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国际空间站上的绿色环保生活方式
    日期:2011年05月26日    字体:【】【】【

  与我们的地球相似,国际空间站也有空气和水的再生回路,主要包括水的再生和处理、氧气生成、二氧化碳的清除,以及水和大气质量监测。
  
  44%的水循环利用
  与我们的地球相似,国际空间站也有空气和水的再生回路,主要包括水的再生和处理、氧气生成、二氧化碳的清除,以及水和大气质量监测。目前整个空间站用于空气生成、食品复水和卫生用水等方面所需水量的44%,是靠再生而来。


  
  空间站航天员维修站内的冷凝水处理器 


  航天员活动如流汗和呼吸会在舱内空气中产生湿气,通过大气温度控制,俄罗斯和美国舱段内的热交换器将这些湿气凝结,并转化成固态,用于储存和处理。毛巾和衣物中的水也通过热交换器被回收。再生水一般经过俄罗斯的多层过滤催化净化系统的处理,变成适合饮用的水。航天飞机STS-126任务已经把美国的“水回收系统”送到国际空间站,它可以收集并处理固态水、尿和其他废水,通过蒸馏和化学处理制成适合饮用水和“技术”水,“技术”水用来支持空间站内的各种系统。但有些水是无法回收再利用的,这就需要航天飞机或货运飞船进行定期补充。
  
  78%的空气再生
  通过电解的方式,水还能产生氧气,空间站内的氧气就是这样产生的。以往,俄罗斯的Elektron系统是空间站内制氧的主要手段。2007年7月13日开始工作的美国“氧气生成系统”成为空间站的制氧“新手”。使空间站78%的氧气实现再生。
  空间站内产生的二氧化碳通过俄罗斯的Vozdukh系统或美国的“二氧化碳清除组件”被去除。“二氧化碳清除组件”其实是一种沸石分子过滤筛,先吸附二氧化碳,然后将其排到空间站外。
  一种由私人投资研发的萨巴蒂尔反应器将应用到空间站上,能更好地实现二氧化碳的再利用循环。这种二氧化碳减少处理设备能从二氧化碳和氢气中生产水和甲烷。萨巴蒂尔反应器将被安装在美国“氧气生成系统”的支架上,能够从“二氧化碳清除组件”直接获得二氧化碳,从“氧气生成系统”直接获得氢气。这种反应器一旦投入使用,将能减少由航天飞机和货运飞船提供的水量。结合萨巴蒂尔反应器,空间站上的“环境控制和生命支持系统”能够实现大约85%的空气和水的自给自足。萨巴蒂尔反应器产生的甲烷废气会被排到太空中,不过,研究人员认为,甲烷能够作为火箭燃料,或许将用于未来飞往月球或火星的任务中。
  为了与地球环境更加相似,并减少站内着火的危险,空间站大气中混合了少量氮气,这些氮气通过航天飞机或货运飞船运到空间站上。
  由于要保证航天员的健康和安全,因此需要定期监控空间站内的空气和饮用水质量。主要构成分析仪就是从事空气质量监测工作的首要仪器,它是一种质量分光计,不断地从空间站美国舱段内的多处地方进行采样,确定其中氧气、氮气、二氧化碳、水蒸气、甲烷和氢气所占的比例。踪迹污染物控制组件则负责清除由设备产生的废气中的大气化学成分,从而保证使这些污染物维持在安全水平之内。“水还原系统”中的电导率传感器和总有机碳分析仪负责监测饮用水纯度。总有机碳分析仪能测量有机碳和无机碳的数量,以及空间站水样本中的PH值和电导率,采样试验装置还用于测量空气和水中的微生物杂质。
  
  自给自足的清洁能源
  国际空间站需要有大量的电能来维持其系统的运行,如“环境控制和生命支持系统”、指令和数据处理系统、通信系统、照明,还有航天员的健康、运动和娱乐,以及各种研究实验,都需要电能。一般情况下,“国际空间站”的巨大太阳电池阵有3/4都在轨提供电能。如果全部运行的话,太阳电池阵的覆盖面积将是2192米2,每年能为空间站的各种系统和研究实验提供大约708000度电,相当于50个休斯顿地区的家庭用电需求。
  空间站的太阳电池阵在两个轴线上跟踪太阳。2个“太阳阿尔法旋转接头”分别位于左舷桁架和右舷桁架上,根据空间站轨道运行期间太阳角度的变化,它能够360°旋转整个太阳电池阵。8个“贝塔万向架组件”则分别安装在8个太阳电池翼上,根据太阳角度的季节变化,能够360°旋转每个太阳电池翼。通过“太阳阿尔法旋转接头”和“贝塔万向架组件”,使太阳电池阵能够最大限度地收集太阳能。太阳能在转化成电能后,被储存在48个镍氢电池中,从而保证在国际空间站没有日照的情况下维持其正常运行。空间站每90分钟绕地球一圈,其中有30分钟处于黑暗之中,而在每个地球日内,空间站要经历大约16次黑暗。
  电能的管理也是空间站上需要考虑的一个重要问题。在空间站暂时无法产生电能时或用电需求增加期间,空间站系统能自动或通过人工干涉分成8个通道释放出电能,每个通道为特定的设备提供电能。如果有通道受阻,电力系统还能通过一系列的开关来重新组配,以便为任何需要的设备提供电能。
  虽然俄罗斯舱段能够提供助推器来控制空间站的在轨姿态,但是空间站的姿态控制还是主要依赖于动量的储存和重复使用。动量的存储既能节省燃料,又能为空间站提供精确而稳定的控制。空间站Z1桁架上安装了4个控制力矩陀螺仪,每个陀螺仪中配有一个约100千克的钢制轮,钢制轮每分钟旋转6600转,能储存大量的角动量。控制陀螺仪旋转轴的空间站计算机发出指令后,陀螺仪传递一个转力矩,从而改变空间站的运行方向。
  
  航天员“节衣缩食”
  在2010年空间站建造完成后,其加压容积将达到大约914米3,比5间卧室还要大。与大多数家庭一样,存储空间非常宝贵,因此各种垃圾的分类和清除是一个相当重要的事情。空间站内,3名航天员维持6个月的生活大约需要4吨的补给品。到目前为止,空间站航天员已经消耗了约22226千克的食物。一般来说,每年有3艘~4艘货运飞船,如俄罗斯进步号和欧洲新的自动转移飞行器向空间站运送食物和其他补给品。为了尽量减少垃圾,技术人员想出了各种方法,比如,用纺织品如毛巾和衣物取代一次性的打包材料;尽可能的使用电子媒介,以限制废纸的数量。
  
  安全处理垃圾
  更有意思的是,旧的进步号飞船或自动转移飞行器被作为食物废料、用过的存储容器及其他各种垃圾的存放容器。在下一艘补给飞船到达空间站之前,旧的补给飞船必须离开空间站,并再入大气层,在大气层中和那些垃圾一起化为灰烬。每年大约有4536千克的食物垃圾、用过的毛巾和衣物、废电池、过滤器及失效的设备等垃圾通过这种方式被焚烧。
  国际空间站上航天员的生活和工作提供一种未来地球人类的生活和工作模式。当未来人类超越空间站的轨道高度,探索更远的宇宙时,空间站上的环保系统将有助于在遥远的宇宙空间建立一个人类的居住地。
  来源:太空探索杂志
  

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