Stația spațială internațională (ISS) - Un satelit artificial locuibil care orbitează pe pământ la o altitudine de ~ 400 kilometri - se bazează pe un sistem sofisticat, închis -, pentru a -și susține echipajul de 7 astronaut (capacitatea maximă) timp de luni. Spre deosebire de Pământ, unde oxigenul este abundent în atmosferă, spațiul este un vid fără sursă naturală de oxigen. Aceasta înseamnă că ISS trebuie să producă, să stocheze, să distribuie și să recicleze oxigenul în întregime pe placa -, gestionând în același timp gaze reziduale precum dioxidul de carbon (CO₂). Proiectarea sistemului prioritizează fiabilitatea (pentru a evita viața - eșecuri amenințătoare), eficiență (pentru a minimiza misiunile de aprovizionare) și adaptabilitatea (pentru a gestiona schimbările de dimensiuni ale echipajului și defecțiunile echipamentelor). Mai jos este o defalcare cuprinzătoare a sistemului de oxigen ISS, inclusiv componentele sale de bază, principiile de lucru, provocările și protocoalele de rezervă.
1. susținând o atmosferă locuibilă
Înainte de a intra în detalii tehnice, este esențial să înțelegem obiectivul principal al sistemului de oxigen ISS: menținerea unei atmosfere care imită pe Pământ cât mai aproape posibil. Pentru supraviețuirea umană, ISS necesită:
Concentrația de oxigen: 21% (la fel ca atmosfera Pământului), care este nivelul optim pentru respirație și evitarea hipoxiei (oxigen scăzut) sau toxicitatea de oxigen (oxigen ridicat).
Presiune: 101.3 kilopascals (kPa) sau 1 atmosferă (atm) - echivalent cu mare - presiune la nivel pe pământ. Acest lucru împiedică boala de decompresie (un risc atunci când presiunea scade prea scăzută) și permite astronauților să respire normal fără echipamente specializate (cu excepția în timpul trotuarelor spațiale).
Spălarea gazelor: Îndepărtarea gazelor reziduale precum CO₂ (produsă prin respirație) și contaminanți de urmărire (de exemplu, compuși organici volatili din echipamente sau alimente).
Pentru a realiza acest lucru, sistemul de oxigen ISS funcționează ca unSemi - buclă închisă- produce un nou oxigen, recicla oxigenul din fluxurile de deșeuri, stochează excesul de oxigen pentru situații de urgență și îl distribuie uniform în modulele stației.
2. Sistemul de generare a oxigenului (OGS)
Principala sursă de oxigen a ISS esteSistem de generare a oxigenului (OGS), o configurație modulară dezvoltată de NASA și Rusia Roslosmos (cu contribuții de la Agenția Spațială Europeană, ESA și Agenția de Explorare Aerospațială din Japonia, JAXA). OGS utilizeazăelectroliză{{0} # Iată o defalcare detaliată a componentelor și a funcționării sale:
2.1 Componentele OG -urilor
OGS este format din trei subsisteme cheie, fiecare cu hardware specializat:
Ansamblul de procesare a apei (WPA): Înainte de electroliză, apa trebuie purificată pentru a îndepărta contaminanții (de exemplu, săruri, materie organică) care ar putea deteriora electrozii OGS. WPA colectează apă din trei surse:
Apă reciclată: Condensat din aerul stației (vapori de apă din respirație și transpirație), apele uzate tratate (de exemplu, de la chiuvete, dușuri) și urină (prelucrată de ansamblul de procesare a urinei, UPA).
Apă de aprovizionare: Apa livrată prin nave spațiale de marfă (de exemplu, SpaceX's Dragon, Northrop Grumman's Cygnus) ca o copie de rezervă pentru când sistemele de reciclare nu reușesc.
Apa cu celule de combustibil: Un produs secundar al fostelor celule de combustibil ale stației (utilizat pentru a genera electricitate înainte de instalarea tablourilor solare). În timp ce celulele de combustibil nu mai sunt surse de energie primare, apa lor reziduală este încă utilizată dacă este disponibilă.
Modul de electroliză (EM): Inima OG -urilor, EM conține douăCelulele electrolizei cu oxid solid (SOEC)- Dispozitive avansate care utilizează temperaturi ridicate (600–800 grade) pentru a împărți apa în oxigen și hidrogen. Spre deosebire de sistemele tradiționale de electroliză (care utilizează electroliți lichizi), SOEC -urile folosesc un electrolit ceramic solid care este mai eficient, compact și mai durabil în spațiu. Iată cum funcționează procesul:
Apa purificată este introdusă în SOEC -uri ca abur (vaporizată pentru a crește eficiența).
Un curent electric (din tablourile solare ale ISS) este aplicat electrozilor SOECS (anod și catod).
La anod, aburul reacționează cu electrolitul ceramic pentru a produce gaz de oxigen (O₂), electroni și ioni de hidrogen (H⁺).
Electronii curg printr -un circuit extern (generând o cantitate mică de electricitate suplimentară), în timp ce ionii de hidrogen se deplasează prin electrolit spre catod.
La catod, ionii de hidrogen se combină cu electronii pentru a forma hidrogen gaz (H₂).
Subsistem de manipulare a oxigenului (OHS): După producție, oxigenul de la EM este procesat și distribuit:
Răcire: Gazul fierbinte de oxigen (de la SOEC) este răcit la temperatura camerei folosind schimbătoare de căldură (conectat la sistemul de control termic al ISS).
Uscare: Orice vapori de apă rămași este îndepărtat folosind site moleculare (similar cu cele din Pământ - concentratoare de oxigen bazate pe pământ) pentru a preveni condensarea în conductele stației.
Distribuție: Oxigenul uscat, pur (99,999% puritate) este trimis în atmosfera ISS printr -o rețea de supape și conducte, amestecând cu aerul existent pentru a menține concentrația de 21%.
Ventilarea hidrogenului: Produsul secundar de hidrogen nu este utilizat de ISS (deoarece stația rulează pe energie solară, nu pe celule cu combustibil cu hidrogen) și este evacuată în spațiu. Aceasta este o diferență cheie față de stațiile spațiale timpurii precum MIR, care a folosit hidrogen pentru a genera electricitate.
2.2 Eficiența și capacitatea OG -urilor
OGS este conceput pentru a răspunde cererii zilnice de oxigen a ISS, care este de ~ 0,84 kilograme (kg) pe astronaut (echivalent cu ~ 588 litri de oxigen gazous la 1 atm). Pentru un echipaj de 7, acest lucru totalizează ~ 5,88 kg de oxigen pe zi. Valorile cheie ale performanței OGS includ:
Rata de producție: Fiecare SOEC poate produce ~ 0,5 kg de oxigen pe zi, astfel încât cele două SOEC -uri generează împreună ~ 1 kg pe zi. Cu toate acestea, sistemul este operat într -un mod eșalonat (unul SOEC activ, unul pe standby) pentru a reduce uzura, rezultând o producție netă de ~ 0,5 kg pe zi. Aceasta înseamnă că OG -urile singure nu pot satisface cererea completă a echipajului -, de aici, necesitatea unor surse suplimentare de oxigen (vezi Secțiunea 3).
Eficiența energetică: SOEC -urile sunt extrem de eficiente, transformând ~ 80% din energia electrică în oxigen (comparativ cu ~ 60% pentru sistemele tradiționale de electroliză). Acest lucru este esențial, deoarece tablourile solare ale ISS au o capacitate limitată (~ 120 kilowati, KW, de putere pentru toate sistemele).
Fiabilitate: OGS are o durată de viață a proiectării de 15 ani (prelungită de la cei 10 ani inițiali) și include componente redundante (de exemplu, SOEC -uri de rezervă, supape) pentru a preveni defecțiunile. De la instalarea sa în 2008 (ca parte a modulului ISS Nod 3, Tranquility), OGS a cunoscut doar probleme minore (de exemplu, filtre de apă înfundate) care au fost rezolvate prin depanare la distanță.
3. Sisteme de rezervă și suplimentare
În timp ce OGS este sursa principală de oxigen, ISS se bazează pe trei sisteme secundare pentru a asigura o aprovizionare continuă - critică pentru momentul în care OGS funcționează defecțiuni sau în timpul cererii maxime (de exemplu, când dimensiunea echipajului crește temporar).
3.1 Rezervoare de oxigen sub presiune (segment rus)
Segmentul rus al ISS (RS) - care include module precum zvezda (modul de service) și nauka (modul de laborator multifuncțional) - foloseșteRezervoare de oxigen sub presiuneCa o copie de rezervă. Aceste tancuri sunt:
Proiecta: Rezervoare cilindrice din aliaj de titan (pentru a rezista la presiune ridicată și radiații spațiale) cu o capacitate de ~ 40 litri fiecare. Acestea stochează oxigenul ca gaz ridicat - presiune (3.000 psi, sau 20,7 MPa) - același tip utilizat în rezervoare bazate pe pământ -, dar modificate pentru spațiu.
Livra: Tancurile sunt livrate la ISS prin intermediul navei spațiale de marfă rusești (de exemplu, progres) și atașate la porturile externe ale RS. Fiecare misiune de progres poartă 2–3 tancuri, oferind ~ 100-150 kg de oxigen pe misiune (suficient pentru a sprijini un echipaj de 7 timp de ~ 20-25 zile).
Implementare: Când OGS nu reușește, sistemul de sprijin pentru viață RS deschide supape pentru a elibera oxigenul din rezervoare în atmosfera stației. Rezervoarele sunt, de asemenea, utilizate în timpul trotuarelor spațiale (EVA, activitate extravehiculară) pentru a furniza oxigen pentru spațiul pentru astronauți.
3.2 Lumânări de oxigen (generatoare de oxigen chimic)
Pentru situații de urgență (de exemplu, un eșec major al OG -urilor combinat cu o întârziere în aprovizionarea încărcăturii), ISS foloseșteLumânări de oxigen- generatoare bazate pe substanțe chimice, chimice - care produc oxigen printr -o reacție termică. Aceste lumânări sunt:
Compoziţie: Fiecare lumânare este un bloc solid de clorat de sodiu (NaClo₃) amestecat cu un catalizator (de exemplu, pulbere de fier) și un combustibil (de exemplu, aluminiu). Când este aprins, cloratul de sodiu se descompune la temperaturi ridicate (500-600 grade) pentru a produce gaz de oxigen și clorură de sodiu (sare de masă).
Capacitate: O singură lumânare (cântărire ~ 1 kg) produce ~ 60 litri de oxigen (suficient pentru un astronaut timp de ~ 10 ore). ISS transportă ~ 100 de lumânări, păstrate în containere incendiate din fiecare modul (de exemplu, zarya, unitate) pentru acces ușor.
Siguranţă: Lumânările de oxigen sunt concepute pentru a fi în siguranță în spațiu - Nu produc flăcări deschise (doar căldură), iar produsul secundar de clorură de sodiu este non - toxic (este colectat într -un filtru și ulterior eliminat în timpul misiunilor de marfă). Cu toate acestea, acestea sunt utilizate doar ca ultimă soluție datorită capacității lor limitate și necesității activării manuale.
3.3 Suport de viață regenerativă: reciclarea oxigenului din CO₂
ISSSistemul de control al mediului și de asistență pentru viață (ECLS)Include o componentă regenerativă care recicla oxigenul de la CO₂ - reducând nevoia de producție de oxigen nouă. Acest lucru se face prin intermediulAnsamblu de îndepărtare a dioxidului de carbon (CDRA)(Segmentul SUA) șiSistem Vozdukh(Segment rus):
CDRA (segmentul american): Folosește un proces cu două - apelatDesorbția apei din amina solidăpentru a îndepărta CO₂ și a produce oxigen:
CO₂ Adsorbția: Aerul din ISS este pompat printr -un pat de amină solidă (un compus chimic care se leagă de CO₂). Amina capcane CO₂, în timp ce aerul curat (fără CO₂) este returnat în stație.
Desorbție și producție de oxigen: Când patul de amină este saturat, este încălzit pentru a elibera CO₂ prins. CO₂ este apoi reacționat cu hidrogen (din procesul de electroliză al OGS) într -unReactor Sabatier(o altă componentă ECLSS) pentru a produce apă (H₂O) și metan (CH₄). Apa este apoi trimisă la OG -uri pentru a fi împărțită în oxigen și hidrogen, creând o buclă închisă.
Sistemul Vozdukh (segmentul rus): Folosește un proces similar, dar cu o substanță chimică diferită (hidroxid de litiu, LIOH) pentru a absorbi CO₂. Spre deosebire de CDRA, sistemul Vozdukh nu reciclează CO₂ în oxigen - în schimb, LIOH este aruncat după ce se satura (este înlocuit prin misiuni de marfă). Cu toate acestea, este mai simplu și mai fiabil decât CDRA, ceea ce îl face o copie de rezervă valoroasă.
Sistemul regenerativ reduce cererea de oxigen a ISS cu ~ 40%- un câștig de eficiență critică care minimizează nevoia de misiuni de aprovizionare. De exemplu, fără reciclare, stația ar avea nevoie de ~ 9,8 kg de oxigen pe zi pentru 7 astronauți; Cu reciclare, acest lucru scade la ~ 5,88 kg.
4. Asigurarea rezistenței pentru situații de urgență
În plus față de sursele secundare, ISS are sisteme dedicate de stocare a oxigenului pentru a gestiona cererea maximă și situațiile de urgență. Aceste sisteme sunt concepute pentru a stoca oxigenul în două forme: ridicat - gaz sub presiune și lichid.
4.1 High - stocare a gazului sub presiune (segmentul SUA)
Segmentul SUARezervoare de gaz sub presiune -sunt localizate în modulele nodului 1 (unitate) și nodul 3 (liniște). Aceste tancuri:
Proiecta: Rezervoare sferice făcute din Inconel (un nichel - aliaj de crom rezistent la coroziune și temperaturi ridicate) cu o capacitate de ~ 150 litri fiecare. Depozitează oxigenul la 6.000 psi (41,4 MPa) - de două ori presiunea rezervoarelor segmentului rus - permițând stocarea mai multor oxigen într -un spațiu mai mic.
Capacitate: Fiecare rezervor deține ~ 100 kg de oxigen (suficient pentru 7 astronauți timp de ~ 17 zile). Segmentul SUA are 4 astfel de rezervoare, oferind o copie de rezervă totală de ~ 400 kg (suficient timp de ~ 68 de zile).
Caz de utilizare: Aceste tancuri sunt utilizate pentru a suplimenta OG -urile în timpul cererii maxime (de exemplu, când doi astronauți se află pe un trotuar spațial, crescând consumul de oxigen cu ~ 50%) și ca rezervă dacă OGS nu reușește. De asemenea, sunt folosite pentru a reprimuriza stația după un trotuar spațial (deoarece un aer se pierde în timpul EVA).
4.2 Depozitare cu oxigen lichid (LOX) (numai de urgență)
Pentru situații de urgență pe termen lung - (de exemplu, luni - eșec ogs lung), ISS poate stocaOxigen lichid (LOX)- aceeași formă folosită în combustibil rachetă. LOX este păstrat în:
Proiecta: Dublu - rezervoare cu pereți cu un strat de izolare în vid pentru a menține LOX la -183 grade (punctul său de fierbere la 1 atm). Rezervoarele sunt mici (~ 50 litri fiecare) datorită spațiului limitat de pe stație.
Capacitate: Un rezervor LOX de 50 litri deține ~ 60 kg de oxigen (deoarece LOX are o densitate de 1,141 kg/L), suficient pentru 7 astronauți timp de ~ 10 zile. ISS are 2 astfel de tancuri, oferind un total de ~ 120 kg (suficient timp de ~ 20 de zile).
Provocări: Stocarea loxului în spațiu este dificilă, deoarece temperatura stației fluctuează (de la - 120 grade în umbră până la 120 de grade în lumina soarelui), determinând fierberea unor Lox (vaporizează). Pentru a reduce la minimum fierberea, rezervoarele sunt echipate cu încălzitoare care reglementează temperatura și o supapă de relief de presiune care orificită excesul de gaz (care este apoi capturat și utilizat în atmosfera stației).
5. Asigurarea aprovizionării uniforme între module
ISS este o rețea complexă de 16 module (din 2024), inclusiv cartierele de locuit (de exemplu, cartierele echipajului), laboratoare (de exemplu, Columbus, Kibo) și module de service (de exemplu, Zvezda, Nauka). Pentru a se asigura că fiecare modul are o concentrație constantă de 21% de oxigen, stația folosește unSistem de distribuție centralizatcu următoarele componente:
5.1 Fanii circulației aerului
Fiecare modul are 4–6fani ai circulației aeruluicare mișcă aerul cu o viteză de ~ 1 metru cub pe minut. Acești fani:
Preveniți buzunarele de aer stagnante (ceea ce ar putea duce la niveluri scăzute de oxigen în colțurile modulului).
Amestecați oxigenul nou produs cu aerul existent pentru a menține concentrația de 21%.
Împingeți aerul prin sistemele CDRA/VOZDUKH pentru a elimina CO₂ și contaminanții.
Fanii sunt critici, deoarece, în microgravitate (fără greutate), aerul nu circulă în mod natural (așa cum se întâmplă pe pământ din cauza convecției). Fără fani, astronauții ar putea experimenta hipoxie în zone departe de sursa de oxigen.
5.2 supape și conducte
O rețea deȚevi din oțel inoxidabil(2–4 inci în diametru) conectează OG -urile, rezervoarele de depozitare și modulele. Fiecare conductă este echipată cu:
Valve solenoide: Supape controlate electric care se deschid și se apropie pentru a regla fluxul de oxigen. Aceste supape sunt redundante (fiecare conductă are două supape) pentru a preveni scurgerile.
Senzori de presiune: Monitorizați presiunea în conducte pentru a se asigura că se potrivește cu presiunea atmosferică a stației (101,3 kPa). Dacă presiunea scade (de exemplu, din cauza unei scurgeri), senzorii declanșează o alarmă și închid supapele afectate.
Filtre: Îndepărtați praful și resturile din oxigen pentru a preveni deteriorarea ventilatoarelor și a sistemelor de susținere a vieții.
5.3 Modul - regulatori specifici
Fiecare modul are unRegulator de presiuneAceasta ajustează fluxul de oxigen în modul în funcție de dimensiunea și ocuparea acestuia. De exemplu:
Modulele mici (de exemplu, cartierele echipajului, care sunt de ~ 10 metri cubi) necesită un debit mai mic (~ 0,1 kg de oxigen pe zi) decât modulele mari (de exemplu, laboratorul Columbus, care este de ~ 75 metri cubi, necesitând ~ 0,5 kg pe zi).
De asemenea, autoritățile de reglementare se asigură că presiunea modulului rămâne la 101,3 kPa, chiar dacă alte module sunt reprimate (de exemplu, după un trotuar spațial).
