Mednarodna vesoljska postaja (ISS) - Bivalna umetna satelitska zemlja na nadmorski višini ~ 400 kilometrov - se opira na prefinjeni, zaprti - zanko kisika, da bi v mesecih obdržali svojo posadko 7 astronavtov (največje zmogljivosti). Za razliko od Zemlje, kjer je kisik v atmosferi, je prostor vakuum brez naravnega vira kisika. To pomeni, da mora ISS proizvajati, shranjevati, distribuirati in reciklirati kisik v celoti na plošči -, hkrati pa upravljati tudi odpadne pline, kot je ogljikov dioksid (Co₂). Zasnova sistema daje prednost zanesljivosti (da bi se izognili življenjskim - grozečimi okvarami), učinkovitosti (za zmanjšanje misij do dobave) in prilagodljivosti (za obvladovanje sprememb velikosti posadke in napak opreme). Spodaj je obsežna razčlenitev sistema kisika ISS, vključno z njegovimi temeljnimi sestavnimi deli, delovnimi načeli, izzivi in rezervnimi protokoli.
1. ohranjanje bivalnega vzdušja
Preden se poglabljamo v tehnične podrobnosti, je ključnega pomena razumeti glavni cilj sistema ISS kisika: vzdrževanje vzdušja, ki posnema Zemljo čim bolj tesno. Za preživetje človeka zahteva ISS:
Koncentracija kisika: 21% (enako kot zemeljska atmosfera), ki je optimalna raven za dihanje in izogibanje hipoksiji (nizki kisik) ali toksičnosti kisika (visok kisik).
Pritisk: 101,3 kilopaskal (KPA) ali 1 atmosfera (ATM) -, ki ustreza morje - tlak na zemlji. To preprečuje dekompresijsko bolezen (tveganje, ko tlak pade prenizko) in omogoča astronavtom, da normalno dihajo brez specializirane opreme (razen med vesoljskimi ploščami).
Čiščenje plina: Odstranjevanje odpadnih plinov, kot je Co₂ (proizveden z dihanjem) in onesnaževalcev v sledovih (npr. Hlapne organske spojine iz opreme ali hrane).
Da bi to dosegli, kisik sistem deluje kot aSemi - zaprta zanka- Proizvaja nov kisik, reciklira kisik iz tokov odpadkov, hrani presežek kisika za nujne primere in ga enakomerno porazdeli po modulih postaje.
2. Sistem za nastajanje kisika (OG)
Glavni vir kisika ISS jeSistem za ustvarjanje kisika (OG), modularna nastavitev, ki sta jo razvila NASA in ruski Roscosmos (s prispevki Evropske vesoljske agencije, ESA in Japonske Aerospace Agency Agency, Jaxa). OGS uporabljaElektroliza- Isti kemični proces, ki se uporablja v nekaterih zemeljskih generatorjih na osnovi -, ki kisik na osnovi -, da razdeli vodo (h₂o) na kisik (o₂) in vodik (H₂). Tu je podrobna razčlenitev njegovih komponent in delovanja:
2.1 komponente OGS
OGS je sestavljen iz treh ključnih podsistemov, vsak s specializirano strojno opremo:
Sklop za predelavo vode (WPA): Pred elektrolizo je treba vodo očistiti, da odstranijo onesnaževalce (npr. Soli, organske snovi), ki bi lahko poškodovali elektrode OGS. WPA zbira vodo iz treh virov:
Reciklirana voda: Kondenzat iz zraka postaje (vodna para zaradi dihanja in znojenja), obdelane odpadne vode (npr. Iz umivalnikov, tušev) in urina (predelamo s sklopom predelave urina, UPA).
Voda za odstranjevanje: Voda, ki se dostavlja prek tovornega vesoljskega plovila (npr. Spacex's Dragon, Northrop Grumman's Cygnus) kot varnostna kopija, ko reciklirani sistemi ne uspejo.
Voda gorivne celice: Stranski produkt nekdanjih gorivnih celic postaje (ki se uporablja za proizvodnjo električne energije pred namestitvijo sončnih nizov). Medtem ko gorivne celice niso več primarni viri energije, se njihova preostala voda še vedno uporablja, če je na voljo.
Modul za elektrolizo (EM): Srce OGS, EM vsebuje dvaTrdne oksidne elektrolize (SOEC)- Napredne naprave, ki uporabljajo visoke temperature (600–800 stopinj) za razdelitev vode na kisik in vodik. Za razliko od tradicionalnih sistemov elektrolize (ki uporabljajo tekoče elektrolite), SOEC uporabljajo trdni keramični elektrolit, ki je učinkovitejši, kompakten in trpežen v prostoru. Tukaj deluje postopek:
Prečiščena voda se v SOEC dovaja kot pare (upari, da poveča učinkovitost).
Električni tok (iz sončnih nizov ISS) se uporablja za elektrode SOECS (anoda in katoda).
Pri anodi Steam reagira s keramičnim elektrolitom, da proizvaja kisiški plin (O₂), elektrone in vodikove ione (H⁺).
Elektroni tečejo skozi zunanje vezje (ustvarjajo majhno količino dodatne električne energije), medtem ko vodikovi ioni premikajo skozi elektrolit do katode.
Pri katodi se vodikovi ioni kombinirajo z elektroni, da tvorijo vodikov plin (H₂).
Podsistem za ravnanje s kisikom (OHS): Po proizvodnji se kisik iz EM predela in razdeli:
Hlajenje: Vroče kisikove plin (od SOEC) se ohladi na sobno temperaturo z uporabo toplotnih izmenjevalnikov (povezanih s sistemom toplotnega krmiljenja ISS).
Sušenje: Vsaka preostala vodna pala se odstrani z molekularnimi sito (podobno kot v koncentratorjih kisika na osnovi Zemlje -), da se prepreči kondenzacija v cevi postaje.
Distribucija: Suh, čisti kisik (99,999% čistosti) se pošlje v vzdušje ISS prek mreže ventilov in cevi, ki se meša z obstoječim zrakom, da se ohrani 21% koncentracija.
Odzračevanje vodika: ISS ne uporablja stranskega proizvoda vodika (saj postaja deluje na sončni energiji, ne pa vodikovih gorivnih celicah) in je odzračen v vesolje. To je ključna razlika od zgodnjih vesoljskih postaj, kot je MIR, ki je za proizvodnjo električne energije uporabljal vodik.
2.2 Učinkovitost in zmogljivost OGS
OGS je zasnovan tako, da ustreza dnevnemu povpraševanju po kisiku ISS, ki je ~ 0,84 kilograma (kg) na astronavta (kar ustreza ~ 588 litrov plinastega kisika pri 1 atm). Za 7. posadko sešteje ~ 5,88 kg kisika na dan. Ključne meritve uspešnosti OGS vključujejo:
Stopnja proizvodnje: Vsak SOEC lahko proizvede ~ 0,5 kg kisika na dan, tako da dva SOEC skupaj ustvarita ~ 1 kg na dan. Vendar sistem deluje v zamaknjenem načinu (en SOEC aktiven, eden v pripravljenosti), da zmanjša obrabo, kar ima za posledico neto proizvodnjo ~ 0,5 kg na dan. To pomeni, da samo OGS ne more izpolniti povpraševanja celotne posadke -, zato je potreba po dodatnih virih kisika (glej poglavje 3).
Energetska učinkovitost: SOEC so zelo učinkoviti in pretvorijo ~ 80% električne energije v kisik (v primerjavi s ~ 60% za tradicionalne elektrolize). To je ključnega pomena, ker imajo sončni nizi ISS omejene zmogljivosti (~ 120 kilovatov, KW, moči za vse sisteme).
Zanesljivost: OGS ima življenjsko dobo oblikovanja 15 let (razširjena od prvotnih 10 let) in vključuje odvečne komponente (npr. Varnostno kopiranje SOEC, ventili), da se prepreči okvare. Od svoje namestitve leta 2008 (v okviru modula ISS's Node 3, spokojnost), je OGS doživel le manjše težave (npr. Zamašene filtre vode), ki so bile rešene z oddaljenim odpravljanjem težav.
3. Varnostno kopiranje in dodatni sistemi
Medtem ko je OGS glavni vir kisika, se ISS opira na tri sekundarne sisteme, da se zagotovi neprekinjena ponudba - kritična za, ko OGS napake ali med največjim povpraševanjem (npr. Ko se velikost posadke začasno poveča).
3.1 Rezervoar za kisik pod tlakom (ruski segment)
Ruski segment ISS (RS) -, ki vključuje module, kot sta zvezda (servisni modul) in Nauka (večnamenski laboratorijski modul) -Plainizirani rezervoarji za kisikkot varnostna kopija. Ti rezervoarji so:
Oblikovanje: Cilindrični rezervoarji iz titanove zlitine (zdržati visok tlak in vesoljsko sevanje) s kapaciteto ~ 40 litrov. Osik shranjuje kot visok - tlačni plin (3.000 psi ali 20,7 mpa) - iste vrste, ki se uporablja v zemlji - na osnovi rezervoarjev za potapljanje, vendar spremenjene za prostor.
Oskrba: Rezervoarji se dostavijo na ISS prek ruskega tovornega vesoljskega plovila (npr. Napredek) in pritrjeni na zunanja pristanišča RS. Vsaka misija napredka ima 2–3 tankov, ki zagotavljajo ~ 100–150 kg kisika na misijo (dovolj za podporo posadke 7 za ~ 20–25 dni).
Uvajanje: Ko OGS ne uspe, RS -ov sistem za podporo odpira ventile, da sprosti kisik iz rezervoarjev v atmosfero postaje. Rezervoarji se uporabljajo tudi med vesoljskimi plovicami (EVA, ekstravehikularna aktivnost) za dobavo kisika na vesoljske obleke astronavtov.
3.2 Sveče za kisik (kemični generatorji kisika)
Za izredne razmere (nprkisikove sveče- kompaktni, kemični - generatorji, ki proizvajajo kisik s toplotno reakcijo. Te sveče so:
Kompozicija: Vsaka sveča je trden blok natrijevega klorata (NaClo₃), pomešanega s katalizatorjem (npr. Železni prah) in gorivom (npr. Aluminija). Ko se vžge, se natrijev klorat razgradi pri visokih temperaturah (500–600 stopinj), da nastane kisikov plin in natrijev klorid (namizna sol).
Sposobnost: Ena sama sveča (tehta ~ 1 kg) proizvede ~ 60 litrov kisika (dovolj za enega astronavta ~ 10 ur). ISS nosi ~ 100 sveč, shranjenih v zabojnikih za ognjevate v vsakem modulu (npr. Zarya, Unity) za enostaven dostop.
Varnost: Osygen sveče so zasnovane tako, da so varne v prostoru - Ne proizvajajo odprtih plamenov (samo toplota), stranski produkt natrijevega klorida pa ni - strupen (zbira se v filtru in pozneje odstranjena med tovornjami). Vendar se kot zadnjo možnost uporabljajo le zaradi omejene zmogljivosti in potrebe po ročni aktivaciji.
3.3 Regenerativna življenjska podpora: recikliranje kisika iz Co₂
ISSSistem za nadzor okolja in življenjske podpore (ECLS)Vključuje regenerativno komponento, ki reciklira kisik iz Co₂ -, kar zmanjšuje potrebo po novi proizvodnji kisika. To se naredi prekSklop odstranjevanja ogljikovega dioksida (CDRA)(ZDA segment) inVozdukh sistem(Ruski segment):
CDRA (ZDA segment): Uporablja dva - korak, ki se imenujeTrdna desorpcija aminske vodeČe želite odstraniti co₂ in proizvajati kisik:
Co₂ adsorpcija: Zrak iz ISS se črpa skozi posteljo trdnega amina (kemična spojina, ki se veže na co₂). Amin lovi Co₂, medtem ko se čisti zrak (brez Co₂) vrne na postajo.
Desorpcija in proizvodnja kisika: Ko je aminska ležišče nasičena, se segreje, da sprosti ujeti co₂. Co₂ se nato reagira z vodikom (iz procesa elektrolize OGS) v aSabatier reaktor(Še ena komponenta ECLSS) za proizvodnjo vode (H₂O) in metana (ch₄). Nato se voda pošlje na OG, da se razdeli na kisik in vodik, kar ustvari zaprto zanko.
Vozdukh sistem (ruski segment): Uporablja podoben postopek, vendar z drugačnim kemičnim (litijevim hidroksidom, LIOH) za absorpcijo Co₂. Za razliko od CDRA sistem Vozdukh ne reciklira v kisik - namesto tega se LIOH zavrže, ko postane nasičen (nadomeščena se prek tovornih misij). Vendar je preprostejši in zanesljivejši od CDRA, zaradi česar je dragocena varnostna kopija.
Regenerativni sistem zmanjšuje povpraševanje po kisiku ISS za ~ 40%- kritični dobiček učinkovitosti, ki zmanjšuje potrebo po ponovnem dobavi misij. Na primer, brez recikliranja, bi postaja za 7 astronavtov potrebovala ~ 9,8 kg kisika na dan; Z recikliranjem to pade na ~ 5,88 kg.
4. zagotavljanje odpornosti za nujne primere
Poleg sekundarnih virov ima ISS namenjene sisteme za shranjevanje kisika za obvladovanje največjega povpraševanja in nujnih primerov. Ti sistemi so zasnovani za shranjevanje kisika v dveh oblikah: visok - tlačni plin in tekočina.
4.1 Visoka - shranjevanje tlačnega plina (ameriški segment)
Segment ZDAVisoki - rezervoarji za tlakse nahajajo v modulih vozlišča 1 (enotnost) in vozlišča 3 (spokojnost). Ti tanki:
Oblikovanje: Sferične rezervoarje, narejene iz inconela (nikelj - kromijeve zlitine, odporne proti koroziji in visokih temperaturah) z zmogljivostjo ~ 150 litrov. Shranjujejo kisik pri 6000 psi (41,4 MPA) - dvakrat večji tlak tankov ruskega segmenta -, kar omogoča, da se v manjšem prostoru shrani več kisika.
Sposobnost: Vsak rezervoar ima ~ 100 kg kisika (dovolj za 7 astronavtov za ~ 17 dni). Ameriški segment ima 4 take rezervoarje, ki zagotavlja skupno varnostno kopijo ~ 400 kg (dovolj za ~ 68 dni).
Primer uporabe: Ti rezervoarji se uporabljajo za dopolnitev OG -jev med največjim povpraševanjem (npr. Ko sta dva astronavta na vesoljskem sistemu, povečata porabo kisika za ~ 50%) in kot varnostna kopija, če OGS ne uspe. Uporabljajo se tudi za represizacijo postaje po vesoljskem zidu (ker se med EVA izgubi nekaj zraka).
4.2 Skladiščenje s tekočim kisikom (LOX) (samo v sili)
Za dolgo - terminske nujne primere (npr. Mesece - dolga okvara OGS), lahko ISS shraniTekoči kisik (LOX)- Enako obliko, ki se uporablja v raketnem gorivu. Lox je shranjen v:
Oblikovanje: Dvojno - stenske rezervoarje z vakuumsko izolacijsko plastjo, da ohrani lox pri -183 stopinj (njegova vrelišče pri 1 atm). Rezervoarji so majhni (~ 50 litrov) zaradi omejenega prostora na postaji.
Sposobnost: 50-litrski rezervoar Lox ima ~ 60 kg kisika (ker ima LOX gostoto 1,141 kg/L), dovolj za 7 astronavtov za ~ 10 dni. ISS ima 2 taka rezervoarja, ki zagotavlja skupno ~ 120 kg (dovolj za ~ 20 dni).
Izzivi: Shranjevanje LOX v prostoru je težko, ker temperatura postaje niha (od - 120 stopinj v senci do 120 stopinj sončne svetlobe), zaradi česar se nekateri lox zavrejo (izhlapijo). Da bi zmanjšali odplačilo, so rezervoarji opremljeni z grelniki, ki uravnavajo temperaturo, in tlačnim razbremenilnim ventilom, ki odtegne odvečni plin (ki se nato zajame in uporablja v atmosferi postaje).
5. Zagotavljanje enakomerne oskrbe po modulih
ISS je zapletena mreža 16 modulov (od leta 2024), vključno z bivalnimi prostori (npr. Črti posadke), laboratoriji (npr. Columbus, Kibo) in servisnimi moduli (npr. Zvezda, Nauka). Za zagotovitev, da ima vsak modul dosledno 21 -odstotno koncentracijo kisika, postaja uporablja acentraliziran distribucijski sistemz naslednjimi komponentami:
5.1 Izvidniki zraka
Vsak modul ima 4–6ventilatorji zračnega obtokata premika zrak s hitrostjo ~ 1 kubičnega metra na minuto. Ti oboževalci:
Preprečite stagnirane zračne žepe (kar bi lahko privedlo do nizke ravni kisika v vogalih modula).
Na novo proizvedeni kisik zmešajte z obstoječim zrakom, da ohranite 21 -odstotno koncentracijo.
Potisnite zrak skozi sisteme CDRA/Vozdukh, da odstranite co₂ in onesnaževalce.
Ventilatorji so kritični, ker zrak v mikrogravitaciji (breztežnost) ne kroži naravno (kot to počne na zemlji zaradi konvekcije). Brez oboževalcev bi astronavti lahko doživeli hipoksijo na območjih, ki so daleč od vira kisika.
5.2 ventili in cevi
MrežaCevi iz nerjavečega jekla(Premera 2–4 palcev) povezuje OGS, rezervoarje za shranjevanje in module. Vsaka cev je opremljena z:
Magnetni ventili: Električno nadzorovani ventili, ki se odpirajo in blizu uravnavanja pretoka kisika. Ti ventili so odvečni (vsaka cev ima dva ventila), da preprečijo puščanje.
Senzorji tlaka: Spremljajte tlak v ceveh, da se zagotovi, da ustreza atmosferskemu tlaku postaje (101,3 kPa). Če tlak pade (npr. Zaradi puščanja), senzorji sprožijo alarm in zaprejo prizadete ventile.
Filtri: Odstranite prah in naplavine iz kisika, da preprečite poškodbe ventilatorjev in sistemov za življenjsko podporo.
5.3 Modul - Specifični regulatorji
Vsak modul imaRegulator tlakaTo prilagodi pretok kisika v modul glede na njegovo velikost in zasedenost. Na primer:
Majhni moduli (npr. Črtine posadke, ki so ~ 10 kubičnih metrov) zahtevajo nižjo pretok (~ 0,1 kg kisika na dan) kot veliki moduli (npr. Kolumbusni laboratorij, ki je ~ 75 kubičnih metrov, ki zahtevajo ~ 0,5 kg na dan).
Regulatorji tudi zagotavljajo, da pritisk modula ostane pri 101,3 kPa, tudi če se drugi moduli represizirajo (npr. Po vesoljskem sistemu).
