Kansainvälinen avaruusasema (ISS) - Asuttava keinotekoinen satelliitti, joka kiertää maata ~ 400 kilometrin korkeudessa -, luottaa hienostuneeseen, suljettuun - silmukan happijärjestelmään 7 astronautien (maksimikapasiteetin) miehistön ylläpitämiseksi aikanaan. Toisin kuin maa, jossa happea on runsaasti ilmakehässä, tila on tyhjiö, jolla ei ole luonnollista happilähdettä. Tämä tarkoittaa, että ISS: n on tuotettava, säilytettävä, levitettävä ja kierrätettävä happea kokonaan -} -levyllä, samalla kun se hallitsee myös jätekaasuja, kuten hiilidioksidia (CO₂). Järjestelmän suunnittelu priorisoi luotettavuuden (välttämään elämää - uhkaavia vikoja), tehokkuuden (resuppiaoperaatioiden minimoimiseksi) ja sopeutumiskyvyn (miehistön koon muutosten ja laitteiden toimintahäiriöiden käsittelemiseksi). Alla on kattava erittely ISS -happijärjestelmästä, mukaan lukien sen ydinkomponentit, työperiaatteet, haasteet ja varmuuskopioprotokollat.
Kello 1. Asutettavan ilmapiirin ylläpitäminen
Ennen kuin hän kaivot teknisiä yksityiskohtia, on kriittistä ymmärtää ISS -happijärjestelmän ensisijainen tavoite: ilmakehän ylläpitäminen, joka jäljittelee Maan mahdollisimman tarkasti. Ihmisen selviytymisen kannalta ISS vaatii:
Happipitoisuus: 21% (sama kuin Maan ilmakehän), joka on optimaalinen taso hengittämiselle ja hypoksian (matalan hapen) tai happimyrkyllisyyden välttämiseksi (korkea happi).
Paine: 101.3 kilopascals (kPa) tai 1 ilmakehän (atm) -, joka vastaa merta - tason paine maan päällä. Tämä estää dekompressiotaudin (riski, kun paine laskee liian matalaksi) ja antaa astronautit hengittää normaalisti ilman erikoistuneita laitteita (paitsi avaruuskäytävien aikana).
Kaasun pesu: Jätekaasujen, kuten CO₂: n (tuottama hengityksen tuottama) ja hivenaineiden poistaminen (esim. Haihtuvat orgaaniset yhdisteet laitteista tai ruoasta).
Tämän saavuttamiseksi ISS -happijärjestelmä toimii aSemi - suljettu silmukka- Se tuottaa uutta happea, kierrättää happea jätevirroista, tallentaa ylimääräisen hapen hätätilanteisiin ja jakaa sen tasaisesti aseman moduuleihin.
2. hapentuotantojärjestelmä (OGS)
ISS: n päälähde happea onHapentuotantojärjestelmä (OGS), NASA: n ja Venäjän Roscosmosin kehittämä modulaarinen asennus (Euroopan avaruusviraston ESA: n ja Japan Aerospace Exploration Agency, Jaxa), Jaxan) kanssa. OGS käyttääelektrolyysi- Sama kemiallinen prosessi, jota käytetään joissain maapallossa - pohjaiset happigeneraattorit - jakamaan vettä (H₂O) happea (O₂) ja vety (H₂). Tässä on yksityiskohtainen erittely sen komponenteista ja toiminnasta:
2.1 OGS: n komponentit
OGS koostuu kolmesta keskeisestä osajärjestelmästä, jokaisella on erikoistunut laitteisto:
Vedenkäsittelykokoonpano (WPA): Ennen elektrolyysiä vesi on puhdistettava epäpuhtauksien (esim. Suolat, orgaaninen aine) poistamiseksi, jotka voivat vahingoittaa OGS: n elektrodeja. WPA kerää vettä kolmesta lähteestä:
Kierrätysvesi: Kondensaatti aseman ilmasta (vesihöyry hengityksestä ja hikoilusta), käsitellyt jätevedet (esim., Pesuallasta, suihkut) ja virtsan (virtsankäsittelykokoonpanon käsittely, UPA).
Varata vettä: Vesi, joka toimitetaan rahti -avaruusaluksen (esim. SpaceX: n lohikäärme, Northrop Grummanin Cygnus) varmuuskopiointi, kun kierrätysjärjestelmät epäonnistuvat.
Polttokennovesi: Aseman entisten polttokennojen sivutuote (käytetään sähkön tuottamiseen ennen aurinkoaryhmien asentamista). Vaikka polttokennot eivät ole enää ensisijaisia virtalähteitä, niiden jäännösvettä käytetään edelleen, jos niitä on saatavana.
Elektrolyysimoduuli (EM): OGS: n sydän, EM sisältää kaksiKiinteän oksidielektrolyysisolut (SOEC)- Edistyneitä laitteita, jotka käyttävät korkeita lämpötiloja (600–800 astetta) veden jakaminen happea ja vety. Toisin kuin perinteiset elektrolyysijärjestelmät (jotka käyttävät nestemäisiä elektrolyyttejä), SOEC: t käyttävät kiinteää keraamista elektrolyyttiä, joka on avaruudessa tehokkaampi, kompakti ja kestävä. Näin prosessi toimii:
Puhdistettua vettä syötetään SOEC: iin höyrynä (höyrystynyt tehokkuuden lisäämiseksi).
Sähkövirta (ISS: n aurinkoaryhmistä) sovelletaan SOECS: n elektrodeihin (anodi ja katodi).
Anodissa höyry reagoi keraamisen elektrolyytin kanssa happikaasun (O₂), elektronien ja vetyionien (H⁺) tuottamiseksi.
Elektronit virtaavat ulkoisen piirin läpi (tuottavat pienen määrän ylimääräistä sähköä), kun taas vetyionit liikkuvat elektrolyytin läpi katodiin.
Katodissa vety -ionit yhdistyvät elektronien kanssa vetykaasun muodostamiseksi (H₂).
Hapenkäsittelyliikejärjestelmä (OHS): Tuotannon jälkeen EM: n happi prosessoidaan ja jaetaan:
Jäähdytys: Kuuma happikaasu (SOEC: stä) jäähdytetään huoneenlämpötilaan lämmönvaihtimilla (kytketty ISS: n lämpöhallintajärjestelmään).
Kuivuminen: Mikä tahansa jäljellä oleva vesihöyry poistetaan käyttämällä molekyyliseuloja (samanlaisia kuin maapallon - -pohjaiset happikonsentraattorit) kondensaation estämiseksi aseman putkissa.
Jakelu: Kuiva, puhdas happi (99,999% puhtaus) lähetetään ISS: n ilmakehään venttiilien ja putkien verkon kautta sekoittaen olemassa olevan ilman kanssa 21%: n pitoisuuden ylläpitämiseksi.
Vety tuuletus: ISS: n vety -sivutuoteta (koska asema toimii aurinkoenergialla, ei vetypolttokennoilla) ja se tuuletetaan avaruuteen. Tämä on keskeinen ero varhaisista avaruusasemista, kuten miR, joka käytti vetyä sähkön tuottamiseen.
2.2 OGS: n tehokkuus ja kapasiteetti
OGS on suunniteltu tyydyttämään ISS: n päivittäinen hapen kysyntä, joka on ~ 0,84 kiloa (kg) astronauttia kohden (vastaa ~ 588 litraa kaasumaista happea 1 atm: n kohdalla). 7,88 kg happea päivässä 7,88 kg: n miehistölle. OGS: n tärkeimpiä suorituskykymittareita ovat:
Tuotantoaste: Jokainen SOEC voi tuottaa ~ 0,5 kg happea päivässä, joten kaksi SOEC: tä tuottavat yhdessä ~ 1 kg päivässä. Järjestelmää käytetään kuitenkin porrastetussa tilassa (yksi SOEC Active, yksi valmiustilassa) kulumisen vähentämiseksi, mikä johtaa nettotuotantoon ~ 0,5 kg päivässä. Tämä tarkoittaa, että pelkästään OGS ei pysty täyttämään koko miehistön kysyntää -, joten lisähappilähteiden tarve (katso kohta 3).
Energiatehokkuus: SOC: t ovat erittäin tehokkaita, muuntamalla ~ 80% sähköenergiasta happea (verrattuna ~ 60%: iin perinteisten elektrolyysijärjestelmien suhteen). Tämä on kriittistä, koska ISS: n aurinkoaryhmillä on rajoitettu kapasiteetti (~ 120 kilowattia, KW, voima kaikille järjestelmille).
Luotettavuus: OGS: n suunnitteluaika on 15 vuotta (pidennetty alkuperäisestä 10 vuodesta) ja se sisältää tarpeettomia komponentteja (esim. Varmuuskopioint, venttiilit) epäonnistumisten estämiseksi. Asennuksensa jälkeen vuonna 2008 (osana ISS: n solmun 3 moduulia, rauhallisuutta), OGS on kokenut vain pieniä ongelmia (esim. Tukkivat vesisuodattimet), jotka on ratkaistu etävirtauksen avulla.
3. Varmuuskopiointi- ja lisäjärjestelmät
Vaikka OGS on ensisijainen happilähde, ISS luottaa kolmeen toissijaiseen järjestelmään, jotta varmistetaan jatkuvan tarjonnan - kriittinen, kun OGS: n toimintahäiriöt tai huippukysynnän aikana (esim. Kun miehistön koko kasvaa väliaikaisesti).
3.1 Paineistetut happisäiliöt (venäläinen segmentti)
ISS: n venäläinen segmentti (RS) -, joka sisältää moduulit, kuten Zvezda (palvelumoduuli) ja Nauka (monikäyttöinen laboratoriomoduuli) - käyttääpaineistetut happisäiliötvarmuuskopiona. Nämä säiliöt ovat:
Design: Titaaniseoksesta valmistetut lieriömäiset säiliöt (kestämään korkea paine ja avaruussäteily), jonka kapasiteetti on ~ 40 litraa. Ne tallentavat happea korkeana - painekasa (3000 psi tai 20,7 MPa) - Sama tyyppi, jota käytetään maapallossa - pohjaiset sukellussäiliöt, mutta muokattu avaruuteen.
Toimittaa: Tankit toimitetaan ISS: lle venäläisen lastin avaruusaluksen (esim. Progress) kautta ja kiinnitetään RS: n ulkoisiin satamiin. Jokaisessa edistymisoperaatiossa on 2–3 säiliötä, jotka tarjoavat ~ 100–150 kg happea tehtävää kohti (tarpeeksi tukemaan 7 - 20–25 päivää).
Käyttöönotto: Kun OGS epäonnistuu, RS: n elämän tukijärjestelmä avaa venttiilit vapauttaakseen happea säiliöistä aseman ilmakehään. Säiliöitä käytetään myös avaruuskäytävien aikana (EVA, ulkopuolinen aktiivisuus) hapen toimittamiseksi astronautien avaruuspukuihin.
3.2 Happikynttilät (kemialliset hapen generaattorit)
Hätätilanteissa (esim. Suuri OGS -vika yhdistettynä lastin palautumisen viivästymiseen) ISS käyttäähappikynttilät- kompakti, kemiallinen - -pohjaiset generaattorit, jotka tuottavat happea lämpöreaktion kautta. Nämä kynttilät ovat:
Koostumus: Jokainen kynttilä on kiinteä natriumkloraatin lohko (Naclo₃) sekoitettuna katalyytin (esim. Rautajauhe) ja polttoaineen (esim. Alumiini) kanssa. Syyttyessään natriumkloraatti hajoaa korkeissa lämpötiloissa (500–600 astetta) happikaasun ja natriumkloridin (pöytäsuolan) tuottamiseksi.
Kapasiteetti: Yksi kynttilä (painaa ~ 1 kg) tuottaa ~ 60 litraa happea (tarpeeksi yhdelle astronautille ~ 10 tunnin ajan). ISS: llä on ~ 100 kynttilää, joka on tallennettu palonkestäviin astioihin jokaisessa moduulissa (esim. Zarya, Unity) helpon pääsyn saavuttamiseksi.
Turvallisuus: Happikynttilät on suunniteltu turvallisiksi avaruudessa - Ne eivät tuota avoimia liekkejä (vain lämpöä) ja natriumkloridi -sivutuotteet eivät ole - myrkyllisiä (se on kerätty suodattimeen ja myöhemmin poistetaan lastin aikana). Niitä käytetään kuitenkin vain viimeisenä keinona rajoitetun kapasiteetinsa ja manuaalisen aktivoinnin tarpeen vuoksi.
3.3 Regeneratiivinen elämätuki: Hapen kierrätys Co₂: sta
ISS: nYmpäristönhallinta- ja elämäntukijärjestelmä (ECLSS)Sisältää regeneratiivisen komponentin, joka kierrättää happea Co₂ -: stä vähentämällä uuden hapentuotannon tarvetta. Tämä tapahtuuHiilidioksidin poistokokoonpano (CDRA)(Yhdysvaltain segmentti) jaVozdukh -järjestelmä(Venäjän segmentti):
CDRA (Yhdysvaltain segmentti): Käyttää kahta - vaiheprosessia, nimeltäänKiinteä amiiniveden desorptioCO₂: n poistaminen ja hapen tuottaminen:
Adsorptio: ISS: n ilma pumpataan kiinteän amiinin sängyn läpi (kemiallinen yhdiste, joka sitoutuu CO₂: een). Amiini ansaa, kun taas puhdas ilma (ilman Co₂) palautetaan asemalle.
Desorptio- ja hapentuotanto: Kun amiini -sänky on kyllästetty, se lämmitetään loukkuun jääneen co₂: n vapauttamiseksi. CO₂ reagoi sitten vedyn kanssa (OGS: n elektrolyysiprosessista) aSabatier -reaktori(toinen ECLSS -komponentti) veden (H₂O) ja metaanin (CH₄) tuottamiseksi. Vesi lähetetään sitten OGS: lle jaettavaksi happea ja vetyä, jolloin saadaan suljettu silmukka.
Vozdukh -järjestelmä (venäläinen segmentti): Käyttää samanlaista prosessia, mutta erilaisella kemikaalilla (litiumhydroksidi, LOOH) absorboidakseen co₂. Toisin kuin CDRA, Vozdukh -järjestelmä ei kierrätä CO₂ happea - sen sijaan, että lioh hylätään sen jälkeen, kun se on tyydyttynyt (se korvataan lastin tehtävien kautta). Se on kuitenkin yksinkertaisempi ja luotettavampi kuin CDRA, mikä tekee siitä arvokkaan varmuuskopion.
Regeneratiivinen järjestelmä vähentää ISS: n hapenkysyntää ~ 40%- kriittisen tehokkuusvoitto, joka minimoi tarkkuusoperaatioiden tarpeen. Esimerkiksi ilman kierrätystä asema tarvitsee ~ 9,8 kg happea päivässä 7 astronautille; Kierrätyksellä tämä laskee ~ 5,88 kg.
4. Hätätilanteiden kestävyyden varmistaminen
Toissijaisten lähteiden lisäksi ISS: llä on omistettu hapen varastointijärjestelmät huippukysynnän ja hätätilanteiden käsittelemiseksi. Nämä järjestelmät on suunniteltu tallentamaan happea kahdessa muodossa: korkea - painekaasu ja neste.
4.1 korkea - painekaasujen varastointi (US -segmentti)
Yhdysvaltain segmentinKorkeat - painekaasusäiliötsijaitsevat solmussa 1 (yhtenäisyys) ja solmun 3 (rauhallisuus) moduuleissa. Nämä säiliöt:
Design: Inconelista valmistetut pallomaiset säiliöt (nikkeli - kromiseos, joka on resistentti korroosiolle ja korkeille lämpötiloille), joiden kapasiteetti on ~ 150 litraa. Ne tallentavat happea 6000 psi (41,4 MPa) - kahdesti Venäjän segmentin säiliöiden - paine, joka mahdollistaa lisää happea tallentamaan pienemmässä tilassa.
Kapasiteetti: Jokaisessa säiliössä on ~ 100 kg happea (tarpeeksi 7 astronautiin ~ 17 päivän ajan). Yhdysvaltain segmentissä on 4 tällaista säiliötä, jolloin kokonaisvarmuus on ~ 400 kg (tarpeeksi ~ 68 päivää).
Käyttötapa: Näitä säiliöitä käytetään täydentämään OGS: ää huippukysynnän aikana (esim. Kun kaksi astronauttia on avaruuskäytävällä, lisäämällä hapenkulutusta ~ 50%) ja varmuuskopiona, jos OGS epäonnistuu. Niitä käytetään myös aseman tukahduttamiseen avaruuskäytävän jälkeen (koska jokin ilma katoaa EVA: n aikana).
4.2 Nestemäinen happi (LOX) varastointi (vain hätätilanne)
Pitkät - termi hätätilanteet (esim. Kuukauden - pitkä OGS -vika), ISS voi tallentaaNestemäinen happi (LOX)- Sama lomake, jota käytetään rakettipolttoaineessa. Lox tallennetaan:
Design: Kaksinkertainen - seinät säiliöt tyhjiöeristyskerroksella pitämään LOX -183 asteessa (sen kiehumispiste 1 atm). Säiliöt ovat pieniä (~ 50 litraa) aseman rajoitetun tilan vuoksi.
Kapasiteetti: 50 litran LOX-säiliöllä on ~ 60 kg happea (koska LOX: n tiheys on 1,141 kg/l), tarpeeksi 7 astronautille ~ 10 päivän ajan. ISS: llä on 2 tällaista säiliötä, jotka tarjoavat yhteensä ~ 120 kg (tarpeeksi ~ 20 päivää).
Haasteet: LOX: n tallentaminen avaruudessa on vaikeaa, koska aseman lämpötila vaihtelee (- 120 astetta varjossa 120 asteessa auringonvalossa), aiheuttaen jonkin verran loxia kiehua (höyrystää). Kiehumisen minimoimiseksi säiliöt on varustettu lämmittimillä, jotka säätelevät lämpötilaa ja paineenalennusventtiiliä, joka tuulettaa ylimääräistä kaasua (joka sitten vangitaan ja käytetään aseman ilmakehässä).
5. Yhdenmukaisen tarjonnan varmistaminen moduulien välillä
ISS on 16 moduulin monimutkainen verkosto (vuodesta 2024), mukaan lukien asuintilojen (esim. Crew -neljäsosat), laboratoriot (esim. Columbus, Kibo) ja palvelumoduulit (esim. Zvezda, Nauka). Jotta jokaisella moduulilla on tasainen 21% happipitoisuus, asema käyttää akeskitetty jakelujärjestelmäseuraavien komponenttien kanssa:
5.1 Ilman kiertopuhaltimet
Jokaisessa moduulissa on 4–6ilmankiertopuhaltimetSe liikuttaa ilmaa nopeudella ~ 1 kuutiometriä minuutissa. Nämä fanit:
Estä pysähtyneitä ilmataskuja (mikä voi johtaa alhaiseen happitasoon moduulin kulmissa).
Sekoita äskettäin tuotettu happi olemassa olevan ilman kanssa 21%: n pitoisuuden ylläpitämiseksi.
Työnnä ilma CDRA/Vozdukh -järjestelmien läpi co₂: n ja epäpuhtauksien poistamiseksi.
Tuulettimet ovat kriittisiä, koska mikrogravitaatiossa (painottomuus) ilma ei kiertä luonnollisesti (kuten se tapahtuu maan päällä konvektion vuoksi). Ilman faneja astronautit voivat kokea hypoksiaa alueilla, jotka olivat kaukana happilähteestä.
5.2 Venttiilit ja putket
Verkostoruostumattomasta teräksestä valmistetut putket(Halkaisija 2–4 tuumaa) yhdistää OG: t, varastosäiliöt ja moduulit. Jokainen putki on varustettu:
Solenoidiventtiilit: Sähköisesti ohjaamat venttiilit, jotka avoimet ja lähellä säätelee hapen virtausta. Nämä venttiilit ovat tarpeettomia (jokaisessa putkessa on kaksi venttiiliä) vuotojen estämiseksi.
Paineanturit: Seuraa putkien painetta varmistaaksesi, että se vastaa aseman ilmakehän painetta (101,3 kPa). Jos paine laskee (esim. Vuodon takia), anturit laukaisevat hälytyksen ja sulkevat sairastuneet venttiilit.
Suodattimet: Poista pöly ja roskat hapesta estääksesi fanien ja elämän tukijärjestelmien vaurioita.
5.3 Moduuli - Erityiset säätimet
Jokaisessa moduulissa on apainosäädinTämä säätää happea virtauksen moduuliin sen koon ja käyttöasteen perusteella. Esimerkiksi:
Pienet moduulit (esim. Miehistön neljäsosat, jotka ovat ~ 10 kuutiometriä) vaativat pienemmän virtausnopeuden (~ 0,1 kg happea päivässä) kuin suuret moduulit (esim. Columbus -laboratorio, joka on ~ 75 kuutiometriä, jotka vaativat ~ 0,5 kg päivässä).
Sääntelyviranomaiset varmistavat myös, että moduulin paine pysyy 101,3 kPa, vaikka muita moduuleja tukahdutetaan (esim. Spacewalkin jälkeen).
