Международная космическая станция (МКС)-обитаемый искусственный спутник, вращающийся вокруг Земли на высоте около 400 километров-полагается на сложную замкнутую-кислородную систему, позволяющую поддерживать экипаж из семи астронавтов (максимальная вместимость) в течение нескольких месяцев. В отличие от Земли, где в атмосфере много кислорода, космос представляет собой вакуум без естественного источника кислорода. Это означает, что МКС должна производить, хранить, распределять и перерабатывать кислород полностью на борту-, а также утилизировать отходящие газы, такие как углекислый газ (CO₂). При разработке системы приоритет отдается надежности (чтобы избежать-опасных для жизни сбоев), эффективности (чтобы свести к минимуму задачи по пополнению запасов) и адаптивности (чтобы справиться с изменениями численности экипажа и неисправностями оборудования). Ниже приводится подробное описание кислородной системы МКС, включая ее основные компоненты, принципы работы, проблемы и резервные протоколы.
1. Поддержание пригодной для жизни атмосферы
Прежде чем углубляться в технические детали, очень важно понять основную цель кислородной системы МКС: поддержание атмосферы, максимально близко имитирующей земную. Для выживания человечества МКС требует:
Концентрация кислорода: 21% (такой же, как в атмосфере Земли), что является оптимальным уровнем для дыхания и предотвращения гипоксии (низкий уровень кислорода) или кислородной токсичности (высокий уровень кислорода).
Давление: 101,3 килопаскаля (кПа) или 1 атмосфера (атм)-эквивалентно давлению на уровне моря-на Земле. Это предотвращает декомпрессионную болезнь (риск, когда давление падает слишком низко) и позволяет астронавтам нормально дышать без специального оборудования (за исключением выходов в открытый космос).
Очистка газа: Удаление отходящих газов, таких как CO₂ (образующийся при дыхании) и следовых примесей (например, летучих органических соединений из оборудования или продуктов питания).
Для этого кислородная система МКС работает какполу-замкнутый контур-он производит новый кислород, перерабатывает кислород из потоков отходов, сохраняет излишки кислорода на случай чрезвычайных ситуаций и равномерно распределяет его по модулям станции.
2. Система генерации кислорода (ОГС).
Основным источником кислорода на МКС являетсяСистема генерации кислорода (ОГС), модульная установка, разработанная НАСА и Роскосмосом (при участии Европейского космического агентства, ЕКА и Японского агентства аэрокосмических исследований, JAXA). OGS используетэлектролиз-тот же химический процесс, который используется в некоторых-генераторах кислорода на Земле-для расщепления воды (H₂O) на кислород (O₂) и водород (H₂). Вот подробное описание его компонентов и работы:
2.1 Компоненты OGS
OGS состоит из трех ключевых подсистем, каждая из которых оснащена специализированным оборудованием:
Узел обработки воды (WPA): Перед электролизом воду необходимо очистить от примесей (например, солей, органических веществ), которые могут повредить электроды ОГС. WPA собирает воду из трех источников:
Переработанная вода: Конденсат воздуха станции (водяной пар от дыхания и потоотделения), очищенные сточные воды (например, из раковин, душевых) и моча (перерабатываемая УПА).
Пополнение запасов воды: Вода доставляется грузовыми космическими кораблями (например, Dragon компании SpaceX, Cygnus компании Northrop Grumman) в качестве резерва на случай сбоя систем переработки.
Вода для топливных элементов: побочный продукт бывших топливных элементов станции (использовался для выработки электроэнергии до установки солнечных батарей). Хотя топливные элементы больше не являются основным источником энергии, их остаточная вода по-прежнему используется, если таковая имеется.
Модуль электролиза (ЭМ): Сердце OGS, EM содержит дваТвердооксидные электролизеры (SOEC)-современные устройства, которые используют высокие температуры (600–800 градусов) для расщепления воды на кислород и водород. В отличие от традиционных систем электролиза (в которых используются жидкие электролиты), в SOEC используется твердый керамический электролит, который более эффективен, компактен и долговечен в космосе. Вот как работает этот процесс:
Очищенная вода подается в СОЭК в виде пара (испаряется для повышения эффективности).
Электрический ток (от солнечных батарей МКС) подается на электроды СОЭК (анод и катод).
На аноде пар реагирует с керамическим электролитом с образованием газообразного кислорода (O₂), электронов и ионов водорода (H⁺).
Электроны текут по внешней цепи (генерируя небольшое количество дополнительного электричества), а ионы водорода движутся через электролит к катоду.
На катоде ионы водорода соединяются с электронами, образуя газообразный водород (H₂).
Подсистема обработки кислорода (OHS): После производства кислород из ЭМ перерабатывается и распределяется:
Охлаждение: Горячий газообразный кислород (из SOEC) охлаждается до комнатной температуры с помощью теплообменников (подключенных к системе терморегулирования МКС).
Сушка: Любой оставшийся водяной пар удаляется с помощью молекулярных сит (аналогичных тем, которые используются в концентраторах кислорода на Земле-), чтобы предотвратить конденсацию в трубах станции.
Распределение: Сухой чистый кислород (чистота 99,999%) отправляется в атмосферу МКС через сеть клапанов и труб, смешиваясь с существующим воздухом для поддержания концентрации 21%.
Водородная вентиляция: Побочный продукт водорода не используется МКС (поскольку станция работает на солнечной энергии, а не на водородных топливных элементах) и выбрасывается в космос. В этом ключевое отличие от ранних космических станций, таких как «Мир», которые использовали водород для выработки электроэнергии.
2.2 Эффективность и мощность OGS
OGS предназначен для удовлетворения суточной потребности МКС в кислороде, которая составляет ~ 0,84 килограмма (кг) на космонавта (что эквивалентно ~ 588 литрам газообразного кислорода при 1 атм). Для экипажа из 7 человек это составляет ~5,88 кг кислорода в сутки. Ключевые показатели эффективности OGS включают в себя:
Производительность: Каждый SOEC может производить ~0,5 кг кислорода в день, поэтому два SOEC вместе генерируют ~1 кг в день. Однако система работает в шахматном режиме (один SOEC активен, один в режиме ожидания) для уменьшения износа, в результате чего чистая производительность составляет ~0,5 кг в день. Это означает, что один только OGS не может удовлетворить потребности всего экипажа,-следовательно, необходимы дополнительные источники кислорода (см. Раздел 3).
Энергоэффективность: SOEC высокоэффективны, преобразуя ~ 80% электроэнергии в кислород (по сравнению с ~ 60% для традиционных систем электролиза). Это очень важно, поскольку солнечные батареи МКС имеют ограниченную мощность (~ 120 киловатт (кВт) мощности всех систем).
Надежность: Проектный срок службы OGS составляет 15 лет (увеличен по сравнению с первоначальными 10 годами) и включает резервные компоненты (например, резервные SOEC, клапаны) для предотвращения сбоев. С момента установки в 2008 году (как часть модуля «Спокойствие» узла 3 МКС) у OGS возникали лишь незначительные проблемы (например, засорение фильтров для воды), которые решались путем удаленного устранения неполадок.
3. Резервные и дополнительные системы
Хотя OGS является основным источником кислорода, на МКС используются три вторичные системы, обеспечивающие непрерывную подачу,-критическую в случае неисправности OGS или во время пиковой нагрузки (например, когда численность экипажа временно увеличивается).
3.1 Баллоны с кислородом под давлением (Российский сегмент)
Российский сегмент (РС) МКС,-который включает в себя такие модули, как "Звезда" (служебный модуль) и "Наука" (многоцелевой лабораторный модуль),-используеткислородные баллоны под давлениемв качестве резервной копии. Эти танки:
Дизайн: Цилиндрические резервуары из титанового сплава (выдерживают высокое давление и космическую радиацию) емкостью ~40 литров каждый. Они хранят кислород в виде газа высокого-давления (3000 фунтов на квадратный дюйм, или 20,7 МПа)-того же типа, который используется в наземных-аквалангах, но модифицированного для космоса.
Поставлять: Резервуары доставляются на МКС российскими грузовыми кораблями (например, «Прогресс») и крепятся к внешним портам РС. Каждая миссия «Прогресс» имеет 2–3 баллона, обеспечивающих ~ 100–150 кг кислорода за миссию (достаточно для поддержки экипажа из 7 человек в течение ~ 20–25 дней).
Развертывание: При выходе из строя ОГС система жизнеобеспечения РС открывает клапаны для выпуска кислорода из резервуаров в атмосферу станции. Резервуары также используются во время выходов в открытый космос (ВКД, внекорабельная деятельность) для подачи кислорода в скафандры астронавтов.
3.2 Кислородные свечи (химические генераторы кислорода)
Для экстренных ситуаций (например, крупного отказа OGS в сочетании с задержкой пополнения запасов груза) МКС используеткислородные свечи-компактные химические-генераторы, производящие кислород посредством термической реакции. Это свечи:
Состав: Каждая свеча представляет собой твердый блок хлората натрия (NaClO₃), смешанного с катализатором (например, железным порошком) и топливом (например, алюминием). При воспламенении хлорат натрия разлагается при высоких температурах (500–600 градусов) с образованием газообразного кислорода и хлорида натрия (поваренной соли).
Емкость: Одна свеча (весом ~1 кг) производит ~60 литров кислорода (достаточно для одного космонавта на ~10 часов). На МКС имеется около 100 свечей, хранящихся в несгораемых контейнерах в каждом модуле (например, «Заря», «Юнити») для удобства доступа.
Безопасность: Кислородные свечи безопасны в космосе.-Они не производят открытого огня (только тепло), а побочный продукт хлорида натрия не-токсичен (он собирается в фильтре и позже удаляется во время грузовых миссий). Однако они используются только в крайнем случае из-за их ограниченных возможностей и необходимости активации вручную.
3.3 Регенеративное жизнеобеспечение: переработка кислорода из CO₂
МКССистема экологического контроля и жизнеобеспечения (ECLSS)включает регенеративный компонент, который перерабатывает кислород из CO₂-, снижая потребность в производстве нового кислорода. Это делается черезУзел удаления углекислого газа (CDRA)(американский сегмент) иСистема Воздух(Российский сегмент):
CDRA (сегмент США): использует двухэтапный-процесс, называемыйдесорбция твердых аминов водойдля удаления CO₂ и получения кислорода:
Адсорбция CO₂: Воздух с МКС прокачивается через слой твердого амина (химического соединения, связывающего CO₂). Амин улавливает CO₂, а чистый воздух (без CO₂) возвращается на станцию.
Десорбция и производство кислорода: Когда слой амина насыщен, он нагревается для высвобождения захваченного CO₂. Затем CO₂ вступает в реакцию с водородом (в результате процесса электролиза OGS) вРеактор Сабатье(еще один компонент ECLSS) для производства воды (H₂O) и метана (CH₄). Затем вода отправляется в OGS для разделения на кислород и водород, создавая замкнутый контур.
Система «Воздух» (российский сегмент): используется аналогичный процесс, но с использованием другого химического вещества (гидроксида лития, LiOH) для поглощения CO₂. В отличие от CDRA, система «Воздух» не перерабатывает CO₂ в кислород-вместо этого LiOH выбрасывается после насыщения (он заменяется во время грузовых миссий). Однако он проще и надежнее, чем CDRA, что делает его ценным резервным копированием.
Регенеративная система снижает потребность МКС в кислороде примерно на 40 %-, что обеспечивает критический прирост эффективности, сводящий к минимуму необходимость в миссиях по пополнению запасов. Например, без переработки станции потребовалось бы ~9,8 кг кислорода в день для 7 астронавтов; при переработке эта цифра снижается до ~5,88 кг.
4. Обеспечение устойчивости к чрезвычайным ситуациям
В дополнение к вторичным источникам на МКС имеются специальные системы хранения кислорода для удовлетворения пиковых потребностей и чрезвычайных ситуаций. Эти системы предназначены для хранения кислорода в двух формах: газе-высокого давления и жидкости.
4.1. Хранилища газа высокого-давления (сегмент США)
Американский сегментБензобаки высокого-давлениярасположены в модулях Node 1 (Unity) и Node 3 (Tranquility). Эти танки:
Дизайн: Сферические резервуары из инконеля (никель-хромовый сплав, устойчивый к коррозии и высоким температурам) емкостью ~150 литров каждый. Они хранят кислород при давлении 6000 фунтов на квадратный дюйм (41,4 МПа),-вдвое превышающем давление в резервуарах Русского сегмента-, что позволяет хранить больше кислорода в меньшем пространстве.
Емкость: Каждый баллон вмещает ~100 кг кислорода (достаточно для 7 астронавтов на ~17 дней). В американском сегменте имеется 4 таких танка, обеспечивающих общий запас ~400 кг (хватит на ~68 дней).
Вариант использования: Эти резервуары используются в качестве дополнения к OGS во время пиковой нагрузки (например, когда два астронавта выходят в открытый космос, что увеличивает потребление кислорода примерно на 50%), а также в качестве резервной копии, если OGS выйдет из строя. Они также используются для восстановления давления на станции после выхода в открытый космос (поскольку во время выхода в открытый космос теряется часть воздуха).
4.2 Хранение жидкого кислорода (LOX) (только в случае чрезвычайной ситуации)
На случай долгосрочных-чрезвычайных ситуаций (например, месячного-сбоя OGS) МКС может хранитьжидкий кислород (LOX)-та же форма, что и в ракетном топливе. LOX хранится в:
Дизайн: Резервуары с двойными-стенками и слоем вакуумной изоляции для поддержания температуры LOX при -183 градусах (точка кипения 1 атм). Резервуары небольшие (~50 литров каждый) из-за ограниченного места на станции.
Емкость: 50-литровый бак LOX вмещает ~60 кг кислорода (поскольку LOX имеет плотность 1,141 кг/л), чего достаточно для 7 астронавтов на ~10 дней. На МКС есть 2 таких бака, всего ~120 кг (хватит на ~20 суток).
Проблемы: Хранение LOX в космосе затруднено, поскольку температура на станции колеблется (от -120 градусов в тени до 120 градусов при солнечном свете), что приводит к выкипанию (испарению) некоторого количества LOX. Чтобы свести к минимуму выкипание, резервуары оснащены нагревателями, регулирующими температуру, и предохранительным клапаном, который стравливает избыток газа (который затем улавливается и используется в атмосфере станции).
5. Обеспечение единообразия поставок по модулям
МКС представляет собой сложную сеть из 16 модулей (по состоянию на 2024 год), включающих жилые помещения (например, помещения экипажа), лаборатории (например, «Колумбус», «Кибо») и служебные модули (например, «Звезда», «Наука»). Чтобы гарантировать, что каждый модуль имеет постоянную концентрацию кислорода 21%, на станции используетсяцентрализованная система распределениясо следующими компонентами:
5.1 Вентиляторы циркуляции воздуха
В каждом модуле 4–6вентиляторы циркуляции воздухакоторые перемещают воздух со скоростью ~ 1 кубический метр в минуту. Эти фанаты:
Не допускайте образования застойных воздушных карманов (которые могут привести к низкому уровню кислорода в углах модуля).
Смешайте вновь полученный кислород с имеющимся воздухом, чтобы поддерживать концентрацию 21%.
Прокачивайте воздух через системы CDRA/Воздух для удаления CO₂ и загрязнений.
Вентиляторы имеют решающее значение, поскольку в условиях микрогравитации (невесомости) воздух не циркулирует естественным образом (как это происходит на Земле из-за конвекции). Без вентиляторов космонавты могли бы испытать гипоксию в местах, удаленных от источника кислорода.
5.2 Клапаны и трубы
Сетьтрубы из нержавеющей стали(диаметром 2–4 дюйма) соединяет OGS, резервуары для хранения и модули. Каждая труба оснащена:
Электромагнитные клапаны: Клапаны с электрическим управлением, которые открываются и закрываются для регулирования потока кислорода. Эти клапаны являются резервными (каждая труба имеет два клапана) для предотвращения утечек.
Датчики давления: Следить за давлением в трубах, чтобы оно соответствовало атмосферному давлению станции (101,3 кПа). Если давление падает (например, из-за утечки), датчики подают сигнал тревоги и закрывают соответствующие клапаны.
Фильтры: Удалите пыль и мусор из кислородной системы во избежание повреждения вентиляторов и систем жизнеобеспечения.
5.3 Модуль-Специальные регуляторы
Каждый модуль имеетрегулятор давлениякоторый регулирует подачу кислорода в модуль в зависимости от его размера и занятости. Например:
Небольшие модули (например, помещения для экипажа, площадь которых составляет ~10 кубических метров) требуют меньшую скорость потока (~0,1 кг кислорода в день), чем большие модули (например, Лаборатория Колумбуса, площадь которой составляет ~75 кубических метров, требуется ~0,5 кг в день).
Регуляторы также обеспечивают поддержание давления в модуле на уровне 101,3 кПа, даже если в других модулях происходит повторное повышение давления (например, после выхода в открытый космос).
