Међународна свемирска станица (бр.) - Усељава вештачка сателитска орбитира на надморској висини од ~ 400 километара - ослања се на софистицирано, затворено - петље кисеоник да би одржао своју посаду од 7 астронаута (максимални капацитет) у исто време. За разлику од Земље, где је кисеоник обилно у атмосфери, простор је вакуум без природног кисеоника. То значи да ИСС мора да произведе, складишти, дистрибуира и рециклира кисеоник у потпуности на -, док управља и отпадне гасове попут угљен-диоксида (цо₂). Дизајн система приоритет поузданости (како би се избегло живот - претећи неуспех), ефикасност (да се минимизира поновне мисије) и прилагодљивост (да се управљају променама величине посаде и кварове). Испод је свеобухватан слом ИСС система кисеоника, укључујући своје основне компоненте, принципе рада, изазове и резервне копије протокола.
1. Одржавање усељне атмосфере
Пре него што се претвори у техничке детаље, пресудно је разумети ИСС-ов основни циљ основног циља система: одржавање атмосфере која мимика Земља је што ближе што је могуће ближе. За преживљавање људског језика, Захтјеру је захтјев:
Концентрација кисеоника: 21% (исто као и Земљана атмосфера), која је оптимални ниво дисања и избегавање хипоксије (слабог кисеоника) или токсичност кисеоника (висок кисеоник).
Притисак: 101.3 Килопасцалс (КПА) или 1 атмосфера (АТМ) - еквивалентно мору - нивоа притиска на Земљи. То спречава болест декомпресије (ризик када притиснете падне прениске) и омогућава астронаутима да нормално дише без специјализоване опреме (осим током свемирских вода).
Шкртост: Уклањање отпадних гасова попут ЦОУ (произведено дисањем) и загађивача у трагама (нпр. Волатилна органска једињења од опреме или хране).
Да би се то постигло, ИСС систем кисеоника делује као аполу - затворена петља- Производи нови кисеоник, рециклира кисеоник из токова отпада, чува вишак кисеоника за хитне случајеве и равномерно га дистрибуира у модулама станице.
2 Систем генерације кисеоника (ОГС)
Главни извор кисеоника ИСС-а јеСистем генерације кисеоника (ОГС), модуларно подешавање које је развио НАСА и Руски росцосмос (са доприносима Европске свемирске агенције, ЕСА и Јапан Аероспаце истраживачка агенција, Јака). ОГС користиелектролиза- Исти хемијски процес који се користи у неку Земљу - на бази генератору кисеоника - до подељене воде (х₂о) у кисеоник (о ") и водоник (х₂). Ево детаљног квара његових компоненти и рада:
2.1 Компоненте ОГС-а
ОГС се састоји од три кључна подсистема, сваки са специјализованим хардвером:
Скупштина за обраду воде (ВПА): Пре електролизе, вода се мора пречистити како би се уклонило контаминант (нпр. Соли, органске материје) које би могле оштетити електроде ОГС-а. ВПА прикупља воду из три извора:
Рециклирана вода: Кондензат из ваздуха станице (водена пара са дисања и знојења), третирана отпадне воде (нпр. Од судопера, пљускова) и урина (прерађује Склоп за обраду урина, УПА).
Преношење воде: Вода се испоручује путем теретних свемирских летелица (нпр. СпацеКс-ов Змај, ЦИГНУС Нортхроп Груммана) као резервну копију за систем рециклирања система.
Вода за горивне ћелије: Нуспроизвод бивших горивних ћелија станице (користи се за генерисање електричне енергије пре постављања соларних низова). Док горивне ћелије више нису примарни извори напајања, њихова преостала вода се и даље користи ако је доступна.
Модул електролизе (ЕМ): Срце ОГС-а, ЕМ садржи дваЋелије електролизе чврстог оксида (сојеци)- Напредни уређаји који користе високе температуре (600-800 степени) да би поделили воду у кисеоник и водоник. За разлику од традиционалних електролизних система (који користе течне електролите), сојеци користе чврсти керамички електролит који је ефикаснији, компактнији и издржљив у свемиру. Ево како функционише процес:
Пречишћена вода се усаглати у сооце као паре (испарила да повећа ефикасност).
Електрична струја (од Сунчевих низова ИСС-а) примењује се на електроде сооца (аноде и катоде).
На аноди, парна реагује са керамичким електролитом за производњу кисеоника (о "), електрона и водоника (х⁺).
Електрони протоку кроз спољни круг (генерисање мале количине додатне електричне енергије), док водоник јони крећу се кроз електролит на катоду.
На катоди, водонико ионс комбинују се са електронима како би се формирао водоник (х ").
Подсистем за руковање кисеоником (ОХС): Након продукције кисеоник из ЕМ се обрађује и дистрибуира:
Хлађење: Врући гас кисеоника (од СОЕЦС-а) је охлађен до собне температуре помоћу измењивача топлоте (повезаних са ИсП-овим термичком управљачком системом).
Сушење: Сваки преостали водени паре уклања се коришћењем молекуларних сита (слично онима у земљи - заснованим на сезонанним кисеоницима) како би се спречила кондензација у цеви станице.
Дистрибуција: Суви, чисто кисеоник (99.999% чистоћа) шаље се у Атмосферу ИСС-а путем мреже вентила и цеви, мешање са постојећим ваздухом за одржавање концентрације од 21%.
Одзрачивање водоника: Хипродукт водоника не користи ИСС (јер станица ради на соличној снази, а не ћелијама горива водоника) и одзване се у свемир. Ово је кључна разлика од раних свемирских станица попут Мира, која је користила водоник за генерисање електричне енергије.
2.2 Ефикасност и капацитет ОГС-а
ОГС је дизајниран тако да задовољи Дневне потражње за кисеоником ИСС-а, што је ~ 0,84 килограма (кг) по астронауту (еквивалентно ~ 588 литара гасовитих кисеоника на 1 атм). За посаду од 7 година, то износи ~ 5,88 кг кисеоника дневно. ОГС-ова кључна метрика перформанси укључују:
Стопа производње: Сваки сооц може да произведе ~ 0,5 кг кисеоника дневно, тако да два сојека заједно стварају ~ 1 кг дневно. Међутим, систем се управља у постепеном режиму (један СОЕЦ активан, један у стању приправности) да би се смањило хабање, што резултира нето производном производом од ~ 0,5 кг дневно. То значи да саме ОГС не могу да испуне потражњу пуних посада - отуда и потреба за додатним изворима кисеоника (види одељак 3).
Енергетска ефикасност: Соецс су високо ефикасни, претварају се ~ 80% електричне енергије у кисеоник (у поређењу са ~ 60% за традиционалне системе електролизе). Ово је критично јер соларни низови ИСС-а имају ограничене капацитете (~ 120 киловата, кВ, снаге за све системе).
Поузданост: ОГС има животни век дизајна од 15 година (продужен из оригиналних 10 година) и укључује сувишне компоненте (нпр. Резервне копије сооце, вентиле) како би се спречило кварове. Од њене инсталације у 2008. години (као део ИСС-овог чвора 3 модула, спокој), ОГС је доживело само мале проблеме (нпр. За зачепљене филтере воде) који су решени путем даљинског решавања проблема.
3. Резервни и додатни системи
Док је ОГС главни извор кисеоника, ИСС се ослања на три секундарна система како би се осигурало континуирано снабдевање - критично када је ОГС неисправност или током вршне потражње (нпр. Величина посаде привремено повећава величину посаде).
3.1 Цистерне за кисеонике под притиском (руски сегмент)
Руски сегмент ИСС-а (РС) - који укључује модуле попут Звезде (сервисни модул) и Наука (вишенаменски лабораторијски модул) - користиЦистерне за кисеонике под притискомкао резервна копија. Ови резервоари су:
Дизајн: Цилиндрични резервоари израђени од легуре титанијума (да издрже високи притисак и простор и простор) капацитетом од по 40 литара. Они складиште кисеоник као висок плин притиска (3.000 пси, или 20,7 мПа) - исту типу која се користи у земљи - базирању заснованих на базима, али модификоване за простор.
Снабдевање: Тенкови се испоручују на ИСС путем руске свемирске летјелице (нпр. Напредак) и причвршћени на спољне портове РС-а. Свака мисија напретка носи 2-3 резервоара, пружајући ~ 100-150 кг кисеоника по мисији (довољно да подржи посаду од 7 за ~ 20-25 дана).
Распоређивање: Када ОГС не успе, животни систем за подршку РС-а отвара вентиле да би се ослободио кисеоника из резервоара у атмосферу станице. Резервоари се такође користе током свемирских вода (ЕВА, екстрахикуларне активности) за снабдевање кисеоника до свемираних смачара астронаута.
3.2 Свијеће за кисеоник (хемијски генератори кисеоника)
За ванредне ситуације (нпр. Главни ОГС неуспех у комбинацији са кашњењем у теретном преносу), ИСС користисвијеће кисеоника- Компактни, хемијски - базирани генератори који производе кисеоник термичком реакцијом. Ове свеће су:
Састав: Свака свећа је чврст блок натријум хлората (Нацло₃) помешан са катализаторима (нпр. Гвоздени прах) и гориво (нпр. Алуминијум). Када се запали, натријум хлорат распада на високим температурама (500-600 степени) за производњу кисеоника и натријум-хлорида (столна со).
Капацитет: Једна свећа (тежина ~ 1 кг) производи ~ 60 литара кисеоника (довољно за једног астронаута за ~ 10 сати). ИСС носи ~ 100 свећа, чуваних у ватроотпорним контејнерима у сваком модулу (нпр. Зариа, јединство) за лак приступ.
Безбедност: Свијеће кисеоника дизајнирани су тако да буду сигурни у свемиру - они не производе отворени пламен (само топлоту), а натријум-хлорид нуспроизвод није - токсичан (прикупља се у филтеру и касније је уклоњен током теретних мисија). Међутим, користе се само као крајње средство због ограниченог капацитета и потребу за ручном активацијом.
3.3 Регенеративна животна подршка: рециклирање кисеоника из ЦОУ
ИСС-овиСистем за контролу заштите животне средине и животне подршке (ЕЦЛСС)Укључује регенеративну компоненту која рециклира кисеоник из ЦОУ - смањујући потребу за новом производњом кисеоника. То се ради путемСклоп уклањања угљен-диоксида (ЦДРа)(Амерички сегмент) иВоздукх систем(Руски сегмент):
ЦДРА (амерички сегмент): Користи два - корак који се зовеСолидна аминска водена десорпцијаДа бисте уклонили ЦОУ и производе кисеоник:
Адсорпција: Ваздух из исме је пумпано кроз кревет од чврстог амина (хемијско једињење које се веже за ЦО₂). Амине замке цо₂, док чисти ваздух (без ЦОУ) враћа се на станицу.
Производња десорпције и кисеоника: Кад је амински кревет засићен, то је загреван да се ослободи заробљене ЦО. ЦОУ је затим реаговао водоник (из ОГС-овог процеса електролизе) у аСабатиер Реацтор(Још једна ЕЦЛСС компонента) за производњу воде (х₂о) и метан (ЦХ₄). Вода се затим шаље на ОГС да би се поделила у кисеоник и водоник, стварајући затворену петљу.
Воздукх систем (руски сегмент): Користи сличан процес, али са другачијим хемијским (литијум хидроксидом, Лиох) да апсорбује ЦО₂. За разлику од ЦДРРА-е, Воздукх систем не рециклира у кисеоник - уместо тога, Лиох се одбацује након што постане засићен (замењује се путем теретних мисија). Међутим, то је једноставније и поузданије од ЦДРа, што га чини драгоценим резервним копијама.
Регенеративни систем смањује захтеву кисеоника ИСС-а за ~ 40% - Критичка појачања ефикасности који минимизира потребу за преградама мисија. На пример, без рециклирања, станица би требала ~ 9,8 кг кисеоника дневно за 7 астронаута; Са рециклирањем, ово пада на ~ 5,88 кг.
4. Осигуравање отпорности за хитне случајеве
Поред секундарних извора, ИСС има наменске системе за складиштење кисеоника за обраду вршне потражње и ванредних ситуација. Ови системи су дизајнирани за чување кисеоника у два облика: висок - гас под притиском и течношћу.
4.1 Хигх - складиштење притиска на гас (амерички сегмент)
Амерички сегмент јеВисок - резервоари за притисак на гасналазе се у чвору 1 (јединство) и чвор модула 3 (спокојна). Ови резервоари:
Дизајн: Сферични резервоари направљени од инцомела (никл - алуминијумски алегацију отпоран на корозију и високе температуре) са капацитетом од ~ 150 литара. Они складиште кисеоник на 6.000 ПСИ (41,4 МПа) - двоструко више притиска резервоара руске сегменте - омогућавајући више кисеоника да се чува у мањем простору.
Капацитет: Сваки резервоар има ~ 100 кг кисеоника (довољно за 7 астронаута за ~ 17 дана). Амерички сегмент има 4 таквих тенкова, пружајући тоталну резервну копију од ~ 400 кг (довољно за ~ 68 дана).
Случај: Ови резервоари се користе за допуну ГРАС-а током вршне потражње (нпр. Када су два астронаута на свемиру, повећавајући потрошњу кисеоником за ~ 50%) и као резервна копија ако ОГС не успе. Такође се користе за потискивање станице након свемира (јер се неки ваздух изгуби током ЕВА).
4.2 Течни кисеоник (ЛОКС) Складиштење (само хитно)
Дуго - појма хитне случајеве (нпр. Месеци - дуги квар о ГРАС-у), ИСС може да смештаТечни кисеоник (ЛОКС)- исти облик који се користи у ракетном гориву. Лок се чува у:
Дизајн: Двоструко- зидни резервоари са вакуумима изолационим слојем да бисте је покренули ЛОКС на -183 степени (његова тачка кључања на 1 банкомат). Резервоари су мали (~ 50 литара сваки) због ограниченог простора на станици.
Капацитет: Танк од 50-литара ЛОКС-а држи ~ 60 кг кисеоника (пошто Лок има густину од 1,141 кг / Л), довољно за 7 астронаута за ~ 10 дана. ИСС има 2 такве тенкове, пружајући укупно ~ 120 кг (довољно за ~ 20 дана).
Изазови: Чување ЛОКС-а у свемиру је тешко јер је температура станице флуктуирала (од - 120 степени у сенци до 120 степени сунчеве светлости), узрокујући да се неки Лок прокупи (испаравају). Да би се смањили кључ, резервоари су опремљени гријачима који регулишу температуру и вентил за помоћ под притиском који врте вишак гаса (који се затим заробљава и користи у атмосфери станице).
5. Осигуравање јединствене понуде преко модула
ИСС је сложена мрежа од 16 модула (од 2024. године), укључујући стамбене четврти (нпр. Кухарте за посаде), лабораторије (нпр. Цолумбус, Кибо) и сервисни модули (нпр. Звезда, Наука). Да би се осигурало да сваки модул има конзистентно 21% концентрације кисеоника, станица користи аЦентрализовани систем дистрибуцијеса следећим компонентама:
5.1 Фанови циркулације ваздуха
Сваки модул има 4-6навијачи за циркулацију ваздухакоји помера ваздух брзином од ~ 1 кубног метра у минути. Ови фанови:
Спречите стагнантне зраке за ваздух (што би могло довести до ниског нивоа кисеоника у угловима модула).
Помешајте ново произведени кисеоник са постојећим ваздухом да бисте одржали концентрацију од 21%.
Пусх Аир-а кроз ЦДРРА / ВОЗДУКХ системе за уклањање ЦО₂ и контаминаната.
Навијачи су критични јер, у микрограристи (безмерности), ваздух не цирише природно (као што то чини на земљи због конвекције). Без обожаватеља астронаути би могли да доживе хипоксију у подручјима далеко од извора кисеоника.
5.2 Вентили и цеви
Мрежа одЦеви од нехрђајућег челика(2-4 инча у пречнику) Повезује ОГС, резервоаре за складиштење и модуле. Свака цев је опремљена:
Соленоидни вентили: Електрично контролисани вентили који се отварају и блиски да би регулисали проток кисеоника. Ови вентили су сувишни (свака цев има два вентила) како би се спречило цурење.
Сензори притиска: Надгледа притисак у цеви како би се осигурало да одговара атмосферском притиску станице (101,3 кПа). Ако пада притиска (нпр. Због цурења), сензори покрећу аларм и затварају погођени вентили.
Филтри: Уклоните прашину и крхотине са кисеоника да спречите оштећење навијача и система за животну подршку.
5.3 модул - Специфични регулатори
Сваки модул имарегулатор притискакоји прилагођава проток кисеоника у модул на основу његове величине и заузећа. На пример:
Мали модули (нпр. Култери посаде, који су ~ 10 кубних метара) захтевају нижу проток (~ 0,1 кг кисеоника дневно) од великих модула (нпр. Лабораторија Цолумбус, која је ~ 75 кубних метара, која је ~ 75 кубних метара, која је ~ 75 кубних метара).
Регулатори такође осигуравају да притисак модула остане на 101,3 кПа, чак и ако се нафтују други модули (нпр. Након свемира).
