ایستگاه فضایی بین المللی (ISS) - یک ماهواره مصنوعی قابل سکونت در مدار زمین در ارتفاع 400 کیلومتر پوند -} به یک سیستم اکسیژن حلقه ای پیچیده و پیچیده متکی است تا خدمه خود را از 7 فضانورد (حداکثر ظرفیت) برای ماه ها در یک زمان حفظ کند. بر خلاف زمین ، جایی که اکسیژن در جو فراوان است ، فضا خلاء و بدون منبع اکسیژن طبیعی است. این بدان معناست که ISS باید اکسیژن را به طور کامل در صفحه- تولید ، ذخیره ، توزیع و بازیافت کند ، در حالی که همچنین گازهای زباله مانند دی اکسید کربن (CO₂) را نیز مدیریت می کند. طراحی سیستم قابلیت اطمینان را در اولویت قرار می دهد (برای جلوگیری از زندگی- شکست های تهدیدآمیز) ، کارآیی (برای به حداقل رساندن مأموریت های بازپرداخت) و سازگاری (برای رسیدگی به تغییرات اندازه خدمه و نقص تجهیزات). در زیر یک تجزیه جامع از سیستم اکسیژن ISS ، از جمله مؤلفه های اصلی آن ، اصول کار ، چالش ها و پروتکل های پشتیبان آورده شده است.
1. حفظ یک فضای قابل سکونت
قبل از اینکه به جزئیات فنی بپردازید ، درک هدف اصلی سیستم اکسیژن ISS بسیار مهم است: حفظ جو که تا حد امکان زمین را تقلید می کند. برای بقای انسان ، ISS نیاز دارد:
غلظت اکسیژن: 21 ٪ (همان جو زمین) ، که سطح بهینه برای تنفس و جلوگیری از هیپوکسی (اکسیژن کم) یا سمیت اکسیژن (اکسیژن زیاد) است.
فشار: 101. این امر مانع از بیماری رفع فشار می شود (خطر در هنگام کاهش فشار بیش از حد کم می شود) و به فضانوردان اجازه می دهد تا بدون تجهیزات تخصصی (به جز در طول فضایی) به طور عادی نفس بکشند.
شستشوی گاز: حذف گازهای زباله مانند Co₂ (تولید شده توسط تنفس) و آلاینده های ردیابی (به عنوان مثال ، ترکیبات آلی فرار از تجهیزات یا مواد غذایی).
برای دستیابی به این هدف ، سیستم اکسیژن ISS به عنوان یک عمل می کندSEMI - حلقه بسته- اکسیژن جدیدی تولید می کند ، اکسیژن را از جریان زباله بازیافت می کند ، اکسیژن اضافی را برای موارد اضطراری ذخیره می کند و آن را به طور مساوی در ماژول های ایستگاه توزیع می کند.
2. سیستم تولید اکسیژن (OGS)
منبع اصلی اکسیژن ISS استسیستم تولید اکسیژن (OGS)، یک مجموعه مدولار که توسط ناسا و روسکوسموس روسیه ساخته شده است (با کمک آژانس فضایی اروپا ، ESA و آژانس اکتشاف هوافضا ژاپن ، JAXA). OGS استفاده می کندالکترولیز- همان فرآیند شیمیایی مورد استفاده در بعضی از زمین- ژنراتورهای اکسیژن مبتنی بر - برای تقسیم آب (H₂O) به اکسیژن (O₂) و هیدروژن (H₂). در اینجا تفصیل مفصلی از مؤلفه ها و عملکرد آن آورده شده است:
2.1 اجزای OGS
OGS از سه زیر سیستم کلیدی تشکیل شده است که هر کدام دارای سخت افزار تخصصی هستند:
مونتاژ پردازش آب (WPA): قبل از الکترولیز ، آب باید برای از بین بردن آلاینده ها (به عنوان مثال ، نمک ، ماده آلی) که می تواند به الکترودهای OGS آسیب برساند ، خالص شود. WPA آب را از سه منبع جمع می کند:
آب بازیافت شده: میعانات از هوای ایستگاه (بخار آب از تنفس و تعریق) ، فاضلاب تصفیه شده (به عنوان مثال ، از سینک ها ، دوش ها) و ادرار (پردازش شده توسط مونتاژ پردازش ادرار ، UPA).
آب مجدد: آب تحویل داده شده از طریق فضاپیمای باری (به عنوان مثال ، اژدها SpaceX ، Northrop Grumman's Cygnus) به عنوان پشتیبان برای عدم موفقیت سیستم های بازیافت.
آب سلول: محصول جانبی سلولهای سوخت سابق ایستگاه (برای تولید برق قبل از نصب آرایه های خورشیدی استفاده می شود). در حالی که سلولهای سوختی دیگر منبع اصلی انرژی نیستند ، در صورت وجود از آب باقیمانده آنها استفاده می شود.
ماژول الکترولیز (EM): قلب OGS ، EM حاوی دو استسلولهای الکترولیز اکسید جامد (SOECS)- دستگاههای پیشرفته ای که از درجه حرارت بالا (600-800 درجه) استفاده می کنند تا آب را به اکسیژن و هیدروژن تقسیم کنند. بر خلاف سیستم های الکترولیز سنتی (که از الکترولیت های مایع استفاده می کنند) ، SOEC ها از یک الکترولیت سرامیکی جامد استفاده می کنند که در فضا کارآمدتر ، جمع و جور و بادوام تر است. در اینجا نحوه عملکرد این روند آورده شده است:
آب خالص شده به عنوان بخار در SOEC ها تغذیه می شود (برای افزایش کارایی).
یک جریان الکتریکی (از آرایه های خورشیدی ISS) روی الکترودهای SOECS (آند و کاتد) اعمال می شود.
در آند ، بخار با الکترولیت سرامیکی واکنش نشان می دهد تا گاز اکسیژن (O₂) ، الکترون ها و یون های هیدروژن (H⁺) تولید کند.
الکترون ها از طریق یک مدار خارجی (تولید مقدار کمی از برق اضافی) جریان می یابند ، در حالی که یونهای هیدروژن از طریق الکترولیت به کاتد حرکت می کنند.
در کاتد ، یونهای هیدروژن با الکترونها ترکیب می شوند تا گاز هیدروژن (H₂) تشکیل دهند.
زیر سیستم کنترل اکسیژن (OHS): پس از تولید ، اکسیژن حاصل از EM پردازش و توزیع می شود:
خنک کننده: گاز اکسیژن داغ (از SOECS) با استفاده از مبدل های حرارتی (متصل به سیستم کنترل حرارتی ISS) تا دمای اتاق خنک می شود.
خشک شدن: هر بخار آب باقیمانده با استفاده از غربال مولکولی (شبیه به کنسانتره های اکسیژن مبتنی بر زمین-) برای جلوگیری از تراکم در لوله های ایستگاه برداشته می شود.
توزیع: اکسیژن خشک و خالص (خلوص 99.999 ٪) از طریق شبکه ای از دریچه ها و لوله ها به جو ISS ارسال می شود و برای حفظ غلظت 21 ٪ با هوای موجود مخلوط می شود.
تهویه هیدروژن: محصول جانبی هیدروژن توسط ISS استفاده نمی شود (از آنجا که ایستگاه بر روی انرژی خورشیدی اجرا می شود ، نه سلولهای سوخت هیدروژن) و به فضا منتقل می شود. این یک تفاوت اساسی از ایستگاه های اولیه فضایی مانند MIR است که از هیدروژن برای تولید برق استفاده می کند.
2.2 کارایی و ظرفیت OGS
OGS برای پاسخگویی به تقاضای روزانه اکسیژن ISS ، که 0.84 کیلوگرم (کیلوگرم) در هر فضانورد (معادل 588 لیتر اکسیژن گازی در 1 اتمسفر) طراحی شده است. برای یک خدمه 7 نفری ، این تعداد 5.88 کیلوگرم اکسیژن در روز است. معیارهای کلیدی عملکرد OGS شامل موارد زیر است:
میزان تولید: هر SOEC می تواند 0.5 کیلوگرم اکسیژن در روز تولید کند ، بنابراین این دو SoEC با هم 1 کیلوگرم ~ در روز تولید می کنند. با این حال ، این سیستم در یک حالت مبهم (یک SOEC فعال ، دیگری در حالت آماده به کار) برای کاهش سایش کار می کند و در نتیجه تولید خالص 0.5 کیلوگرم در روز انجام می شود. این بدان معناست که OGS به تنهایی نمی تواند تقاضای کامل خدمه- را برآورده کند از این رو نیاز به منابع اضافی اکسیژن (به بخش 3 مراجعه کنید).
کارایی انرژی: SOEC ها بسیار کارآمد هستند و 80 ٪ از انرژی الکتریکی را به اکسیژن تبدیل می کنند (در مقایسه با 60 ~ برای سیستم های الکترولیز سنتی). این امر بسیار مهم است زیرا آرایه های خورشیدی ISS دارای ظرفیت محدودی (120 کیلووات پوند ، کیلو وات ، قدرت برای همه سیستم ها) است.
قابلیت اطمینان: OGS دارای طول عمر 15 سال (از 10 سال اصلی) است و شامل اجزای اضافی (به عنوان مثال ، SOEC های پشتیبان ، دریچه ها) برای جلوگیری از خرابی است. از زمان نصب آن در سال 2008 (به عنوان بخشی از ماژول Node 3 ISS ، آرامش) ، OGS فقط مسائل جزئی را تجربه کرده است (به عنوان مثال ، فیلترهای آب گرفتگی) که از طریق عیب یابی از راه دور برطرف شده است.
3. سیستم های پشتیبان و تکمیلی
در حالی که OGS منبع اصلی اکسیژن است ، ISS به سه سیستم ثانویه متکی است تا از یک منبع مداوم- بسیار مهم باشد که نقص OGS یا در طول تقاضای اوج (به عنوان مثال ، وقتی اندازه خدمه به طور موقت افزایش می یابد).
3.1 مخازن اکسیژن تحت فشار (بخش روسی)
بخش روسی ISS (RS) - که شامل ماژول هایی مانند Zvezda (ماژول سرویس) و Nauka (ماژول آزمایشگاهی چند منظوره) - استفاده می کندمخازن اکسیژن تحت فشاربه عنوان پشتیبان این مخازن عبارتند از:
طراحی: مخازن استوانه ای ساخته شده از آلیاژ تیتانیوم (برای مقاومت در برابر فشار زیاد و تابش فضا) با ظرفیت 40 پوند هرکدام. آنها اکسیژن را به عنوان گاز فشار - (3000 psi ، یا 20.7 mPa) -} همان نوع مورد استفاده در مخازن SCUBA مبتنی بر زمین -} ذخیره می کنند اما برای فضا اصلاح می شوند.
تهیه کردن: تانک ها از طریق فضاپیمای باربری روسی (به عنوان مثال ، پیشرفت) به ISS تحویل داده می شوند و به بنادر خارجی RS متصل می شوند. هر مأموریت پیشرفت دارای 2-3 تانک است ، 100-150 کیلوگرم اکسیژن در هر مأموریت (برای پشتیبانی از خدمه 7 برای 20-25 روز پوند) فراهم می کند.
اعزام: هنگامی که OGS شکست خورد ، سیستم پشتیبانی از زندگی RS دریچه ها را باز می کند تا اکسیژن را از مخازن به داخل جو ایستگاه آزاد کند. از این مخازن همچنین در طول فضا (EVA ، فعالیت خارج از کشور) برای تأمین اکسیژن به فضاهای فضانوردان استفاده می شود.
3.2 شمع اکسیژن (ژنراتور اکسیژن شیمیایی)
برای شرایط اضطراری (به عنوان مثال ، خرابی اصلی OGS همراه با تأخیر در بازپرداخت بار) ، ISS از آن استفاده می کندشمع های اکسیژن-compact, chemical-based generators that produce oxygen via a thermal reaction. این شمع ها عبارتند از:
ترکیب: هر شمع یک بلوک جامد از سدیم کلرات (NaClo₃) است که با یک کاتالیزور (به عنوان مثال ، پودر آهن) و یک سوخت (به عنوان مثال ، آلومینیوم) مخلوط شده است. هنگامی که مشتعل شد ، کلرات سدیم در دماهای بالا (500-600 درجه) برای تولید گاز اکسیژن و کلرید سدیم (نمک جدول) تجزیه می شود.
ظرفیت: یک شمع منفرد (وزن 1 کیلوگرم) 60 لیتر اکسیژن تولید می کند (برای یک فضانورد به مدت 10 ساعت به اندازه کافی). ISS برای دسترسی آسان به 100 شمع پوند ، در ظروف ضد آب در هر ماژول (به عنوان مثال ، زاریا ، وحدت) ذخیره می شود.
امنیت: شمع های اکسیژن به گونه ای طراحی شده اند که در فضا ایمن باشند. با این حال ، آنها فقط به دلیل ظرفیت محدود و نیاز به فعال سازی دستی ، به عنوان آخرین راه حل مورد استفاده قرار می گیرند.
3.3 پشتیبانی از زندگی احیا کننده: بازیافت اکسیژن از Co₂
ISSسیستم کنترل محیط زیست و پشتیبانی از زندگی (ECLSS)شامل یک مؤلفه احیا کننده است که اکسیژن را از Co₂ -} کاهش نیاز به تولید اکسیژن جدید بازیافت می کند. این کار از طریقمونتاژ حذف دی اکسید کربن (CDRA)(بخش ما) وسیستم Vozdukh(بخش روسی):
CDRA (بخش ایالات متحده): از یک مرحله مرحله - استفاده می کنددفع آب آمین جامدبرای از بین بردن CO₂ و تولید اکسیژن:
جذب همکاری: هوا از ISS از طریق بستر آمین جامد پمپ می شود (یک ترکیب شیمیایی که به CO₂ متصل می شود). تله های آمین CO₂ ، در حالی که هوای پاک (بدون CO₂) به ایستگاه بازگردانده می شود.
دفع و تولید اکسیژن: هنگامی که بستر آمین اشباع شده است ، برای آزاد کردن CO₂ به دام افتاده گرم می شود. سپس Co₂ با هیدروژن (از فرآیند الکترولیز OGS) در a واکنش نشان می دهدراکتور صابدی(یکی دیگر از مؤلفه های ECLSS) برای تولید آب (H₂O) و متان (CH₄). سپس آب به OGS فرستاده می شود تا به اکسیژن و هیدروژن تقسیم شود و یک حلقه بسته ایجاد کند.
سیستم Vozdukh (بخش روسی): از یک فرآیند مشابه استفاده می کند اما با یک ماده شیمیایی متفاوت (هیدروکسید لیتیوم ، LIOH) برای جذب Co₂. بر خلاف CDRA ، سیستم Vozdukh Co₂ را به اکسیژن- بازیافت نمی کند ، در عوض ، پس از اشباع ، LIOH دور ریخته می شود (از طریق مأموریت های بار جایگزین می شود). با این حال ، این ساده تر و قابل اطمینان تر از CDRA است و آن را به یک نسخه پشتیبان ارزشمند تبدیل می کند.
سیستم احیا کننده تقاضای اکسیژن ISS را با 40 {1- افزایش کارآیی بحرانی کاهش می دهد که نیاز به مأموریت های مجدداً را به حداقل می رساند. به عنوان مثال ، بدون بازیافت ، ایستگاه برای 7 فضانورد به 9.8 کیلوگرم اکسیژن در روز نیاز دارد. با بازیافت ، این به 5.88 کیلوگرم پوند کاهش می یابد.
4. تضمین مقاومت در برابر اضطراری
علاوه بر منابع ثانویه ، ISS سیستم های ذخیره سازی اکسیژن را برای رسیدگی به تقاضای اوج و شرایط اضطراری اختصاص داده است. این سیستم ها برای ذخیره اکسیژن به دو شکل طراحی شده اند: High- گاز فشار و مایع.
4.1 High- ذخیره گاز فشار (بخش ایالات متحده)
بخش ایالات متحدهمخازن بنزین فشار بالا-در ماژول های گره 1 (وحدت) و گره 3 (آرامش) قرار دارند. این مخازن:
طراحی: مخازن کروی ساخته شده از Inconel (یک نیکل-} آلیاژ کروم مقاوم در برابر خوردگی و درجه حرارت بالا) با ظرفیت 150 لیتر پوند. آنها اکسیژن را در 6000 psi (41.4 مگاپاسکال)-} دو برابر فشار مخازن بخش روسی-}}}}} فراهم می کند که اکسیژن بیشتری را در یک فضای کوچکتر ذخیره می کنند ، ذخیره می کنند.
ظرفیت: هر مخزن 100 کیلوگرم اکسیژن (به اندازه کافی برای 7 فضانورد به مدت 17 روز پوند) دارد. بخش ایالات متحده دارای 4 مخزن از این دست است که پشتیبان کل 400 کیلوگرم پوند (برای 68 روز پوند کافی است).
مورد استفاده: از این مخازن برای تکمیل OG ها در طول تقاضای اوج استفاده می شود (به عنوان مثال ، هنگامی که دو فضانورد در یک فضا وجود دارد ، مصرف اکسیژن را 50 ٪ پوند افزایش می دهد) و در صورت عدم موفقیت OGS به عنوان پشتیبان گیری. آنها همچنین برای سرکوب کردن ایستگاه پس از یک فضا (از آنجا که مقداری هوا در طول EVA از بین می رود) استفاده می شود.
4.2 ذخیره اکسیژن مایع (LOX) (فقط اضطراری)
برای مدت طولانی {{0} termports شرایط اضطراری (به عنوان مثال ، یک ماه - خرابی طولانی مدت OGS) ، ISS می تواند ذخیره کنداکسیژن مایع (LOX)- همان فرم مورد استفاده در سوخت موشک. LOX در:
طراحی: مخازن دیواری Double - با یک لایه عایق خلاء برای نگه داشتن LOX در درجه -183 (نقطه جوش آن در 1 اتمسفر). مخازن به دلیل فضای محدود در ایستگاه ، کوچک هستند (هر کدام 50 پوند).
ظرفیت: یک مخزن 50 لیتری LOX دارای 60 کیلوگرم اکسیژن است (از آنجا که LOX دارای چگالی 1.141 کیلوگرم در لیتر است) ، برای 7 فضانورد به مدت 10 روز به اندازه کافی است. ISS دارای 2 مخزن از این دست است که در مجموع 120 کیلوگرم پوند (برای 20 روز پوند کافی است).
چالش: ذخیره LOX در فضا دشوار است زیرا دمای ایستگاه در حال نوسان است (از 3 {3} 120 درجه در سایه تا 120 درجه در نور خورشید) ، و باعث جوش خوردن برخی از LOX می شود (تبخیر). برای به حداقل رساندن جوش ، مخازن مجهز به بخاری هستند که دما را تنظیم می کنند و یک شیر تسکین دهنده فشار که گاز اضافی را در اختیار دارد (که در آن زمان ضبط و استفاده می شود).
5. اطمینان از عرضه یکنواخت در ماژول ها
ISS یک شبکه پیچیده از 16 ماژول (از سال 2024) ، از جمله محله های زندگی (به عنوان مثال ، محله های خدمه) ، آزمایشگاه ها (به عنوان مثال ، کلمبوس ، Kibo) و ماژول های خدمات (به عنوان مثال Zvezda ، Nauka) است. برای اطمینان از هر ماژول دارای غلظت اکسیژن 21 ٪ سازگار ، ایستگاه از a استفاده می کندسیستم توزیع متمرکزبا اجزای زیر:
5.1 طرفداران گردش هوا
هر ماژول 4-6 داردطرفداران گردش هوااین هوا با سرعت 1 متر مکعب در دقیقه حرکت می کند. این طرفداران:
از جیب های هوا راکد جلوگیری کنید (که می تواند منجر به سطح اکسیژن کم در گوشه های ماژول شود).
اکسیژن تازه تولید شده را با هوای موجود مخلوط کنید تا غلظت 21 ٪ را حفظ کند.
هوا را از طریق سیستم های CDRA/Vozdukh فشار دهید تا CO₂ و آلاینده ها از بین بروند.
طرفداران بسیار مهم هستند زیرا در ریزگردها (بی وزن بودن) ، هوا به طور طبیعی گردش نمی کند (همانطور که به دلیل همرفت روی زمین انجام می شود). بدون طرفداران ، فضانوردان می توانند در مناطقی به دور از منبع اکسیژن هیپوکسی را تجربه کنند.
5.2 دریچه و لوله
شبکه ای ازلوله های استیل ضد زنگ(قطر 2-4 اینچ) OGS ، مخازن ذخیره سازی و ماژول ها را به هم متصل می کند. هر لوله مجهز به:
دریچه های برقی: دریچه های کنترل شده برقی که برای تنظیم جریان اکسیژن باز و نزدیک هستند. این دریچه ها زائد هستند (هر لوله دارای دو دریچه است) برای جلوگیری از نشت.
سنسورهای فشار: فشار در لوله ها را کنترل کنید تا اطمینان حاصل شود که با فشار اتمسفر ایستگاه (101.3 kPa) مطابقت دارد. اگر فشار کاهش یابد (به عنوان مثال به دلیل نشت) ، سنسورها زنگ هشدار را ایجاد می کنند و دریچه های آسیب دیده را می بندند.
فیلتر: گرد و غبار و آوار را از اکسیژن خارج کنید تا از آسیب به طرفداران و سیستم های پشتیبانی از زندگی جلوگیری شود.
5.3 ماژول {1} تنظیم کننده های خاص
هر ماژول دارایتنظیم کننده فشاراین جریان اکسیژن را بر اساس اندازه و اشغال آن در ماژول تنظیم می کند. به عنوان مثال:
ماژول های کوچک (به عنوان مثال ، محله های خدمه ، که 10 متر مکعب پوند هستند) نسبت به ماژول های بزرگ (به عنوان مثال ، آزمایشگاه کلمبوس ، که 75 متر مکعب است ، نیاز به 0.5 کیلوگرم پوند در روز دارد ، به سرعت جریان کمتری (0.1 کیلوگرم اکسیژن در روز) نیاز دارند.
تنظیم کننده ها همچنین اطمینان حاصل می کنند که فشار ماژول در 101.3 kPa باقی می ماند ، حتی اگر ماژول های دیگر سرکوب شوند (به عنوان مثال ، پس از یک فضا).
