{0}} Space Stanica (ISS) - useljiva natpisna zemlja na nadmorskoj visini od ~ 400 kilometara - oslanja se na sofisticiranu, zatvoreni - petlju kisika za održavanje svoje posade od 7 astronauta (maksimalni kapacitet) za mesec dana. Za razliku od Zemlje, gdje je kisik obilan u atmosferi, prostor je vakuum bez prirodnog izvora kisika. To znači da ISS mora proizvesti, pohraniti, pohraniti, distribuirati i reciklirati kisik u potpunosti na - ploče, a istovremeno upravljajući otpadnim plinovima poput ugljičnog dioksida (CO₂). Dizajn sistema daje prioritet pouzdanost (da izbjegne životni prijetnji neuspjesi), efikasnost (za minimiziranje misija za preusmjeravanje) i prilagodljivost (za rješavanje promjena veličine posade). Ispod je sveobuhvatan raspored ISS kiseoničkog sistema, uključujući njegove osnovne komponente, principe rada, izazove i sigurnosne kopije protokola.
1. Održavanje useljivosti atmosfere
Prije nego što se unesete u tehničke detalje, kritično je razumjeti osnovni cilj sistema ISS kisikona: održavanje atmosfere koja je oponašala Zemlju što je moguće bliže. Za ljudski opstanak, ISS zahtijeva:
Koncentracija kisika: 21% (isto kao i zemaljska atmosfera) koja je optimalna razina za disanje i izbjegavanje hipoksije (nizak kisik) ili toksičnost za kisik (visoki kiseonik).
Pritisak: 101,3 kilofascals (KPA) ili 1 atmosfera (bankomat) - ekvivalentno more - nivo na Zemlju. To sprječava bolest dekompresije (rizik kada pritisak pada prenizak) i omogućava astronautima da normalno udahne bez specijalizirane opreme (osim tokom svemirskih pločica).
Ribanje plina: Uklanjanje otpadnih gasova poput CO₂ (proizvedene disanjem) i u tragovima kontaminanti (npr. Isparljivi organski spojevi iz opreme ili hrane).
Da bi se to postiglo, Systemen ISS kisik djeluje kaoPolu - zatvorena petlja- Izrađuje novi kisik, reciklira kiseonik iz tokova otpada, pohranjuje višak kisika za hitne slučajeve i ravnomjerno ga distribuira u modulima stanice.
2. Sistem generacije kisika (OGS)
Glavni izvor kiseonika ISS-a jeSistem generacije kisika (OGS), modularna postavka koju je razvio NASA i Ruski Roscosmos (sa doprinosima Europske svemirske agencije, ESA-e i Japana Aerospace Exploration Agency, Jaxa). Koristi OGSelektroliza- Isti hemijski proces koji se koristi u neku zemlju - egemen sa zasnovanim na bazi- do podeljene vode (h₂o) u kiseonik (o₂) i vodonik (h₂). Evo detaljnog raspada njegovih komponenti i rada:
2.1 Komponente OGS-a
OGS se sastoji od tri ključna podsustava, svaki sa specijaliziranim hardverom:
Sklop za preradu vode (WPA): Prije elektrolize, voda se mora pročistiti kako bi se uklonila kontaminanti (npr. Soli, organske materije) koja bi mogla oštetiti elektrode OGS-a. WPA sakuplja vodu iz tri izvora:
Reciklirana voda: Kondenzat iz zraka stanice (vodena para iz disanja i znojenja), obrađena otpadna voda (npr. Iz sudopera, tuševaca) i urina (prerade motor za preradu urina, UPA).
Resplapta voda: Voda se isporučuje putem teretnog svemirske letjelice (npr. Spacexov zmaj, Northrop Grumman's Cygnus) kao sigurnosna kopija za vrijeme za reciklažu.
Voda za gorivne ćelije: Nusprodukt bivših gorivnih ćelija stanice (koristi se za generiranje električne energije prije ugradnje solarnih nizova). Dok gorivne ćelije više nisu primarni izvori napajanja, njihova preostala voda se i dalje koristi ako je dostupna.
Modul elektrolize (em): Srce OGS-a, EM sadrži dvaSOLID oksidne ćelije elektrolize (Soecs)- Napredni uređaji koji koriste visoke temperature (600-800 stepeni) za podešavanje vode u kisik i vodonik. Za razliku od tradicionalnih elektrolize (koji koriste tečni elektrolite), SOECS koristi čvrstu keramičku elektrolitu koja je efikasnija, kompaktnija i izdržljiva u prostoru. Evo kako proces funkcionira:
Pročišćena voda se upada u sok kao para (isparava za povećanje efikasnosti).
Električna struja (iz ISS-ovih solarnih nizova) primjenjuje se na elektrode Soekvi (anoda i katoda).
Na anodi, parna reagira s keramičkim elektrolitom za proizvodnju kisičnog plina (o₂), elektrona i vodikovih jona (H⁺).
Elektroni prolaze kroz vanjski krug (stvara malu količinu dodatne električne energije), dok se vodikovi ioni kreću kroz elektrolit na katodu.
Na katodu, vodonik ioni kombiniraju elektrone za formiranje plina hidrogena (H₂).
Podsistem za rukovanje kisikom (oHS): Nakon proizvodnje, kiseonik iz EM obrađuje se i distribuira:
Hlađenje: Vrući kisik plin (iz SOEK-a) hladi se na sobnu temperaturu pomoću izmjenjivača topline (spojena na ISS-ov termalni sistem kontrole).
Sušenje.
Distribucija: Suha, čist kisik (99,99,9% čistoće) šalje se u Atmosferu ISS mreže ventila i cijevi, miješajući se sa postojećim zrakom za održavanje koncentracije od 21%.
Vodonik odzračivanje: IST ne koristi nusprodukt vodika (budući da stanica radi na solarnom snagu, a ne vodonigene ćelije) i odzračeno je u svemir. Ovo je ključna razlika od ranih svemirskih stanica poput MIR-a, koji su koristili vodik za generiranje električne energije.
2.2 Efikasnost i kapacitet OGS-a
OGS je osmišljen tako da zadovolji svakodnevnu potrošnju kisika, što je ~ 0,84 kilograma (kg) po astronautu (ekvivalentno ~ 588 litara gasovitih kisika na 1 bankomatu). Za posadu od 7, ovo iznosi ~ 5,88 kg kisika dnevno. Ključne performanse OGS-a uključuju:
Stopa proizvodnje: Svako SOEC može proizvesti ~ 0,5 kg kisika dnevno, tako da dva soka zajedno generiraju ~ 1 kg dnevno. Međutim, sistem se radi u zapaljenom režimu (jedan SOEC aktivan, jedan u stanju pripravnosti) za smanjenje habanja, što rezultira neto proizvodnja ~ 0,5 kg dnevno. To znači da samo OGS ne mogu ispuniti potražnju pune posade - otuda potrebu za dodatnim izvorima kisika (vidi poglavlje 3).
Energetska efikasnost: Soekvi su vrlo efikasni, pretvaraju ~ 80% električne energije u kisik (u odnosu na ~ 60% za tradicionalne elektrolize). Ovo je kritično jer solarni niz ISS-a imaju ograničen kapacitet (~ 120 kilovata, kW, moći za sve sisteme).
Pouzdanost: OGS ima životni vijek dizajna od 15 godina (produžen iz originalnih 10 godina) i uključuje suvišne komponente (npr. Rezervne kopije soka, ventila) za sprečavanje neuspjeha. Od svoje instalacije u 2008. godini (kao dio modula CSTO-a 3, spokojstva), OGS je doživjela samo manja pitanja (npr. Začepljeni filtri za vodu) koji su riješeni putem daljinskog rješavanja problema.
3. Rezervni i dopunski sustavi
Iako je OGS primarni izvor kisika, ISS se oslanja na tri sekundarna sistema kako bi se osiguralo neprekidno snabdevanje {- kritičnim za vrijeme OGS-a ili tokom vršne potražnje (npr. Kada se veličina posade privremeno povećava).
3.1 Tenkovi sa kisikom (ruski segment)
{- SSS-ov ruski segment (RS) - koji uključuje module poput Zvezda (servisni modul) i Nauka (višenamjenski laboratorijski modul)- koristiTenkovi sa kisikom pod pritiskomkao sigurnosna kopija. Ovi tenkovi su:
Dizajn: Cilindrični rezervoari od legure od titanijuma (kako bi izdržali visoko pritisak i razmaknicu) kapaciteta ~ 40 litara svaki. {- ili 20.000 MPA pohranjuju kisik (3000 PSI ili 20.7 MPa) - istog tipa koji se koristi u zemljanim tenkovima na bazi zemlje, ali modificirane za prostor.
Snabdijevati: Tenkovi se isporučuju na ISS putem ruskog teretnog svemirske letjelice (npr. Napredak) i priloženi su vanjskim lukama RS-a. Svaka misija za napretku nosi 2-3 tenkove, pružajući ~ 100-150 kg kisika po misiji (dovoljno da podrži posadu od 7 za ~ 20-25 dana).
Raspoređivanje: Kada OGS ne uspije, sistem za život za život RS otvara ventile za oslobađanje kisika iz spremnika u atmosferu stanice. Rezervoari se koriste i za vrijeme razmaka (EVA, ekstravenikularnu aktivnost) za opskrbu kisikom u astronaute 'svemirske stvari.
3.2 Okriveni svijeće (hemijski generatori kisika)
Za vanredne situacije (npr. Glavni kvar OGS-a u kombinaciji s kašnjenjem u preplatu tereta), ISS koristikisik svijeće- Kompaktni, hemijski generijski generatori zasnovani na bazi koji proizvode kiseonik putem toplotne reakcije. Ove svijeće su:
Sastav: Svaka svijeća je čvrst blok natrijum-hlorata (naclo₃) pomiješan sa katalizatorom (npr. Gvozdenim prahom) i gorivom (npr. Aluminij). Kada se zapali, natrijum-hlorat razdvaja na visokim temperaturama (500-600 stepeni) za proizvodnju kisika i natrijum-hlorida (stolna sol).
Kapacitet: Jedna svijeća (vaganje ~ 1 kg) proizvodi ~ 60 litara kisika (dovoljno za jedan astronaut za ~ 10 sati). ISS nosi ~ 100 svijeća, pohranjenih u vatrootpornim posudama u svakom modulu (npr. Zarya, jedinstvo) za lak pristup.
Sigurnost: Okrivene svijeće dizajnirane su tako da budu sigurne u svemiru - Ne proizvode otvoreni plamen (samo toplina), a natrijum-hloridni nusprodukt nije - otrovni (prikuplja se u filtru i kasnije uklonjeno tokom teretnih misija). Međutim, oni se koriste samo kao posljednje odmaralište zbog ograničenog kapaciteta i potrebe za ručnim aktivacijom.
3.3 Regenerativna životna podrška: Recikliranje kisika iz Co₂
ISS-oveSistem kontrole zaštite okoliša i životnog vijeka (ECLSS)Uključuje regenerativnu komponentu koja reciklira kisik iz Co₂ - smanjujući potrebu za novom proizvodnjom kisika. To se radi putemSklop uklanjanja ugljičnog dioksida (CDRA)(Američki segment) iVozdukh sistem(Ruski segment):
CDRA (američki segment): Koristi dva - korak koraka koji se zoveČvrsta desorpcija vode aminaDa biste uklonili Co₂ i proizvode kiseonik:
Adsorpcija Co₂: Zrak iz ISS-a pumpa se kroz krevet od punog amina (hemijski spoj koji se veže za Co₂). Amine zamke CO₂, dok se čist zrak (bez CO₂) vraća na stanicu.
Desorpcija i proizvodnja kisika: Kad je aminski krevet zasićen, zagrijavan je za oslobađanje zarobljenog co₂. Zatim se CO) reagira hidrogenom (iz procesa elektrolize OGS-a) u aSabatier reaktor(Još jedna komponenta ECLSS) za proizvodnju vode (h₂o) i metana (Ch₄). Voda se zatim šalje u OG-ove da se podijeli u kisik i vodonik, stvarajući zatvorenu petlju.
Vozdukh sistem (ruski segment): Koristi sličan postupak, ali s različitim hemijskim hemijskim (litijum hidroksidom, lioh) za apsorbiranje CO₂. Za razliku od CDRA-a, Vozdukh sistem ne reciklira CO₂ u kisik -, lioh se odbacuje nakon što postane zasićen (zamijenjen je putem teretnih misija). Međutim, to je jednostavnije i pouzdanije od CDRA-a, čineći je vrijednim sigurnosnim kopijama.
Regenerativni sustav smanjuje ISS-ovu potražnju za kisikom od ~ 40%- kritički dojmovi efikasnosti koji minimizira potrebu za resplejnim misijama. Na primjer, bez recikliranja stanica bi trebala ~ 9,8 kg kisika dnevno za 7 astronauta; Uz recikliranje, ovo kapi na ~ 5,88 kg.
4. Osiguravanje otpornosti za hitne slučajeve
Pored sekundarnih izvora, ISS ima posvećene sisteme za pohranu kisika za rukovanje vršnim potražnjom i hitnim slučajevima. Ovi su sustavi dizajnirani za pohranu kisika u dva oblika: visok - plin i tečnost.
4.1 High - Skladište pritiska (američki segment)
Američki segmentVisok cisterne za plin pritiska ({0}}nalaze se u modulima čvora 1 (jedinstvom) i čvorom 3 (spokoj). Ovi rezervoari:
Dizajn: Sferni tenkovi izrađeni su od inconela (nikl - legura hroma otporan na koroziju i visoke temperature) kapaciteta ~ 150 litara svaki. Šopuju kisik na 6.000 PSI (41.4 MPa) dvostrukog pritiska rezervoara ruskog segmenta - omogućavajući da se više kisika skladišti u manjem prostoru.
Kapacitet: Svaki rezervoar drži ~ 100 kg kisika (dovoljno za 7 astronauta za ~ 17 dana). Američki segment ima 4 takve tenkove, pružajući totalnu sigurnosnu kopiju ~ 400 kg (dovoljno za ~ 68 dana).
Koristite futrolu: Ovi rezervoari se koriste za nadopunu OG-a tokom vršne potražnje (npr. Kada su dva astronauta na razmaknom pilu, povećavajući potrošnju kisika za ~ 50%) i kao sigurnosna kopija ako OGS ne uspije. Oni se koriste i za repreriranje stanice nakon razmaknice (budući da se neki zrak gubi tokom EVA).
4.2 Skladištenje tečnog kisika (LOX) (samo nužde)
Za dugoročne hitne slučajeve - (npr. Meseci - dugi kvar OGS), ISS može pohranitiTečni kisik (lox)- Isti oblik koji se koristi u raketnom gorivu. Lox se pohranjuje u:
Dizajn: Dvostruko - zidove cisterne sa vakuumskim izolacijskim slojem kako bi zadržali LOX AT -183 stepen (njegova tačka ključanja na 1 bankomatu). Rezervoari su mali (~ 50 litara svaki) zbog ograničenog prostora na stanici.
Kapacitet: 50-litarski LOX rezervoar drži ~ 60 kg kisika (Budući da LOX ima gustoću od 1.141 kg / l), dovoljno za 7 astronauta za ~ 10 dana. ISS ima 2 takva tenka, pružajući ukupno ~ 120 kg (dovoljno za ~ 20 dana).
Izazovi: Čuvanje lox u prostoru je teško jer temperatura stanice fluktuira (od- 120 stepeni u sjeni do 120 stepeni sunčeve svjetlosti), uzrokujući da neki lox ključa (isparavanje). Da bi se smanjilo ključalo, rezervoari su opremljeni grijačima koji reguliraju temperaturu i ventil za reljefnu tlaku koji ventilaciju višak plina (koji se zatim zarobljava i koristi u atmosferi stanice).
5. Osiguravanje jedinstvene ponude u modulima
ISS je složena mreža od 16 modula (od 2024.), uključujući stambene prostore (npr. Četvrtine posade), laboratorija (npr. Kolumbus, Kibo) i servisni moduli (npr. Zvezda, Nauka). Da bi se osiguralo da svaki modul ima konzistentno 21% koncentraciju kisika, stanica koristi aCentralizirani distributivni sistemSa sledećim komponentama:
5.1 Ventilatori cirkulacije vazduha
Svaki modul ima 4-6Ventilatori cirkulacije vazduhakoji premještaju zrak brzinom od ~ 1 kubičnog metra u minuti. Ovi ventilatori:
Sprečiti stajaće zračni džepovi (što bi moglo dovesti do niskih nivoa kisika u uglovima modula).
Pomiješajte novo proizvedeni kisik sa postojećim zrakom za održavanje koncentracije od 21%.
Gurnite zrak kroz CDRA / Vozdukh sisteme za uklanjanje co₂ i kontaminanti.
Navijači su kritični jer, u mikrogravitosti (besteži), zrak ne kruži prirodno (kao što to čini na zemlji zbog konvekcije). Bez navijača, astronauti bi mogli doživjeti hipoksiju u područjima udaljenim od izvora kisika.
5.2 ventila i cijevi
Mreža odCijevi od nehrđajućeg čelika(Promjer 2-4 inča) povezuje iG-ove, spremne spremljene i module. Svaka cijev je opremljena sa:
Solenoidni ventili: Električno kontrolirani ventili koji se otvaraju i zatvaraju za regulaciju protoka kisika. Ti ventili su suvišni (svaka cijev ima dva ventila) kako bi se spriječilo curenje.
Senzori pritiska: Nadgledajte pritisak u cijevima kako biste osigurali da se podudara sa atmosferskim pritiskom stanice (101,3 kPa). Ako padne pritiska (npr. Zbog curenja), senzori pokreću alarm i zatvaraju pogođene ventile.
Filteri: Uklonite prašinu i krhotine iz kisika kako biste spriječili oštećenje navijača i sistema za podršku životnim vezom.
5.3 Modul - Specifični regulatori
Svaki modul ima aRegulator pritiskakoji prilagođava protok kisika u modul na osnovu njegove veličine i zauzeća. Na primjer:
Mali moduli (npr. The Curters posade, koji su ~ kubni brojila) zahtijevaju niži protok (~ 0,1 kg kisika dnevno) od velikih modula (npr. Kolumbus laboratorija, koji je ~ 75 kubičnih metara po danu koji zahtijeva ~ 0,5 kg dnevno).
Regulatori takođe osiguravaju da pritisak modula ostane na 101,3 kPa, čak i ako se drugi moduli reprerišu (npr. Nakon razmaknice).
