Stesen Angkasa Antarabangsa (ISS) - Satelit buatan yang boleh dihuni Bumi pada ketinggian ~ 400 kilometer - bergantung pada sistem oksigen gelung yang canggih, tertutup {3} Tidak seperti Bumi, di mana oksigen banyak di atmosfera, ruang adalah vakum tanpa sumber oksigen semulajadi. Ini bermakna ISS mesti menghasilkan, menyimpan, mengedarkan, dan mengitar semula oksigen sepenuhnya pada papan -, sementara juga menguruskan gas sisa seperti karbon dioksida (CO₂). Reka bentuk sistem mengutamakan kebolehpercayaan (untuk mengelakkan kehidupan - kegagalan mengancam), kecekapan (untuk meminimumkan misi bekalan semula), dan kesesuaian (untuk mengendalikan perubahan saiz kru dan kerosakan peralatan). Berikut adalah pecahan komprehensif sistem oksigen ISS, termasuk komponen terasnya, prinsip kerja, cabaran, dan protokol sandaran.
1. mengekalkan suasana yang boleh dihuni
Sebelum menyelidiki butiran teknikal, sangat penting untuk memahami objektif utama sistem oksigen ISS: mengekalkan suasana yang meniru bumi sedekat mungkin. Untuk kelangsungan hidup manusia, ISS memerlukan:
Kepekatan oksigen: 21% (sama seperti atmosfera Bumi), yang merupakan tahap optimum untuk pernafasan dan mengelakkan hipoksia (oksigen rendah) atau ketoksikan oksigen (oksigen tinggi).
Tekanan: 101.3 Kilopascals (KPA) atau 1 atmosfera (atm) - bersamaan dengan laut - Tekanan tahap di bumi. Ini menghalang penyakit penyahmampatan (risiko apabila tekanan jatuh terlalu rendah) dan membolehkan angkasawan bernafas secara normal tanpa peralatan khusus (kecuali semasa spacewalks).
Menggosok gas: Penyingkiran gas sisa seperti CO₂ (dihasilkan oleh pernafasan) dan jejak bahan pencemar (contohnya, sebatian organik yang tidak menentu dari peralatan atau makanan).
Untuk mencapai matlamat ini, sistem oksigen ISS beroperasi sebagaiSemi - Loop tertutup- Ia menghasilkan oksigen baru, mengitar semula oksigen dari aliran sisa, menyimpan oksigen yang berlebihan untuk kecemasan, dan mengedarkannya secara merata di seluruh modul stesen.
2. Sistem Generasi Oksigen (OGS)
Sumber oksigen utama ISS adalahSistem Generasi Oksigen (OGS), persediaan modular yang dibangunkan oleh Roscosmos NASA dan Rusia (dengan sumbangan dari Agensi Angkasa European, ESA, dan Agensi Eksplorasi Aeroangkasa Jepun, Jaxa). Kegunaan OGSElektrolisis- Proses kimia yang sama digunakan dalam beberapa Bumi - penjana oksigen berasaskan - untuk memecah air (h₂o) ke dalam oksigen (o₂) dan hidrogen (h₂). Berikut adalah pecahan terperinci komponen dan operasinya:
2.1 Komponen OGS
OGS terdiri daripada tiga subsistem utama, masing -masing dengan perkakasan khusus:
Perhimpunan Pemprosesan Air (WPA): Sebelum elektrolisis, air mesti disucikan untuk mengeluarkan bahan cemar (contohnya, garam, bahan organik) yang boleh merosakkan elektrod OGS. WPA mengumpul air dari tiga sumber:
Air kitar semula: Kondensat dari udara stesen (wap air dari pernafasan dan berpeluh), air kumbahan yang dirawat (misalnya, dari sinki, hujan), dan air kencing (diproses oleh perhimpunan pemprosesan air kencing, UPA).
Resupply Water: Air yang dihantar melalui kapal angkasa kargo (misalnya, Dragon SpaceX, Cygnus Northrop Grumman) sebagai sandaran apabila sistem kitar semula gagal.
Air sel bahan api: Hasil sampingan sel bahan bakar bekas stesen (digunakan untuk menjana elektrik sebelum pemasangan array solar). Walaupun sel bahan api tidak lagi sumber kuasa utama, air sisa mereka masih digunakan jika tersedia.
Modul Elektrolisis (EM): Hati OGS, EM mengandungi duaSel elektrolisis oksida pepejal (SOECS)- peranti lanjutan yang menggunakan suhu tinggi (600-800 darjah) untuk memecah air ke dalam oksigen dan hidrogen. Tidak seperti sistem elektrolisis tradisional (yang menggunakan elektrolit cecair), SOEC menggunakan elektrolit seramik pepejal yang lebih cekap, padat, dan tahan lama di ruang angkasa. Inilah cara proses berfungsi:
Air yang disucikan dimasukkan ke dalam soec sebagai stim (menguap untuk meningkatkan kecekapan).
Arus elektrik (dari tatasusunan solar ISS) digunakan untuk elektrod SOEC (anod dan katod).
Di anod, stim bertindak balas dengan elektrolit seramik untuk menghasilkan gas oksigen (O₂), elektron, dan ion hidrogen (H⁺).
Elektron mengalir melalui litar luaran (menghasilkan sedikit elektrik tambahan), manakala ion hidrogen bergerak melalui elektrolit ke katod.
Di katod, ion hidrogen bergabung dengan elektron untuk membentuk gas hidrogen (H₂).
Subsistem Pengendalian Oksigen (OHS): Selepas pengeluaran, oksigen dari EM diproses dan diedarkan:
Penyejukan: Gas oksigen panas (dari SOECS) disejukkan ke suhu bilik menggunakan penukar haba (disambungkan ke sistem kawalan haba ISS).
Pengeringan: Mana -mana wap air yang tersisa dikeluarkan menggunakan sieves molekul (sama seperti yang ada di bumi - berasaskan oksigen) untuk mengelakkan pemeluwapan di paip stesen.
Pengedaran: Oksigen yang kering dan tulen (kesucian 99.999%) dihantar ke atmosfera ISS melalui rangkaian injap dan paip, mencampurkan dengan udara yang sedia ada untuk mengekalkan kepekatan 21%.
Hydrogen Venting: Produk sampingan hidrogen tidak digunakan oleh ISS (sejak stesen berjalan pada kuasa solar, bukan sel bahan api hidrogen) dan dibebaskan ke angkasa. Ini adalah perbezaan utama dari stesen angkasa awal seperti MIR, yang menggunakan hidrogen untuk menjana elektrik.
2.2 Kecekapan dan kapasiti OGS
OGS direka untuk memenuhi permintaan oksigen harian ISS, iaitu ~ 0.84 kilogram (kg) setiap angkasawan (bersamaan dengan ~ 588 liter oksigen gas pada 1 atm). Bagi krew 7, jumlah ini ~ 5.88 kg oksigen setiap hari. Metrik prestasi utama OGS termasuk:
Kadar pengeluaran: Setiap SOEC boleh menghasilkan ~ 0.5 kg oksigen setiap hari, jadi kedua -dua soec bersama -sama menjana ~ 1 kg sehari. Walau bagaimanapun, sistem ini dikendalikan dalam mod yang berperingkat (satu SOEC aktif, satu pada siaga) untuk mengurangkan haus, mengakibatkan pengeluaran bersih ~ 0.5 kg sehari. Ini bermakna OGS sahaja tidak dapat memenuhi permintaan krew penuh - oleh itu keperluan untuk sumber oksigen tambahan (lihat Bahagian 3).
Kecekapan tenaga: SOEC sangat cekap, menukar ~ 80% tenaga elektrik ke dalam oksigen (berbanding dengan ~ 60% untuk sistem elektrolisis tradisional). Ini adalah kritikal kerana susunan solar ISS mempunyai kapasiti terhad (~ 120 kilowatt, kW, kuasa untuk semua sistem).
Kebolehpercayaan: OGS mempunyai jangka hayat reka bentuk selama 15 tahun (dilanjutkan dari 10 tahun asal) dan termasuk komponen berlebihan (contohnya, soec sandaran, injap) untuk mencegah kegagalan. Sejak pemasangannya pada tahun 2008 (sebagai sebahagian daripada modul Node 3 ISS, ketenangan), OGS hanya mengalami masalah kecil (contohnya, penapis air tersumbat) yang diselesaikan melalui penyelesaian masalah jauh.
3. Sistem sandaran dan tambahan
Walaupun OGS adalah sumber oksigen utama, ISS bergantung kepada tiga sistem sekunder untuk memastikan bekalan berterusan - kritikal apabila OG tidak berfungsi atau semasa permintaan puncak (misalnya, apabila saiz kru meningkat sementara).
3.1 Tangki oksigen bertekanan (segmen Rusia)
Segmen Rusia ISS (RS) - yang merangkumi modul seperti Zvezda (Modul Perkhidmatan) dan Nauka (modul makmal pelbagai guna) - menggunakanTangki oksigen bertekanansebagai sandaran. Tangki ini adalah:
Reka bentuk: Tangki silinder yang diperbuat daripada aloi titanium (untuk menahan tekanan tinggi dan radiasi ruang) dengan kapasiti ~ 40 liter setiap satu. Mereka menyimpan oksigen sebagai gas tekanan tinggi - (3,000 psi, atau 20.7 MPa) - Jenis yang sama yang digunakan di Bumi - Tangki Skuba berasaskan tetapi diubah suai untuk ruang.
Bekalan: Tangki dihantar ke ISS melalui kapal angkasa kargo Rusia (contohnya, kemajuan) dan dilampirkan ke port luaran RS. Setiap misi kemajuan membawa 2-3 tangki, menyediakan ~ 100-150 kg oksigen setiap misi (cukup untuk menyokong krew 7 untuk ~ 20-25 hari).
Penggunaan: Apabila OGS gagal, sistem sokongan hidup RS membuka injap untuk melepaskan oksigen dari tangki ke atmosfera stesen. Tangki juga digunakan semasa spacewalks (EVA, aktiviti extravehicular) untuk membekalkan oksigen ke angkasawan angkasawan.
3.2 Lilin oksigen (penjana oksigen kimia)
Untuk situasi kecemasan (contohnya, kegagalan OG utama digabungkan dengan kelewatan bekalan kargo), penggunaan ISSlilin oksigen- Compact, Chemical - Penjana berasaskan yang menghasilkan oksigen melalui reaksi terma. Lilin ini adalah:
Komposisi: Setiap lilin adalah blok pepejal natrium klorat (NaClo₃) bercampur dengan pemangkin (misalnya, serbuk besi) dan bahan bakar (contohnya, aluminium). Apabila dinyalakan, natrium klorat terurai pada suhu tinggi (500-600 darjah) untuk menghasilkan gas oksigen dan natrium klorida (garam jadual).
Kapasiti: Lilin tunggal (berat ~ 1 kg) menghasilkan ~ 60 liter oksigen (cukup untuk satu angkasawan selama ~ 10 jam). ISS membawa ~ 100 lilin, disimpan dalam bekas api dalam setiap modul (misalnya, Zarya, Perpaduan) untuk akses mudah.
Keselamatan: Lilin oksigen direka untuk selamat di ruang - mereka tidak menghasilkan api terbuka (hanya haba) dan produk natrium klorida bukan toksik - (ia dikumpulkan dalam penapis dan kemudian dikeluarkan semasa misi kargo). Walau bagaimanapun, mereka hanya digunakan sebagai usaha terakhir kerana kapasiti terhad mereka dan keperluan untuk pengaktifan manual.
3.3 Sokongan Hidup Regeneratif: Kitar semula oksigen dari CO₂
ISSKawalan Alam Sekitar dan Sistem Sokongan Hayat (ECLSS)Termasuk komponen regeneratif yang mengitar semula oksigen dari CO₂ - mengurangkan keperluan untuk pengeluaran oksigen baru. Ini dilakukan melaluiPerhimpunan Penyingkiran Karbon Dioksida (CDRA)(Segmen AS) danSistem Vozdukh(Segmen Rusia):
CDRA (segmen AS): Menggunakan proses langkah dua - yang dipanggilpenyerapan air amina pepejaluntuk membuang CO₂ dan menghasilkan oksigen:
CO₂ Penjerapan: Udara dari ISS dipam melalui katil amina pepejal (sebatian kimia yang mengikat kepada CO₂). Perangkap amina Co₂, manakala udara bersih (tanpa CO₂) dikembalikan ke stesen.
Pengeluaran desorpsi dan oksigen: Apabila katil amina tepu, ia dipanaskan untuk melepaskan CO₂ yang terperangkap. CO₂ kemudiannya bertindak balas dengan hidrogen (dari proses elektrolisis OGS) dalam aReaktor Sabatier(Komponen ECLSS yang lain) untuk menghasilkan air (h₂o) dan metana (CH₄). Air kemudian dihantar ke OG untuk dibahagikan kepada oksigen dan hidrogen, mewujudkan gelung tertutup.
Sistem Vozdukh (segmen Rusia): Menggunakan proses yang sama tetapi dengan bahan kimia yang berbeza (litium hidroksida, liOH) untuk menyerap Co₂. Tidak seperti CDRA, sistem Vozdukh tidak mengitar semula CO₂ ke dalam oksigen - sebaliknya, liOH dibuang selepas ia menjadi tepu (ia digantikan melalui misi kargo). Walau bagaimanapun, ia lebih mudah dan lebih dipercayai daripada CDRA, menjadikannya sandaran yang berharga.
Sistem regeneratif mengurangkan permintaan oksigen ISS sebanyak ~ 40%- keuntungan kecekapan kritikal yang meminimumkan keperluan untuk misi bekalan semula. Sebagai contoh, tanpa kitar semula, stesen memerlukan ~ 9.8 kg oksigen sehari untuk 7 angkasawan; Dengan kitar semula, ini jatuh ke ~ 5.88 kg.
4. Memastikan ketahanan untuk kecemasan
Sebagai tambahan kepada sumber sekunder, ISS telah mendedikasikan sistem penyimpanan oksigen untuk mengendalikan permintaan puncak dan kecemasan. Sistem ini direka untuk menyimpan oksigen dalam dua bentuk: tinggi - gas tekanan dan cecair.
4.1 Tinggi - Penyimpanan Gas Tekanan (segmen AS)
Segmen ASTinggi - Tangki gas tekananterletak di modul nod 1 (perpaduan) dan nod 3 (ketenangan). Tangki ini:
Reka bentuk: Tangki sfera yang diperbuat daripada Inconel (nikel - aloi kromium tahan terhadap kakisan dan suhu tinggi) dengan kapasiti ~ 150 liter setiap satu. Mereka menyimpan oksigen pada 6,000 psi (41.4 MPa) - dua kali tekanan tangki segmen Rusia - membolehkan lebih banyak oksigen disimpan di ruang yang lebih kecil.
Kapasiti: Setiap tangki memegang ~ 100 kg oksigen (cukup untuk 7 angkasawan selama 17 hari). Segmen AS mempunyai 4 tangki sedemikian, memberikan jumlah sandaran ~ 400 kg (cukup untuk ~ 68 hari).
Gunakan kes: Tangki ini digunakan untuk menambah OG semasa permintaan puncak (misalnya, apabila dua angkasawan berada di ruang angkasa, meningkatkan penggunaan oksigen sebanyak ~ 50%) dan sebagai sandaran jika OGS gagal. Mereka juga digunakan untuk menindas stesen selepas ruang angkasa (kerana beberapa udara hilang semasa EVA).
4.2 Penyimpanan oksigen cecair (LOX) (Kecemasan sahaja)
Untuk jangka panjang - istilah kecemasan (misalnya, bulan - kegagalan OGS panjang), ISS boleh menyimpanoksigen cecair (lox)- Bentuk yang sama digunakan dalam bahan bakar roket. LOX disimpan dalam:
Reka bentuk: Double - Tangki berdinding dengan lapisan penebat vakum untuk mengekalkan lox pada -183 darjah (titik mendidih pada 1 atm). Tangki kecil (~ 50 liter setiap satu) kerana ruang terhad di stesen.
Kapasiti: Tangki LOX 50 liter memegang ~ 60 kg oksigen (sejak LOX mempunyai ketumpatan 1.141 kg/L), cukup untuk 7 angkasawan selama 10 hari. ISS mempunyai 2 tangki sedemikian, menyediakan jumlah ~ 120 kg (cukup untuk ~ 20 hari).
Cabaran: Menyimpan lox di ruang angkasa adalah sukar kerana suhu stesen turun naik (dari - 120 darjah dalam bayang -bayang hingga 120 darjah dalam cahaya matahari), menyebabkan beberapa lox mendidih (menguap). Untuk meminimumkan mendidih, tangki dilengkapi dengan pemanas yang mengawal suhu dan injap pelega tekanan yang membosankan gas berlebihan (yang kemudian ditangkap dan digunakan di atmosfera stesen).
5. Memastikan bekalan seragam merentasi modul
ISS adalah rangkaian kompleks 16 modul (sehingga 2024), termasuk tempat tinggal (contohnya, anak kapal), makmal (contohnya, Columbus, Kibo), dan modul perkhidmatan (misalnya, Zvezda, Nauka). Untuk memastikan setiap modul mempunyai kepekatan oksigen 21% yang konsisten, stesen menggunakan aSistem pengedaran berpusatdengan komponen berikut:
5.1 Peminat Peredaran Udara
Setiap modul mempunyai 4-6Peminat peredaran udaraItu bergerak udara pada kadar ~ 1 meter padu seminit. Peminat ini:
Mencegah poket udara yang tidak stabil (yang boleh membawa kepada tahap oksigen yang rendah di sudut modul).
Campurkan oksigen yang baru dihasilkan dengan udara sedia ada untuk mengekalkan kepekatan 21%.
Tolak udara melalui sistem CDRA/Vozdukh untuk menghilangkan CO₂ dan bahan cemar.
Para peminat adalah kritikal kerana, dalam mikrograviti (berat badan), udara tidak beredar secara semulajadi (seperti yang berlaku di Bumi kerana perolakan). Tanpa peminat, angkasawan boleh mengalami hipoksia di kawasan yang jauh dari sumber oksigen.
5.2 injap dan paip
Rangkaianpaip keluli tahan karat(2-4 inci diameter) Menghubungkan OGS, tangki simpanan, dan modul. Setiap paip dilengkapi dengan:
Injap solenoid: Injap yang dikawal secara elektrik yang terbuka dan dekat untuk mengawal aliran oksigen. Injap ini berlebihan (setiap paip mempunyai dua injap) untuk mengelakkan kebocoran.
Sensor tekanan: Pantau tekanan dalam paip untuk memastikan ia sepadan dengan tekanan atmosfera stesen (101.3 kPa). Jika tekanan jatuh (contohnya, disebabkan kebocoran), sensor mencetuskan penggera dan menutup injap yang terjejas.
Penapis: Keluarkan habuk dan serpihan dari oksigen untuk mengelakkan kerosakan kepada peminat dan sistem sokongan hidup.
5.3 Modul - pengawal selia tertentu
Setiap modul mempunyaiPengatur TekananItu menyesuaikan aliran oksigen ke dalam modul berdasarkan saiz dan penghuniannya. Contohnya:
Modul -modul kecil (contohnya, kuarters krew, yang ~ 10 meter padu) memerlukan kadar aliran yang lebih rendah (~ 0.1 kg oksigen sehari) daripada modul besar (misalnya, makmal Columbus, iaitu ~ 75 meter padu, memerlukan ~ 0.5 kg sehari).
Pengawal selia juga memastikan bahawa tekanan modul kekal pada 101.3 kPa, walaupun modul lain sedang ditindas (contohnya, selepas spacewalk).
