Интегрированная ферменная конструкция - Integrated Truss Structure

Внешний вид солнечных батарей и стальной фермы МКС. Белая облицовка - это кевларовые панели для защиты от микрометеороидов.
Элементы МКС по состоянию на август 2021 года в разобранном виде.

Структура Интегрированной Трасс ( ИТС ) на Международной космической станции (МКС) состоит из линейной последовательности расположена соединенных ферм , на которых различные безнапорных компоненты смонтированы такие как логистические носители, радиаторы , солнечные батареи и другое оборудование. Он снабжает МКС шинной архитектурой. Его длина составляет около 110 метров, он сделан из алюминия и нержавеющей стали .

Компоненты фермы

Вид с большой высоты на стальные конструкции фермы, радиаторы по левому борту и солнечные батареи, 2019 г.

Все компоненты фермы были названы в соответствии с их запланированными конечными положениями: Z для зенита, S для правого борта и P для левого борта, с номером, указывающим последовательное положение. Ферму S0 можно назвать неправильной, поскольку она установлена ​​по центру в зените Destiny и не находится ни по правому, ни по левому борту.

Производство

Астронавт НАСА Рид Вайзман осматривает стальной каркас ферменной конструкции

Сегменты фермы МКС были изготовлены компанией Boeing на ее объектах в Хантингтон-Бич, Калифорния , сборочном цехе Мишуд в Новом Орлеане, Луизиана , Центре космических полетов Маршалла в Хантсвилле, штат Алабама , и в Талсе, штат Оклахома . Затем фермы были доставлены или отправлены в Цех обработки космической станции Космического центра Кеннеди для окончательной сборки и проверки.

Каркас конструкции был изготовлен с использованием нескольких производственных процессов, включая процессы литья по выплавляемым моделям , горячей прокатки стали , перемешивания трением и сварки TIG .

Ферма Z1

Ферма Z1
Z1 Ферма над модулем

Первый элемент фермы, ферма Z1, был запущен на борту STS-92 в октябре 2000 года. Он содержит узлы гироскопа управления моментом (CMG), электропроводку, оборудование связи и два плазменных контактора, предназначенных для нейтрализации статического электрического заряда космической станции. .

Другая цель фермы Z1 заключалась в том, чтобы служить в качестве временной монтажной позиции для «фермы P6 и солнечной батареи» до ее перемещения к концу фермы P5 во время STS-120. Ферма Z1, хотя и не являющаяся частью главной фермы, была первой постоянной решетчатой ​​структурой для МКС, очень похожей на ферму, заложившую основу для будущего добавления основных ферм или магистралей станции. Он изготовлен из нержавеющей стали, титана и алюминиевых сплавов.

Хотя основная часть фермы Z1 не находится под давлением, она имеет порт общего механизма причаливания (CBM), который соединяет ее надир с зенитным портом Unity и содержит небольшой герметичный купол, который позволял астронавтам подключать электрические заземляющие ленты между Unity и фермой без выход в открытый космос. Кроме того, купол внутри CBM Z1 может использоваться как место для хранения вещей.

Ферма Z1 также оснащена обращенным вперед кольцом ручного швартовного механизма (MBM). Этот MBM не является портом и не работает под давлением или с электрическим приводом, но им можно управлять с помощью ручного инструмента, чтобы прикрепить к нему любой пассивный CBM . MBM фермы Z1 использовался только один раз, чтобы временно удерживать PMA-2 , в то время как лаборатория Destiny была прикреплена к узлу Unity во время STS-98 . После установки ближайшей фермы S0 в апреле 2002 года доступ к MBM был заблокирован.

В октябре 2007 г. элемент фермы P6 был отсоединен от Z1 и перенесен на P5; P6 теперь будет постоянно связан с P5. Ферма Z1 теперь используется исключительно для размещения CMG, оборудования связи и плазменных контакторов; кроме того, Z1 теперь подключается только к Unity (узел 1) и больше не содержит других элементов космической станции.

В декабре 2008 года компания Ad Astra Rocket объявила о соглашении с НАСА о размещении на станции летно-испытательной версии своего ионного двигателя VASIMR для выполнения функций по перезагрузке. В 2013 году модуль подруливающего устройства планировалось разместить на ферме Z1 в 2015 году. НАСА и Ad Astra подписали контракт на разработку двигателя VASIMR сроком до трех лет в 2015 году. Однако в 2015 году НАСА прекратило выполнение планов по полетам. ВФ-200 к МКС. Представитель НАСА заявил, что МКС «не была идеальной демонстрационной платформой для желаемого уровня производительности двигателей». (Примером космического корабля, который использовал ионный двигатель для поддержания своей орбиты, был Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer , двигатель которого позволял ему поддерживать очень низкую орбиту.)

Анимация, показывающая различные виды фермы Z1, которая была установлена ​​на Международной космической станции экипажем STS-92.
На этой фотографии 2001 года показана альтернативная конфигурация фермы, в которой ферма Z1 была критическим элементом между солнечными батареями и модулями.
Командир 11-й экспедиции Сергей Константинович Крикалев внутри ферменного купола Z1.

Ферма S0

Ферма S0
Стальная опорная конструкция фермы S0, соединяющаяся с лабораторией США

Ферма S0 (также называемая центральной фермой правого борта 0 в сборе интегрированной фермы ) образует центральную основу космической станции. Он был прикреплен к верхней части лабораторного модуля Destiny во время STS-110 в апреле 2002 года. S0 используется для направления питания на модули станции под давлением и отвода тепла от модулей к фермам S1 и P1. Ферма S0 не состыкована с МКС, но соединена с четырьмя стойками из нержавеющей стали «Модуль к ферменной конструкции» (MTS).

Фермы P1, S1

Ферма S1
Ферма P1

Фермы P1 и S1 (также называемые фермами теплового радиатора левого и правого борта ) прикреплены к ферме S0 и содержат тележки для транспортировки Canadarm2 и астронавтов на рабочие места вместе с космической станцией. Каждый из них пропускает 290 кг (637 фунтов) безводного аммиака через три теплоотводящих радиатора. Ферма S1 была запущена на STS-112 в октябре 2002 года, а ферма P1 была запущена на STS-113 в ноябре 2002 года. Детальное проектирование, испытания и строительство конструкций S1 и P1 были выполнены McDonnell Douglas (ныне Boeing) в Хантингтоне. Пляж, Калифорния. Первые части конструкции были вырезаны в 1996 году, а поставка первой фермы произошла в 1999 году.

Фермы P2, S2

Фермы P2 и S2 планировались как места для ракетных двигателей в первоначальном проекте для космической станции «Свобода» . Поскольку российские части МКС также обеспечивали такую возможность , возможность перезапуска космической станции «Свобода» в этом месте больше не требовалась. Итак, P2 и S2 были отменены.

Фермы P3 / P4, S3 / S4 в сборе

Детали и раскладывание фермы P3 / P4 (анимация)
Ферма P3 / P4
Ферма S3 / S4

Узел фермы P3 / P4 был установлен космическим шаттлом Atlantis STS-115 , запущенным 9 сентября 2006 г., и прикреплен к сегменту P1. Сегменты P3 и P4 вместе содержат пару солнечных батарей , радиатор и поворотный шарнир , который направляет солнечные батареи и соединяет P3 с P4. После его установки через поворотный шарнир не протекала энергия, поэтому электричество, вырабатываемое крыльями солнечной батареи P4, использовалось только на сегменте P4, а не на остальной части станции. Затем, в декабре 2006 года, в результате капитального переноса электропроводки станции с помощью STS-116 эта мощность была направлена ​​на всю сеть. Узел фермы S3 / S4 - зеркальное отображение P3 / P4 - был установлен 11 июня 2007 г. также космическим шаттлом « Атлантис» во время полета STS-117 , миссии 13A, и смонтирован на сегменте фермы S1.

Основные подсистемы P3 и S3 включают в себя систему межсегментного присоединения (SSAS), вращающееся соединение Solar Alpha (SARJ) и систему крепления негерметичных грузовых транспортных средств (UCCAS). Основные функции сегмента фермы P3 заключаются в обеспечении механических интерфейсов, интерфейсов питания и передачи данных для полезных нагрузок, прикрепленных к двум платформам UCCAS; осевая индексация для слежения за солнцем или вращение массивов для следования за солнцем через SARJ; перемещение и размещение на рабочей площадке мобильного транспортера . Первичная конструкция P3 / S3 изготовлена ​​из алюминиевой конструкции шестиугольной формы и включает четыре переборки и шесть лонжеронов . Ферма S3 также поддерживает местоположения EXPRESS Logistics Carrier , первая из которых будет запущена и установлена ​​в 2009 году.

Основные подсистемы фотоэлектрических модулей (PVM) P4 и S4 включают два крыла солнечной батареи (SAW), фотоэлектрический излучатель (PVR), структуру интерфейса Alpha Joint (AJIS) и модифицированную систему крепления фермы Rocketdyne (MRTAS) и Beta Подвес в сборе (BGA).

Фермы P5, S5

Ферма P5
Ферма S5

Фермы P5 и S5 - это соединители, которые поддерживают фермы P6 и S6 соответственно. Длина ферменных узлов P3 / P4 и S3 / S4 была ограничена вместимостью грузового отсека космического челнока , поэтому эти небольшие (3,37 м в длину) соединители необходимы для удлинения фермы. Ферма P5 была установлена ​​12 декабря 2006 г. во время первого выхода в открытый космос миссии STS-116 . Ферма S5 была выведена на орбиту миссией STS-118 и установлена ​​11 августа 2007 года.

Фермы P6, S6

Ферма P6
Ферма П6 после переезда
Ферма S6

Ферма P6 была вторым сегментом фермы, который должен был быть добавлен, потому что он содержит большое крыло солнечной решетки (SAW), которое генерировало необходимую электроэнергию для станции до активации SAW на ферме P4. Первоначально она была установлена ​​на ферме Z1, и ее SAW была расширена во время STS-97 , но SAW складывалась пополам, чтобы освободить место для SAW на фермах P4 и S4, во время STS-116 и STS- 117 соответственно. Миссия шаттла STS-120 (сборочная операция 10A ) отсоединила ферму P6 от Z1, повторно установила ее на ферме P5, повторно развернула панели радиатора и попыталась повторно развернуть свои SAW. Одна SAW (2B) была развернута успешно, но вторая SAW (4B) образовала значительный разрыв, который временно остановил развертывание примерно на 80%. Впоследствии это было исправлено, и теперь массив полностью развернут. Более поздняя миссия по сборке (нестандартная STS-119 ) смонтировала ферму S6 на ферме S5, которая обеспечила четвертый и последний набор солнечных батарей и радиаторов.

Галерея ферм

Подсистемы фермы

Солнечные батареи

Крупным планом - солнечная батарея, сложенная гармошкой.

Международная космическая станция Главный источник «s энергии от четырех крупных американского производства фотоэлектрических массивов в настоящее время на станции, иногда именуемых Solar Wings массива (АВР). Первая пара массивов прикреплена к сегменту фермы P6, который был запущен и установлен поверх Z1 в конце 2000 года во время STS-97 . Сегмент P6 был перемещен в свое окончательное положение, прикрепленный болтами к сегменту фермы P5, в ноябре 2007 года во время STS-120 . Вторая пара массивов была запущена и установлена ​​в сентябре 2006 года во время STS-115 , но они не обеспечивали электричеством до STS-116 в декабре 2006 года, когда на станции была проведена электрическая переустановка. Третья пара массивов была установлена ​​во время STS-117 в июне 2007 года. Последняя пара прибыла в марте 2009 года на STS-119 . Больше солнечной энергии должно было быть доступно через российскую платформу Science Power , но она была отменена.

Каждый из солнечных батарей крыльев 34 м (112 футов) в длину на 12 м (39 футов) в ширину, имеют примерно 1 100 кг (2400 фунтов) массы, и способны генерировать около 30 кВт от постоянного тока мощностью. Они разделены на два фотоэлектрических одеяла с мачтой развертывания между ними. Каждое одеяло имеет 16 400 кремниевых фотоэлектрических элементов , каждая ячейка размером 8 см х 8 см, сгруппированных в 82 активных панели, каждая из которых состоит из 200 ячеек, с 4100 диодами .

Каждая пара одеял складывалась гармошкой для компактной доставки в космос. После выхода на орбиту мачта развертывания между каждой парой одеял разворачивает массив на всю длину. Подвесы , известные как Beta Gimbal Assembly (BGA), используются для поворота массивов так, чтобы они были обращены к Солнцу, чтобы обеспечить максимальную мощность Международной космической станции.

Со временем фотоэлектрические элементы на крыльях постепенно деградируют и рассчитаны на 15-летний срок службы. Это особенно заметно при запуске первых массивов, с фермами P6 и P4 в 2000 и 2006 годах. Чтобы увеличить крылья фермы P6, в июне 2021 года НАСА запустило две увеличенные версии Roll Out Solar Array на борту SpaceX. Dragon 2 - космический корабль SpaceX CRS-22 , и планируется запустить еще четыре на SpaceX CRS-25 и SpaceX CRS-26 . Эти массивы более легкие и генерируют больше энергии, чем существующие массивы. Они предназначены для размещения по центральной части крыльев до двух третей их длины. Работы по установке опорных кронштейнов для новых массивов на балки мачты фермы P6 были инициированы участниками Экспедиции 64 . Работа по установке и развертыванию первых двух массивов на кронштейнах P6 была успешно проведена в течение трех выходов в открытый космос Шейном Кимбро и Томасом Песке из 65-й ​​экспедиции .

Вращающийся шарнир Solar Alpha

Альфа совместное является основным вращающееся соединение позволяет солнечные батареи , чтобы следить за солнцем; в номинальном режиме альфа-шарнир вращается на 360 ° по каждой орбите (однако см. также режим Night Glider ). Одно вращающееся соединение Solar Alpha (SARJ) расположено между сегментами фермы P3 и P4, а другое - между сегментами фермы S3 и S4. Во время работы эти соединения непрерывно вращаются, чтобы крылья солнечных батарей на внешних сегментах фермы были ориентированы на Солнце. Каждый SARJ имеет диаметр 10 футов, весит примерно 2500 фунтов и может непрерывно вращаться с помощью подшипниковых узлов и системы сервоуправления. Как по левому, так и по правому борту вся мощность проходит через узел передачи электроэнергии (UTA) в SARJ. Узлы роликового кольца позволяют передавать данные и мощность через вращающийся интерфейс, поэтому ему никогда не придется раскручиваться. SARJ был разработан, построен и испытан компанией Lockheed Martin и ее субподрядчиками.

Вращающиеся шарниры Solar Alpha содержат узлы блокировки привода, которые позволяют внешним сегментам ITS вращаться и отслеживать Солнце . Компонент DLA представляет собой шестерню, которая входит в зацепление с кольцом качения, которое служит ходовой шестерней . В каждом SARJ есть два гоночных кольца и два DLA, обеспечивающих резервирование на орбите, однако потребуется серия выходов в открытый космос , чтобы переместить DLA и подшипниковые узлы поворотного механизма (TBA) для использования альтернативного гоночного кольца. Запасной DLA доставлен на МКС на STS-122 .

В 2007 году проблема была обнаружена в SARJ правого борта и в одном из двух бета-карданных узлов (BGA). Повреждение произошло из-за чрезмерного и преждевременного износа гусеницы в шарнирном механизме. SARJ был заморожен во время диагностики проблемы, и в 2008 году гусеница была смазана для решения этой проблемы.

Кондиционирование и хранение энергии

Блок последовательного шунтирования (SSU) предназначен для грубой регулировки солнечной энергии, собираемой в периоды инсоляции, когда массивы собирают энергию в периоды наведения на солнце. Последовательность из 82 отдельных гирлянд или линий электропередач ведет от солнечной батареи к SSU. Маневрирование или управление выходом каждой струны регулирует количество передаваемой мощности. Регулируемая уставка напряжения контролируется компьютером, расположенным на IEA, и обычно устанавливается на уровне около 140 вольт. SSU имеет функцию защиты от перенапряжения для поддержания выходного напряжения ниже 200 В постоянного тока максимум во всех рабочих условиях. Затем эта мощность передается через BMRRM в DCSU, расположенный в IEA. Размеры SSU - 32 на 20 на 12 дюймов (81 на 51 на 30 см) и вес 185 фунтов (84 кг).

Каждый аккумуляторный блок, расположенный на фермах S4, P4, S6 и P6, состоит из 24 легких литий-ионных аккумуляторных элементов и соответствующего электрического и механического оборудования. Каждая батарея в сборе имеет паспортную емкость 110  Ач (396 000  C ) (первоначально 81 Ач) и 4 кВтч (14 МДж). Эта мощность подается на ISS через BCDU и DCSU соответственно.

Батареи гарантируют, что станция никогда не останется без электричества для поддержания систем жизнеобеспечения и проведения экспериментов. Во время солнечной части орбиты происходит подзарядка аккумуляторов. Расчетный срок службы никель-водородных батарей составлял 6,5 лет, что означает, что они заменялись несколько раз в течение ожидаемого 30-летнего срока службы станции. Аккумуляторы и блоки заряда / разряда аккумуляторов производятся Space Systems / Loral (SS / L) по контракту с Boeing . Ni-H2 батареи на ферме P6 были заменены в 2009 и 2010 годах новыми Ni-H2 батареями, доставленными в рамках миссий Space Shuttle. Расчетный срок службы никель-водородных батарей составлял 6,5 лет и мог превышать 38 000 циклов заряда / разряда при глубине разряда 35%. Каждая батарея имела размеры 40 на 36 на 18 дюймов (102 на 91 на 46 см) и весила 375 фунтов (170 кг).

С 2017 по 2021 год никель-водородные батареи были заменены литий-ионными . 6 января 2017 года, экспедиция 50 членов Шейн Kimbrough и Пегги Уитсон начался процесс преобразования некоторых из самых старых батарей на МКС для новых литий-ионных батарей. Участники экспедиции 64 Виктор Дж. Гловер и Майкл С. Хопкинс завершили кампанию 1 февраля 2021 года. Между двумя технологиями батарей существует ряд различий. Одно отличие состоит в том, что литий-ионные аккумуляторы могут выдерживать удвоенный заряд, поэтому при замене потребовалось только половину меньшего количества литий-ионных аккумуляторов. Кроме того, литий-ионные аккумуляторы меньше старых никель-водородных аккумуляторов. Хотя срок службы литий-ионных аккумуляторов обычно короче, чем у никель-водородных аккумуляторов, так как они не могут выдержать столько циклов зарядки / разрядки, прежде чем претерпят заметную деградацию, литий-ионные аккумуляторы ISS рассчитаны на 60000 циклов и десять лет жизни, что намного больше, чем Расчетный срок службы оригинальных Ni-H2 аккумуляторов составляет 6,5 лет.

Мобильная базовая система

Мобильная базовая система (MBS) представляет собой платформу (установленную на мобильном транспортере ) для роботизированных манипуляторов Canadarm2 и Dextre, несущих их по рельсам на 108 метров между фермами S3 и P3. Помимо рельсов Canadarm2 может перешагнуть через поворотный шарнир alpha и переместиться к захватным приспособлениям на фермах S6 и P6. Во время STS-120 астронавт Скотт Паразински использовал датчик штанги орбитального аппарата, чтобы восстановить разрыв в солнечной батарее 4B.

Последовательность сборки фермы и солнечной батареи

Элемент Полет Дата запуска Длина
(м)
Диаметр
(м)
Масса
(кг)
Ферма Z1 3А - СТС-92 11 октября 2000 г. 4.6 4.2 8,755
Ферма P6 - солнечная батарея 4А - СТС-97 30 ноября 2000 г. 18,3 10,7 15 824
Ферма S0 8А - СТС-110 8 апреля 2002 г. 13,4 4.6 13 971
Ферма S1 9А - СТС-112 7 октября 2002 г. 13,7 4.6 14 124
Ферма P1 11А - СТС-113 23 ноября 2002 г. 13,7 4.6 14 003
Ферма P3 / P4 - солнечная батарея 12А - СТС-115 9 сентября 2006 г. 13,7 4.8 15 824
Ферма P5 - распорка 12А.1 - СТС-116 9 декабря 2006 г. 3,37 4,55 1864
Ферма S3 / S4 - солнечная батарея 13А - СТС-117 8 июня 2007 г. 13,7 10,7 15 824
Ферма S5 - распорка 13А.1 - СТС-118 8 августа 2007 г. 3,37 4,55 1818
Ферма P6 - солнечная батарея (перемещение) 10А - СТС-120 23 октября 2007 г. 18,3 10,7 15 824
Ферма S6 - солнечная батарея 15А - СТС-119 15 марта 2009 г. 13,7 10,7 15 824
Компоненты фермы ISS

Технические чертежи

Смотрите также

использованная литература