy 1 atmoszféra (ATM) - SEA - szintű nyomás a Földön. Ez megakadályozza a dekompressziós betegséget (ha a nyomás túl alacsonyan csökken), és lehetővé teszi az űrhajósok számára, hogy normálisan lélegezzenek speciális berendezések nélkül (kivéve az űrkártyák során).
Gázmosás: Olyan hulladékgázok eltávolítása, mint a CO₂ (légzéssel előállítva) és nyomszennyező anyagok (pl. Illékony szerves vegyületek a berendezésekből vagy az élelmiszerekből).
Ennek elérése érdekében az ISS oxigénrendszer afélig - zárt hurok- Új oxigént termel, újrahasznosítja az oxigént hulladékáramokból, a vészhelyzetek felesleges oxigént tárolja, és egyenletesen forgalmazza az állomás moduljain.
2. Az oxigéngenerációs rendszer (OGS)
Az ISS fő oxigénforrása aOxigéngenerációs rendszer (OGS), A NASA és az Oroszország Roscosmos által kifejlesztett moduláris beállítás (az ESA és a Japán Repülési Kutató Ügynökség, Jaxa Európai Űrügynökség hozzájárulásával). Az OGS használjaelektrolízis- Ugyanaz a kémiai eljárás, amelyet valamilyen földön használnak - alapú oxigéngenerátorok - a víz (H₂O) oxigénre (O₂) és hidrogénre (H₂). Itt található az összetevőinek és működésének részletes bontása:
2.1 Az OGS alkotóelemei
Az OGS három kulcsfontosságú alrendszerből áll, amelyek mindegyike speciális hardverrel rendelkezik:
Vízfeldolgozó szerelvény (WPA): Az elektrolízis előtt a vizet tisztítani kell a szennyező anyagok (pl. Sók, szerves anyag) eltávolításához, amelyek károsíthatják az OGS elektródjait. A WPA három forrásból összegyűjti a vizet:
Újrahasznosított víz: Kondenzátum az állomás levegőjéből (a légzésből és az izzadásból származó vízgőz), kezelt szennyvíz (pl. A mosogatókból, zuhanyzókból) és a vizeletből (a vizeletfeldolgozó szerelvény feldolgozása, UPA).
Feltöltő víz: A rakomány űrhajóján keresztül (pl. SpaceX's Dragon, Northrop Grumman Cygnus) által szállított víz, mint az újrahasznosítási rendszerek meghibásodásakor.
Üzemanyagcella víz: Az állomás korábbi üzemanyagcelláinak mellékterméke (a napelemes tömbök beszerelése előtt villamos energia előállításához használják). Míg az üzemanyagcellák már nem elsődleges energiaforrások, a maradék vízüket továbbra is használják, ha rendelkezésre állnak.
Elektrolízis modul (EM): Az OGS szíve, az EM kettőt tartalmazSzilárd oxid elektrolízis sejtek (SOECS)- fejlett eszközök, amelyek magas hőmérsékletet (600–800 fokot) használnak a víz oxigénre és hidrogénre történő felosztására. A hagyományos elektrolízis rendszerektől eltérően (amelyek folyékony elektrolitokat használnak), a SOEC -k szilárd kerámia elektrolitot használnak, amely hatékonyabb, kompakt és tartós az űrben. Így működik a folyamat:
A tisztított vizet gőzként táplálják a SOEC -kbe (elpárologtatva a hatékonyság növelése érdekében).
A SOECS elektródjaira (anód és katód) elektromos áramot (az ISS napelemes tömbjeiből) alkalmaznak.
Az anódnál a gőz reagál a kerámia elektrolitdal oxigéngáz (O₂), elektronok és hidrogénionok (H⁺) előállításához.
Az elektronok egy külső áramkörön keresztül áramolnak (kis mennyiségű kiegészítő villamos energiát generálnak), míg a hidrogénionok az elektroliton keresztül a katódba mozognak.
A katódnál a hidrogénionok elektronokkal kombinálódnak, hogy hidrogéngázt (H₂) képezzenek.
Oxigénkezelő alrendszer (OHS): A termelés után az EM -ből származó oxigént feldolgozzák és elosztják:
Hűtés: A forró oxigéngázt (a SOEC -kből) szobahőmérsékletre lehűtjük hőcserélőkkel (az ISS termálvezérlő rendszeréhez csatlakoztatva).
Szárítás: A fennmaradó vízgőzt molekuláris szitákkal (hasonlóan a Földhöz hasonlóan - alapú oxigénkoncentrátorokhoz) eltávolítják, hogy megakadályozzák az állomás csöveiben lévő kondenzációt.
Elosztás: A száraz, tiszta oxigént (99,999% tisztaság) szelepek és csövek hálózatán keresztül továbbítják az ISS légkörébe, keverve a meglévő levegővel a 21% -os koncentráció fenntartása érdekében.
Hidrogén szellőztetés: Az ISS nem használja a hidrogén mellékterméket (mivel az állomás napenergia, nem pedig hidrogén üzemanyagcellákon működik), és az űrbe szellőztetik. Ez egy kulcsfontosságú különbség a korai űrállomásoktól, mint például a miR, amely hidrogént használt az áram előállításához.
2.2 Az OGS hatékonysága és kapacitása
Az OGS -t úgy tervezték, hogy kielégítse az ISS napi oxigénigényét, amely ~ 0,84 kilogramm (kg) űrhajósonként (~ 588 liter gáznemű oxigénnek felel meg 1 atm -en). A 7 -es személyzet esetében ez összesen ~ 5,88 kg oxigént naponta. Az OGS legfontosabb teljesítménymutatói a következők:
Termelési arány: Mindegyik SOEC napi ~ 0,5 kg oxigént képes előállítani, így a két SOEC együtt napi ~ 1 kg -ot generál. A rendszert azonban szakaszos módban (egy SOEC aktív, egy készenléti állapotban) működtetik, hogy csökkentsék a kopást, ami napi ~ 0,5 kg nettó termelést eredményez. Ez azt jelenti, hogy az OG -k önmagukban nem tudják kielégíteni a teljes legénység igényét - ennélfogva további oxigénforrások szükségességére (lásd a 3. fejezetet).
Energiahatékonyság: A SOEC -k rendkívül hatékonyak, az elektromos energia ~ 80% -át oxigénré alakítják (összehasonlítva a hagyományos elektrolízis rendszerek ~ 60% -ával). Ez kritikus jelentőségű, mivel az ISS napelemes tömbjei korlátozott kapacitással rendelkeznek (~ 120 kilowatt, KW, minden rendszer energiája).
Megbízhatóság: Az OGS tervezési élettartama 15 éves (az eredeti 10 évtől meghosszabbítva), és magában foglalja a redundáns alkatrészeket (pl. Biztonsági mentési SOEC -k, szelepek) a meghibásodás megelőzésére. A 2008 -as telepítés óta (az ISS Node 3. moduljának, a Tranquility részeként), az OGS csak kisebb kérdéseket tapasztalt (pl. Az eltömődött vízszűrők), amelyeket távoli hibaelhárítás útján oldottak meg.
3. biztonsági mentési és kiegészítő rendszerek
Míg az OGS az elsődleges oxigénforrás, az ISS három másodlagos rendszerre támaszkodik, hogy biztosítsa a folyamatos ellátást - kritikus szempontból, amikor az OGS hibásan vagy a csúcsigény alatt (pl. Ha a legénység mérete átmenetileg növekszik).
3.1 Nyomás alatt álló oxigéntartályok (orosz szegmens)
Az ISS orosz szegmense (RS) -, amely olyan modulokat tartalmaz, mint a Zvezda (szolgáltatásmodul) és a Nauka (többcélú laboratóriumi modul) -}nyomás alatt álló oxigéntartályokmint biztonsági mentés. Ezek a tartályok:
Tervezés: Titán ötvözetből készült hengeres tartályok (hogy ellenálljanak a magas nyomás és az űr sugárzásnak), mindegyik ~ 40 liter kapacitással. Az oxigént magas - nyomású gázként (3000 psi vagy 20,7 MPa) - ugyanazon típusú, amelyet a Földben használnak - alapú búvárok tartályaiban, de a térben módosítják.
Kínálat. Minden előrehaladási misszió 2–3 tartályt hordoz, missziónként ~ 100–150 kg oxigént biztosítva (elég ahhoz, hogy a 7 -es személyzetet ~ 20–25 napig támogassa).
Beépítés: Amikor az OGS meghibásodik, az RS élettartótámogató rendszere kinyitja a szelepeket, hogy az oxigént az állomás légkörébe engedje az oxigént. A tartályokat űrkamerák (EVA, extravehicularis aktivitás) során is használják az oxigén szállítására az űrhajósok űrruháinak.
3.2 oxigén gyertyák (kémiai oxigéngenerátorok)
A vészhelyzetek esetében (pl. A fő OGS -meghibásodás és a rakomány feltöltésének késése) az ISS használjaoxigén gyertyák- Kompakt, kémiai - alapú generátorok, amelyek termikus reakción keresztül oxigént termelnek. Ezek a gyertyák:
Összetétel: Minden gyertya egy nátrium -klorát (NaClo₃) szilárd blokkja, katalizátorral (pl. Vaspor) és üzemanyaggal (pl. Alumínium) keverve. A meggyújtáskor a nátrium -klorát magas hőmérsékleten (500–600 fok) bomlik, hogy oxigéngázt és nátrium -kloridot (asztali só) termeljen.
Kapacitás: Egyetlen gyertya (súlya ~ 1 kg) ~ 60 liter oxigént termel (elég egy űrhajós számára ~ 10 órán keresztül). Az ISS ~ 100 gyertyát hordoz, amelyeket minden modulban (pl. Zarya, Unity) tűzálló tartályokban tárolnak a könnyű hozzáférés érdekében.
Biztonság: Az oxigén gyertyákat úgy tervezték, hogy biztonságban legyenek a - űrben, nem termelnek nyílt lángot (csak hőt), és a nátrium -klorid melléktermék nem - mérgező (egy szűrőben összegyűjtik, majd a rakomány missziók során eltávolítják). Ezeket azonban csak utolsó lehetőségként használják korlátozott kapacitásuk és a kézi aktiválás szükségessége miatt.
3.3 Regeneratív élettartam: oxigén újrahasznosítása a CO₂ -ból
Az ISS -kKörnyezetvédelmi és életmentő rendszer (ECLSS)Tartalmaz egy regenerációs komponenst, amely újrahasznosítja az oxigént a CO₂ - -ból, csökkentve az új oxigéntermelés szükségességét. Ezt aSzén -dioxid eltávolító szerelvény (CDRA)(Amerikai szegmens) és aVozdukh rendszer(Orosz szegmens):
CDRA (USA szegmens): Két -szilárd aminvíz -deszorpcióA CO₂ eltávolítása és az oxigén előállítása:
Co₂ adszorpció: Az ISS -ből származó levegőt egy szilárd amin ágyon (egy kémiai vegyület, amely kötődik a CO₂ -hoz). Az amincsapdák co₂, míg a tiszta levegőt (CO₂ nélkül) visszatérnek az állomásra.
Deszorpció és oxigéntermelés: Ha az aminágy telített, akkor a csapdába esett CO₂ felszabadításához melegítik. A CO₂ -t ezután hidrogénnel (az OGS elektrolízis folyamatából) reagálják aSabatier reaktor(Egy másik ECLSS komponens) víz (H₂O) és metán (CH₄) előállításához. A vizet ezután elküldik az OG -khez, hogy oxigénre és hidrogénre osztódjanak, és zárt hurkot hoznak létre.
Vozdukh rendszer (orosz szegmens): Hasonló eljárást alkalmaz, de egy másik vegyi anyaggal (lítium -hidroxid, LiOH) használja a CO₂ felszívódását. A CDRA -val ellentétben a Vozdukh rendszer nem újrahasznosítja a CO₂ -t oxigénbe -, hanem a LIOH -t eldobják, miután telítettsé válik (rakományfajta helyettesítik). Ez azonban egyszerűbb és megbízhatóbb, mint a CDRA, így értékes biztonsági mentéssé teszi.
A regenerációs rendszer ~ 40%-kal csökkenti az ISS oxigénigényét - kritikus hatékonysági nyereséggel, amely minimalizálja a feltöltési missziók szükségességét. Például újrahasznosítás nélkül az állomásnak napi ~ 9,8 kg oxigént igényel 7 űrhajós számára; Az újrahasznosítással ez ~ 5,88 kg -ra csökken.
4. A vészhelyzetek ellenálló képességének biztosítása
A másodlagos forrásokon kívül az ISS dedikált oxigén -tároló rendszerekkel rendelkezik a csúcsigény és a vészhelyzetek kezelésére. Ezeket a rendszereket úgy tervezték, hogy az oxigént két formában tárolják: magas - nyomásgáz és folyadék.
4.1 Magas - Nyomásgáz -tárolás (USA szegmens)
Az amerikai szegmensekMagas - nyomásgáztartályokaz 1. csomópont (Unity) és a 3. csomópont (nyugalom) modulokban helyezkednek el. Ezek a tartályok:
Tervezés: Gömb alakú tartályok, amelyek Inconelből (nikkel -} króm ötvözet ellenállnak a korróziónak és a magas hőmérsékletnek), mindegyik ~ 150 liter kapacitással. Az oxigént 6000 psi (41,4 MPa) - -ben tárolják az orosz szegmens tartályok - nyomása kétszer, lehetővé téve, hogy több oxigén tárolódjon egy kisebb térben.
Kapacitás: Minden tartály ~ 100 kg oxigént tart (elég 7 űrhajós számára ~ 17 napig). Az amerikai szegmensnek 4 ilyen tartálya van, teljes biztonsági mentést biztosítva ~ 400 kg (elég ~ 68 napig).
Használati eset: Ezeket a tartályokat az OG -k kiegészítésére használják a csúcsigény alatt (pl. Amikor két űrhajós űrhajón van, ~ 50%-kal növeli az oxigénfogyasztást) és biztonsági mentésként, ha az OGS kudarcot vall. Ezeket az állomást egy űrlap után is használják (mivel az EVA során néhány levegő elveszik).
4.2 Folyékony oxigén (LOX) tárolás (csak vészhelyzet)
Hosszú - kifejezés vészhelyzetekre (pl.Folyékony oxigén (LOX)- Ugyanaz a forma a rakéta üzemanyagban. A LOX tárolva van:
Tervezés: Dupla - fallal körülvett tartályok vákuumszigetelő réteggel, hogy a LOX -183 fokon maradjon (forráspontja 1 atm -en). A tartályok kicsik (mindegyik ~ 50 liter) az állomás korlátozott helye miatt.
Kapacitás: Egy 50 literes LOX tartály ~ 60 kg oxigént tart (mivel a LOX sűrűsége 1,141 kg/L), elég 7 űrhajós számára ~ 10 napig. Az ISS -nek 2 ilyen tartálya van, összesen ~ 120 kg (elég ~ 20 napig).
Kihívások: A LOX tárolása az űrben nehéz, mivel az állomás hőmérséklete ingadozik (a - 120 fokos árnyékban 120 fokos napfényben), ami némi Lox felforrását okozta (párologni). A források minimalizálása érdekében a tartályok melegítőkkel vannak felszerelve, amelyek szabályozzák a hőmérsékletet és egy nyomáscsökkentő szelepet, amely felesleges gázt szellőzi (amelyet azután rögzítenek és használnak az állomás légkörében).
5. Az egységes ellátás biztosítása a modulok között
Az ISS egy 16 modulból álló összetett hálózat (2024 -től), beleértve a lakóhelyeket (pl. Crew negyed), a laboratóriumokat (pl. Columbus, Kibo) és a szervizmodulokat (pl. Zvezda, Nauka). Annak biztosítása érdekében, hogy minden modul következetes 21% -os oxigénkoncentrációja legyen, az állomás aközpontosított elosztórendszerA következő összetevőkkel:
5.1 AIR CORCHATULATION VANSÁGOK
Minden modulnak 4–6 vanAir Circulation rajongókEz a levegőt ~ 1 köbméter / perc sebességgel mozgatja. Ezek a rajongók:
Kerülje el a stagnáló levegőzsebeket (ami a modul sarkában alacsony oxigénszintet eredményezhet).
Keverje össze az újonnan előállított oxigént a meglévő levegővel a 21% -os koncentráció fenntartása érdekében.
Tolja át a levegőt a CDRA/Vozdukh rendszereken, hogy eltávolítsa a CO₂ és a szennyező anyagokat.
A rajongók kritikusak, mivel a mikrogravitációban (súlytalanság) a levegő nem kering természetesen (mint a Földön a konvekció miatt). A rajongók nélkül az űrhajósok hipoxiát tapasztalhatnak az oxigénforrástól távoli területeken.
5.2 Szelepek és csövek
Egy hálózatrozsdamentes acélcsövek(2–4 hüvelyk átmérőjű) összeköti az OGS -t, a tárolótartályokat és a modulokat. Minden cső fel van szerelve:
Mágnesszelepek: Elektromosan szabályozott szelepek, amelyek kinyílnak és közel vannak az oxigénáramlás szabályozásához. Ezek a szelepek redundánsak (mindegyik csőnek két szelepe van), hogy megakadályozzák a szivárgást.
Nyomásérzékelők: Figyelemmel kíséri a csövekben a nyomást, hogy megfeleljen az állomás légköri nyomásának (101,3 kPa). Ha a nyomás csökken (pl. Szivárgás miatt), akkor az érzékelők riasztást váltanak ki, és bezárják az érintett szelepeket.
Szűrők: Távolítsa el a port és a törmeléket az oxigénből, hogy megakadályozzák a ventilátorok és az élettámogató rendszerek károsodását.
5.3 Modul - Különleges szabályozók
Minden modulnak van egynyomásszabályozóEz beállítja az oxigén áramlását a modulba annak mérete és kihasználtsága alapján. Például:
A kis modulok (pl. A legénység negyedéje, amelyek ~ 10 köbméter) alacsonyabb áramlási sebességet igényelnek (~ 0,1 kg oxigén naponta), mint a nagy modulok (pl. A Columbus laboratórium, amely ~ 75 köbméter, napi ~ 0,5 kg).
A szabályozók azt is biztosítják, hogy a modul nyomása 101,3 kPa -on maradjon, még akkor is, ha más modulokat elnyomnak (pl. Egy űrlap után).
