Medzinárodná vesmírna stanica (ISS) - A obývateľná umelá satelitná obežná dráha Zem v nadmorskej výške ~ 400 kilometrov {{{}} sa spolieha na sofistikovanú, uzavretú - slučku Oxygen System na celé mesiace v čase. Na rozdiel od Zeme, kde je kyslík hojný v atmosfére, priestor je vákuum bez prírodného zdroja kyslíka. To znamená, že ISS musí produkovať, ukladať, distribuovať a recyklovať kyslík úplne na doske - a zároveň riadiť odpadové plyny, ako je oxid uhličitý (CO₂). Návrh systému uprednostňuje spoľahlivosť (aby sa predišlo životu - ohrozujúcimi poruchami), efektívnosťou (aby sa minimalizovalo zásobovanie misií) a adaptability (na zvládnutie zmien veľkosti posádky a poruchy zariadení). Nižšie je uvedené komplexné rozdelenie kyslíkového systému ISS vrátane jeho základných komponentov, pracovných princípov, výziev a záložných protokolov.
1. Udržiavanie obývateľnej atmosféry
Predtým, ako sa ponoríte do technických detailov, je dôležité pochopiť primárny cieľ kyslíka ISS: udržiavanie atmosféry, ktorá čo najbližšie napodobňuje Zem. Na prežitie ľudstva vyžaduje ISS:
Koncentrácia kyslíka: 21% (rovnako ako zemská atmosféra), ktorá je optimálnou úrovňou dýchania a vyhýbania sa hypoxii (nízkym kyslíkom) alebo kyslíkovou toxicitou (vysoký kyslík).
Tlak: 101,3 kilopascals (kPa) alebo 1 atmosféra (atm) - ekvivalent k more - tlakom na Zemi. To zabraňuje dekompresnej chorobe (riziko, keď tlak klesne príliš nízko) a umožňuje astronautom normálne dýchať bez špecializovaných zariadení (s výnimkou počas vesmírnych chodníkov).
Čistenie plynu: Odstránenie odpadových plynov, ako je CO₂ (produkované dýchaním) a stopové kontaminanty (napr. Prchavé organické zlúčeniny zo zariadení alebo potravín).
Aby sa to dosiahlo, systém kyslíka ISS funguje ako aSemi - uzavretá slučka- Vytvára nový kyslík, recykluje kyslík z odpadových tokov, ukladá prebytočný kyslík pre mimoriadne udalosti a rovnomerne ho distribuuje v moduloch stanice.
2. Systém tvorby kyslíka (OGS)
Hlavným zdrojom kyslíka ISS jeSystém výroby kyslíka (OGS), Modulárne nastavenie vyvinuté NASA a Rusko Roscosmos (s príspevkami Európskej vesmírnej agentúry, ESA a Japan Aerospace Exploration Agency, Jaxa). OGS používaelektrolýza- Rovnaký chemický proces, ktorý sa používa v niektorých zeminách - Generátory kyslíka {- na rozdelenie vody (H₂o) na kyslík (O₂) a vodík (H₂). Tu je podrobné rozdelenie jeho komponentov a prevádzky:
2,1 komponenty OGS
OGS pozostáva z troch kľúčových subsystémov, z ktorých každý má špecializovaný hardvér:
Zostava spracovania vody (WPA): Pred elektrolýzou sa musí voda vyčistiť, aby sa odstránili kontaminanty (napr. Soli, organická hmota), ktoré by mohli poškodiť elektródy OGS. WPA zhromažďuje vodu z troch zdrojov:
Recyklovaná voda: Kondenzát zo vzduchu stanice (vodná para z dýchania a potu), ošetrená odpadová voda (napr. Z drezu, sprchy) a moč (spracované zostavením spracovania moču, UPA).
Zásoba vodou: Voda dodávaná prostredníctvom nákladnej kozmickej lode (napr. SpaceX's Dragon, Northrop Grumman's Cygnus) ako záloha, keď recyklačné systémy zlyhajú.
Voda: Vedľajší produkt bývalých palivových článkov stanice (používaný na výrobu elektriny pred inštaláciou solárnych polí). Zatiaľ čo palivové články už nie sú primárnymi zdrojmi energie, ich zvyšková voda sa stále používa, ak je k dispozícii.
Elektrolýza (EM): Srdce OGS, EM obsahuje dvaBunky elektrolýzy tuhého oxidu (SOEC)- Pokročilé zariadenia, ktoré používajú vysoké teploty (600 - 800 stupňov) na rozdelenie vody na kyslík a vodík. Na rozdiel od tradičných elektrolytických systémov (ktoré používajú kvapalné elektrolyty), SOEC používajú tuhé keramické elektrolyt, ktorý je efektívnejší, kompaktnejší a odolný vo vesmíre. Takto funguje proces:
Purifikovaná voda sa privádza do SOES ako para (odparená, aby sa zvýšila účinnosť).
Elektrický prúd (zo solárnych polí ISS) sa aplikuje na elektródy SOECS (anóda a katóda).
V anóde reaguje para s keramickým elektrolytom, aby sa vytvoril kyslíkový plyn (O₂), elektróny a ióny vodíka (H⁺).
Elektróny tečú cez vonkajší obvod (vytvárajúc malé množstvo dodatočnej elektriny), zatiaľ čo vodíkové ióny sa pohybujú elektrolytom do katódy.
V katóde sa vodíkové ióny kombinujú s elektrónmi za vzniku plynného vodíka (H₂).
Subsystém manipulácie s kyslíkom (OHS): Po výrobe sa kyslík z EM spracuje a distribuuje:
Chladenie: Horúci kyslíkový plyn (zo SOECS) sa ochladí na teplotu miestnosti pomocou tepelných výmenníkov (pripojených k tepelnému riadiacemu systému ISS).
Sušenie: Akákoľvek zostávajúca vodná para sa odstraňuje pomocou molekulárnych simov (podobných tým v zemine - koncentrátorov kyslíka), aby sa zabránilo kondenzácii v potrubiach stanice.
Distribúcia: Suchý čistý kyslík (99,999% čistota) sa odosiela do atmosféry ISS prostredníctvom siete ventilov a potrubí, pričom sa mieša s existujúcim vzduchom, aby sa udržala koncentrácia 21%.
Odvzdušnenie vodíka: Vedľajší produkt vodíka nepoužíva ISS (pretože stanica beží na solárnych výkonoch, nie na vodíkových palivových článkoch) a odvetrá sa do vesmíru. Toto je kľúčový rozdiel od skorých vesmírnych staníc, ako je MIR, ktorý používal vodík na výrobu elektriny.
2.2 Účinnosť a kapacita OGS
OGS je navrhnutý tak, aby uspokojil denný dopyt kyslíka ISS, ktorý je ~ 0,84 kilogramov (kg) na astronaut (ekvivalent ~ 588 litrov plynného kyslíka pri 1 atm). Pre posádku 7 to predstavuje ~ 5,88 kg kyslíka za deň. Kľúčové metriky výkonnosti OGS zahŕňajú:
Výrobná miera: Každý SOEC môže produkovať ~ 0,5 kg kyslíka za deň, takže dve SOES spolu generujú ~ 1 kg za deň. Systém je však prevádzkovaný v rozloženom režime (jeden SOEC aktívny, jeden v pohotovostnom režime), aby sa znížil opotrebenie, čo vedie k čistej výrobe ~ 0,5 kg za deň. To znamená, že samotný OGS nemôže splniť dopyt celej posádky -, preto je potrebné ďalšie zdroje kyslíka (pozri oddiel 3).
Energetická účinnosť: SOES sú vysoko účinné, premieňajú ~ 80% elektrickej energie na kyslík (v porovnaní s ~ 60% pre tradičné elektrolýzové systémy). Je to kritické, pretože solárne polia ISS majú obmedzenú kapacitu (~ 120 kilowattov, KW, energie pre všetky systémy).
Spoľahlivosť: OGS má dizajnovú životnosť 15 rokov (predĺžená od pôvodných 10 rokov) a zahŕňa redundantné komponenty (napr. Záložné SOES, ventily), aby sa zabránilo zlyhaniam. Od svojej inštalácie v roku 2008 (ako súčasť modulu ISS Node 3, pokoj), OGS zaznamenala iba menšie problémy (napr. Zanesené vodné filtre), ktoré boli vyriešené pomocou vzdialeného riešenia problémov.
3. Zálohovanie a doplnkové systémy
Zatiaľ čo OGS je primárnym zdrojom kyslíka, ISS sa spolieha na tri sekundárne systémy, aby sa zabezpečilo nepretržité dodávky - pre, keď poruchy OGS alebo počas maximálneho dopytu (napr. Keď sa veľkosť posádky dočasne zvyšuje).
3,1 tlakom kyslíkových nádrží (ruský segment)
Ruský segment ISS (RS) -, ktorý obsahuje moduly ako zvezda (servisný modul) a nauka (viacúčelové laboratórny modul) - používatlakové kyslíkové nádržeAko záloha. Tieto tanky sú:
Návrh: Valcovité nádrže vyrobené z zliatiny titánu (na odolávanie vysokému tlaku a vesmírneho žiarenia) s kapacitou ~ 40 litrov. Ukladajú kyslík ako vysoký - tlakový plyn (3 000 psi alebo 20,7 MPa) - Rovnaký typ, aký sa používa v zemských nádrži založených na zemi, ale upravené pre priestor.
Dodávka: Tanky sa dodávajú do ISS prostredníctvom ruského nákladného kozmickej lode (napr. Progress) a pripojené k vonkajším prístavom RS. Každá misia Progress má 2–3 tanky, ktoré poskytuje ~ 100–150 kg kyslíka na misiu (dosť na podporu posádky 7 po dobu ~ 20–25 dní).
Nasadenie: Keď OGS zlyhá, systém podpory života RS otvára ventily a uvoľňuje kyslík z nádrží do atmosféry stanice. Tanky sa používajú aj počas vesmírnych chodníkov (EVA, extravehikulárna aktivita) na dodávanie kyslíka do priestorov astronautov.
3,2 kyslíkové sviečky (chemické generátory kyslíka)
V prípade núdzových situácií (napr. Hlavné zlyhanie OGS v kombinácii s oneskorením v nákladnom zásobovaní), ISS používakyslíkové sviečky- kompaktné, chemické - generátory, ktoré produkujú kyslík pomocou tepelnej reakcie. Tieto sviečky sú:
Kompozícia: Každá sviečka je tuhý blok chlorečenia sodného (Naclo₃) zmiešaný s katalyzátorom (napr. Prám železa) a palivom (napr. Hliník). Pri zapálení sa chloretný sodný rozkladá pri vysokých teplotách (500 - 600 stupňov) na výrobu plynného kyslíka a chloridu sodného (stolová soľ).
Kapacita: Jedna sviečka (s hmotnosťou ~ 1 kg) produkuje ~ 60 litrov kyslíka (dosť pre jedného astronauta po dobu ~ 10 hodín). ISS nesie ~ 100 sviečok uložených v ohňom odolných nádobách v každom module (napr. Zarya, Unity) pre ľahký prístup.
Bezpečnosť: Kyslíkové sviečky sú navrhnuté tak, aby boli bezpečné v priestore - nevyrábajú otvorené plamene (iba teplo) a vedľajší produkt chloridu sodného nie je toxický non - toxický (zhromažďuje sa vo filtri a neskôr sa odstráni počas nákladných misií). Používajú sa však iba ako posledná možnosť kvôli svojej obmedzenej kapacite a potrebe manuálnej aktivácie.
3.3 Podpora regeneračného života: recyklácia kyslíka z CO₂
ISSSystém environmentálnej kontroly a podpory života (ECLSS)Zahŕňa regeneratívnu zložku, ktorá recykluje kyslík z CO₂ - znižuje potrebu novej výroby kyslíka. To sa deje prostredníctvomZostava odstraňovania oxidu uhličitého (CDRA)(Segment USA) aSystém(Ruský segment):
CDRA (segment USA): Používa dva - krokový proces s názvomDesorpcia s pevnou amínovou vodouOdstránenie CO₂ a produkcia kyslíka:
Adsorpcia: Vzduch z ISS sa čerpá cez lôžko tuhého amínu (chemická zlúčenina, ktorá sa viaže na CO₂). Amínové pasce Co₂, zatiaľ čo čistý vzduch (bez CO₂) sa vracia na stanicu.
Desorpcia a výroba kyslíka: Keď je amínové lôžko nasýtené, zahrieva sa tak, aby uvoľnila zachytený CO₂. CO₂ potom reaguje s vodíkom (z procesu elektrolýzy OGS) v aReaktor Sabatier(ďalšia zložka ECLSS) na výrobu vody (H₂o) a metánu (CH₄). Voda sa potom pošle do OGS, aby sa rozdelila na kyslík a vodík, čím sa vytvorí uzavretá slučka.
Vozdukh systém (ruský segment): Používa podobný proces, ale s inou chemikáliou (lítium hydroxid, liOH) na absorbovanie CO₂. Na rozdiel od CDRA systém Vozdukh namiesto toho recykluje CO₂ na kyslík -, LIOH sa po tom, čo sa stane nasýteným (je nahradený nákladnými misiami). Je však jednoduchšia a spoľahlivejšia ako CDRA, čo z neho robí cennú zálohu.
Regeneratívny systém znižuje dopyt kyslíka ISS o ~ 40%- kritický zisk účinnosti, ktorý minimalizuje potrebu misií na zásobovanie. Napríklad bez recyklácie by stanica potrebovala ~ 9,8 kg kyslíka za deň pre 7 astronautov; Pri recyklácii to klesne na ~ 5,88 kg.
4. Zabezpečenie odolnosti v prípade mimoriadnych udalostí
Okrem sekundárnych zdrojov má ISS vyhradené systémy ukladania kyslíka na zvládnutie špičkového dopytu a mimoriadnych udalostí. Tieto systémy sú navrhnuté tak, aby ukladali kyslík v dvoch formách: High - tlakový plyn a kvapalina.
4.1 Vysoký - tlakové skladovanie plynu (segment v USA)
Segment USAVysoké - tlakové plynové nádržesa nachádzajú v moduloch uzla 1 (Unity) a uzla 3 (pokoj). Tieto tanky:
Návrh: Sférické nádrže vyrobené z Inconel (nikel - zliatiny chrómu odolné voči korózii a vysokých teplotách) s kapacitou ~ 150 litrov. Ukladajú kyslík pri 6 000 psi (41,4 MPa) - Dvojnásobok tlaku tankov ruského segmentu -, čo umožňuje skladovať viac kyslíka v menšom priestore.
Kapacita: Každá nádrž má ~ 100 kg kyslíka (dosť pre 7 astronautov po dobu ~ 17 dní). Segment USA má 4 takéto tanky, ktoré poskytujú celkovú zálohu ~ 400 kg (dosť na ~ 68 dní).
Použitia: Tieto nádrže sa používajú na doplnenie OGS počas maximálneho dopytu (napr. Keď sú dvaja astronauti na kozmickom chodníku, zvyšujú spotrebu kyslíka o ~ 50%) a ako zálohu, ak zlyhá OGS. Používajú sa tiež na represiu stanice po vesmírnom chodníku (pretože počas EVA sa stratí určitý vzduch).
4.2 Skladovanie kvapalného kyslíka (LOX) (iba núdzové)
Pre dlhé - mimoriadne mimoriadne udalosti (naprkvapalný kyslík (lox)- Rovnaká forma použitá v raketovom palive. Lox je uložený v:
Návrh: Double - Nádrže na steny s vákuovou izolačnou vrstvou, aby sa Lox udržal na -183 stupňa (jeho bod varu pri 1 atm). Tanky sú malé (každý ~ 50 litrov) kvôli obmedzenému priestoru na stanici.
Kapacita: 50-litrová nádrž Lox drží ~ 60 kg kyslíka (pretože Lox má hustotu 1,141 kg/l), čo je dosť pre 7 astronautov po dobu ~ 10 dní. ISS má 2 takéto tanky, ktoré poskytujú celkom ~ 120 kg (dosť na ~ 20 dní).
Výziev: Ukladanie loxu vo vesmíre je ťažké, pretože teplota stanice kolíše (od - 120 stupňov tieňa na 120 stupňov slnečného svetla), čo spôsobuje, že sa trochu vyschne (odparenie). Aby sa minimalizovalo variť, nádrže sú vybavené ohrievačmi, ktoré regulujú teplotu a ventil na tlak, ktorý ovláda prebytočný plyn (ktorý sa potom zachytáva a používa v atmosfére stanice).
5. Zabezpečenie jednotného dodávky naprieč modulmi
ISS je zložitá sieť 16 modulov (od roku 2024), vrátane obytných štvrtí (napr. Kvšinové štvrťroky), laboratórií (napr. Columbus, Kibo) a servisných modulov (napr. Zvezda, Nauka). Aby sa zabezpečilo, že každý modul má konzistentnú 21% koncentráciu kyslíka, stanica používa acentralizovaný distribučný systéms nasledujúcimi komponentmi:
5.1 ventilátory cirkulácie vzduchu
Každý modul má 4–6ventilátory cirkulácie vzduchuktorý pohybuje vzduchom rýchlosťou ~ 1 kubickým metrom za minútu. Títo fanúšikovia:
Zabráňte stagnujúcim vzduchovým vreckám (čo by mohlo viesť k nízkym hladinám kyslíka v rohoch modulu).
Zmiešajte novo vyrobený kyslík s existujúcim vzduchom, aby ste udržali 21% koncentráciu.
Presuňte vzduch cez systémy CDRA/Vozdukh, aby ste odstránili CO₂ a kontaminanty.
Fanúšikovia sú kritickí, pretože v mikrogravitácii (beztiažnosť) vzduch prirodzene cirkuluje (ako to robí na Zemi v dôsledku konvekcie). Bez fanúšikov by astronauti mohli zažiť hypoxiu v oblastiach ďaleko od zdroja kyslíka.
5.2 Ventily a potrubia
Sieťpotrubia z nehrdzavejúcej ocele(S priemerom 2–4 palcov) spája OG, úložné nádrže a moduly. Každé potrubie je vybavené:
Solenoidové ventily: Elektricky riadené ventily, ktoré sa otvárajú a sú blízko, aby regulovali prietok kyslíka. Tieto ventily sú redundantné (každé potrubie má dva ventily), aby sa zabránilo úniku.
Senzory tlaku: Monitorujte tlak v potrubiach, aby sa zabezpečilo, že zodpovedá atmosférickému tlaku stanice (101,3 kPa). Ak tlak klesne (napr. V dôsledku úniku), senzory spustia alarm a zatvorte postihnuté ventily.
Filtre: Odstráňte prach a zvyšky z kyslíka, aby ste zabránili poškodeniu fanúšikov a systémov podpory života.
5.3 Modul - Špecifické regulátory
Každý modul má aregulátor tlakuTo upravuje tok kyslíka do modulu na základe jeho veľkosti a obsadenosti. Napríklad:
Malé moduly (napr. Posádky, ktoré sú ~ 10 kubických metrov) vyžadujú nižší prietok (~ 0,1 kg kyslíka za deň) ako veľké moduly (napr. Laboratórium Columbus, ktoré je ~ 75 kubických metrov, čo vyžaduje ~ 0,5 kg za deň).
Regulátory tiež zabezpečujú, aby tlak modulu zostal na 101,3 kPa, aj keď sa reptlačia iné moduly (napr. Po vesmírnom chodníku).
