Sistema elétrico da Estação Espacial Internacional - Electrical system of the International Space Station
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O sistema elétrico da Estação Espacial Internacional é um recurso crítico para a Estação Espacial Internacional (ISS) porque permite que a tripulação viva confortavelmente, opere a estação com segurança e realize experimentos científicos. O sistema elétrico da ISS usa células solares para converter a luz solar diretamente em eletricidade . Um grande número de células é montado em matrizes para produzir altos níveis de potência. Este método de aproveitamento de energia solar é chamado de energia fotovoltaica .
O processo de coletar luz solar, convertê-la em eletricidade e gerenciar e distribuir essa eletricidade acumula excesso de calor que pode danificar o equipamento da espaçonave. Este calor deve ser eliminado para uma operação confiável da estação espacial em órbita. O sistema de energia da ISS usa radiadores para dissipar o calor da espaçonave. Os radiadores são protegidos da luz do sol e alinhados em direção ao vazio frio do espaço profundo.
Asa do painel solar
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Cada asa do painel solar ISS (frequentemente abreviada como "SAW") consiste em duas "mantas" retráteis de células solares com um mastro entre elas. Cada asa é a maior já implantada no espaço, pesando mais de 2.400 libras e usando cerca de 33.000 painéis solares, cada um medindo 8 cm quadrados com 4.100 diodos. Quando totalmente estendidos, cada um tem 35 metros (115 pés) de comprimento e 12 metros (39 pés) de largura. Cada SAW é capaz de gerar cerca de 31 quilowatts (kW) de energia de corrente contínua. Quando retraída, cada asa se dobra em uma caixa de cobertor solar de apenas 51 centímetros (20 pol.) De altura e 4,57 metros (15,0 pés) de comprimento.
Ao todo, as oito asas de painéis solares podem gerar cerca de 240 quilowatts na luz solar direta, ou cerca de 84 a 120 quilowatts de potência média (alternando entre a luz do sol e a sombra).
As matrizes solares normalmente rastreiam o Sol, com o " gimbal alfa " usado como a rotação primária para seguir o Sol conforme a estação espacial se move ao redor da Terra, e o " gimbal beta " usado para ajustar o ângulo da órbita da estação espacial para a eclíptica . Vários modos de rastreamento diferentes são usados nas operações, variando de rastreamento total do Sol, ao modo de redução de arrasto (modos de planador noturno e fatiador de sol ), a um modo de maximização de arrasto usado para diminuir a altitude.
Com o tempo, as células fotovoltaicas nas asas se degradaram gradualmente, tendo sido projetadas para uma vida útil de 15 anos. Isso é especialmente perceptível com os primeiros arrays a serem lançados, com as Treliças P6 e P4 em 2000 ( STS-97 ) e 2006 ( STS-115 ).
STS-117 entregou a treliça S4 e painéis solares em 2007.
STS-119 (vôo de montagem ISS 15A) entregou a treliça S6 junto com o quarto conjunto de painéis solares e baterias para a estação durante março de 2009.
Para aumentar as asas mais antigas, a NASA lançou um par e deve lançar mais dois pares de versões em grande escala do Roll Out Solar Array a bordo de três lançamentos de carga SpaceX Dragon 2 do início de junho de 2021 ao final de 2022, SpaceX CRS-22 , CRS-25 e CRS-26 . Essas matrizes devem ser implantadas ao longo da parte central das asas em até dois terços de seu comprimento. O trabalho para instalar os suportes de suporte da iROSA nas latas do mastro que prendem as asas do Solar Array foi iniciado pelos membros da tripulação da Expedição 64 no final de fevereiro de 2021. Depois que o primeiro par de conjuntos foi entregue no início de junho, uma caminhada no espaço em 16 de junho por Shane Kimbrough e Thomas Pesquet da Expedição 65 para colocar uma iROSA no canal de força 2B e a lata do mastro da treliça P6 terminou cedo devido a dificuldades técnicas com a implantação da matriz.
A caminhada no espaço de 20 de junho testemunhou a implantação bem-sucedida da iROSA e a conexão com o sistema de energia da estação. A caminhada no espaço de 25 de junho viu os astronautas instalar e implantar com sucesso o segundo iROSA no mastro 4B oposto ao primeiro iROSA.
Baterias
Como a estação geralmente não está sob luz solar direta, ela depende de baterias recarregáveis de íon-lítio (inicialmente baterias de níquel-hidrogênio ) para fornecer energia contínua durante a parte do "eclipse" da órbita (35 minutos a cada 90 minutos em órbita).
Cada conjunto de bateria, situado nas treliças S4, P4, S6 e P6, consiste em 24 células leves de bateria de íons de lítio e equipamentos elétricos e mecânicos associados. Cada conjunto de bateria tem uma capacidade nominal de 110 Ah (396.000 C ) (originalmente 81 Ah) e 4 kWh (14 MJ). Essa energia é fornecida ao ISS por meio do BCDU e do DCSU, respectivamente.
As baterias garantem que a estação nunca fique sem energia para sustentar sistemas de suporte de vida e experimentos. Durante a parte da órbita com a luz do sol, as baterias são recarregadas. As baterias de níquel-hidrogênio e as unidades de carga / descarga da bateria foram fabricadas pela Space Systems / Loral (SS / L), sob contrato com a Boeing . As baterias Ni-H2 na treliça P6 foram substituídas em 2009 e 2010 por mais baterias Ni-H2 trazidas pelas missões do Ônibus Espacial. As baterias de níquel-hidrogênio tinham vida útil projetada de 6,5 anos e podiam exceder 38.000 ciclos de carga / descarga a 35% de profundidade de descarga. Eles foram substituídos várias vezes durante a vida útil esperada de 30 anos da estação. Cada bateria media 40 por 36 por 18 polegadas (102 por 91 por 46 cm) e pesava 375 libras (170 kg).
De 2017 a 2021, as baterias de níquel-hidrogênio foram substituídas por baterias de íon-lítio . Em 6 de janeiro de 2017, os membros da Expedição 50 , Shane Kimbrough e Peggy Whitson, começaram o processo de conversão de algumas das baterias mais antigas da ISS em novas baterias de íon-lítio. Os 64 membros da expedição , Victor J. Glover e Michael S. Hopkins, concluíram a campanha em 1º de fevereiro de 2021. Existem várias diferenças entre as duas tecnologias de bateria. Uma diferença é que as baterias de íon de lítio podem lidar com o dobro da carga, então apenas metade das baterias de íon de lítio foram necessárias durante a substituição. Além disso, as baterias de íon de lítio são menores do que as baterias de níquel-hidrogênio mais antigas. Embora as baterias de íon de lítio normalmente tenham uma vida útil mais curta do que as baterias de Ni-H2, pois não podem sustentar tantos ciclos de carga / descarga antes de sofrer degradação notável, as baterias de íon de lítio ISS foram projetadas para 60.000 ciclos e dez anos de vida, muito mais do que a vida útil do projeto das baterias Ni-H2 originais de 6,5 anos.
Gerenciamento e distribuição de energia
O subsistema de distribuição e gerenciamento de energia opera em uma tensão de barramento primário definida como V mp , o ponto de pico de energia dos painéis solares. Em 30 de dezembro de 2005, V mp era 160 volts DC ( corrente contínua ). Isso pode mudar com o tempo, à medida que as matrizes se degradam com a radiação ionizante. Chaves controladas por microprocessador controlam a distribuição de energia primária em toda a estação.
As unidades de carga / descarga da bateria (BCDUs) regulam a quantidade de carga colocada na bateria. Cada BCDU pode regular a corrente de descarga da bateria dois ORUS (cada um com 38 séries-ligado Ni-H 2 células), e pode fornecer até 6,6 kW para a estação de espaço. Durante a insolação, o BCDU fornece corrente de carga para as baterias e controla a quantidade de sobrecarga da bateria. A cada dia, a BCDU e as baterias passam por dezesseis ciclos de carga / descarga. A Estação Espacial tem 24 BCDUs, cada um pesando 100 kg. Os BCDUs são fornecidos por SS / L
Unidade de shunt sequencial (SSU)
Oitenta e duas sequências de painéis solares separadas alimentam uma unidade de derivação sequencial (SSU) que fornece regulação de tensão aproximada no V mp desejado . O SSU aplica uma carga "fictícia" (resistiva) que aumenta à medida que a carga da estação diminui (e vice-versa) para que a matriz opere com tensão e carga constantes. Os SSUs são fornecidos pela SS / L.
Conversão DC para DC
As unidades conversoras DC para DC fornecem ao sistema de energia secundária em 124,5 volts DC constantes, permitindo que a tensão do barramento primário rastreie o ponto de pico de energia dos painéis solares.
Controle térmico
O sistema de controle térmico regula a temperatura dos componentes eletrônicos de distribuição de energia principal e das baterias e componentes eletrônicos de controle associados. Detalhes sobre este subsistema podem ser encontrados no artigo Sistema de controle térmico ativo externo .
Estação para transporte do sistema de transferência de energia
A partir de 2007, o sistema de transferência de energia da estação para o ônibus espacial (SSPTS; pronuncia-se spits ) permitiu que um ônibus espacial ancorado usasse a energia fornecida pelos painéis solares da Estação Espacial Internacional . O uso desse sistema reduziu o uso de células de combustível geradoras de energia a bordo do ônibus espacial , permitindo que ele ficasse ancorado na estação espacial por mais quatro dias.
O SSPTS foi uma atualização do ônibus espacial que substituiu a Unidade Conversora de Energia de Montagem (APCU) por um novo dispositivo chamado Unidade de Transferência de Energia (PTU). A APCU tinha a capacidade de converter a energia do barramento principal de 28 VCC do shuttle para 124 VCC compatível com o sistema de energia 120 VCC da ISS. Isso foi usado na construção inicial da estação espacial para aumentar a potência disponível do módulo de serviço russo Zvezda . O PTU adiciona a isso a capacidade de converter os 120 VCC fornecidos pelo ISS para a alimentação do barramento principal de 28 VCC do orbitador. É capaz de transferir até 8 kW de potência da estação espacial para o orbitador. Com esta atualização, o ônibus espacial e a ISS foram capazes de usar os sistemas de energia um do outro quando necessário, embora a ISS nunca mais tenha exigido o uso de sistemas de energia de um orbitador.
Em dezembro de 2006, durante a missão STS-116 , o PMA-2 (então na extremidade dianteira do módulo de Destino ) foi religado para permitir o uso do SSPTS. A primeira missão a fazer uso real do sistema foi o STS-118 com o Ônibus Espacial Endeavour .
Apenas o Discovery e o Endeavour foram equipados com o SSPTS. Atlantis foi a única nave sobrevivente não equipada com o SSPTS, então só poderia ir em missões de menor duração do que o resto da frota.
Referências
- "Força para a ISS!" . NASA. 13 de novembro de 2001. Arquivado do original em 29 de dezembro de 2009.
- "Powering the Future: NASA Glenn Contributions to the International Space Station (ISS) Electrical Power" (pdf) . NASA. Novembro de 2000.