Как работает Международная космическая станция

Представьте, что вы просыпаетесь утром, смотрите в окно и видите безбрежный синий горизонт Земли и темноту космоса . Наш мир простирается под вами. Горы, озера и океаны проходят в красивом потоке быстро меняющегося пейзажа, когда вы вращаетесь вокруг Земли каждые 90 минут. Звучит как что-то нереальное из фантастического романа, правда? Для экипажей Международной космической станции (МКС) это реальность.

В 1984 году президент Рональд Рейган предложил построить постоянно обитаемую космическую станцию ​​при поддержке правительства и промышленности Соединенными Штатами в сотрудничестве с рядом других стран. Четыре года спустя США объединили свои усилия с Канадой, Японией и Европейским космическим агентством (программой, которой тогда руководили Великобритания, Франция, Бельгия, Италия, Нидерланды, Дания, Норвегия, Испания, Швейцария, Швеция и Западная Германия. ), чтобы сделать эту станцию ​​реальностью [источник: НАСА ].

Список стран-участниц будет расти в течение 1990-х годов по мере того, как к проекту присоединились Россия и Бразилия, хотя Бразилия в конечном итоге разорвет связи с МКС в 2007 году [источник: Gizmodo Brazil ].

НАСА взяло на себя ведущую роль в координации строительства МКС, и сегодня МКС служит орбитальной лабораторией для экспериментов в области естественных наук, физики, Земли и материаловедения. Его сборка на орбите началась в 1998 году, а астронавты постоянно занимают его с 2000 года [источник: НАСА ].

МКС содержит огромное количество соединенных между собой воздушных шлюзов, стыковочных портов и герметичных модулей [источник: НАСА ]. По состоянию на ноябрь 2019 года на станции было проведено 222 выхода в открытый космос [источник: НАСА ].

МКС будет продолжать получать финансирование как минимум до 2024 года. На данный момент этот звездный проект обошелся странам-участницам более чем в 100 миллиардов долларов - и НАСА тратит на него от 3 до 4 миллиардов долларов в год [источник: Greenfieldboyce ].

В этой статье мы рассмотрим части МКС, как она поддерживает постоянную среду обитания людей в космосе, как она питается, каково жить и работать на МКС и как именно мы будем использовать МКС. Сначала начнем с его деталей и сборки.

1. Детали и сборка Международной космической станции
2. Поддержание постоянной среды в космосе
3. МКС: мощность, движение и связь
4. Жизнь на МКС
5. Работа на МКС
6. Будущее МКС

Строительство Международной космической станции (МКС) очень похоже на сборку игрушки из детских кубиков LEGO или K'nex. Но в то время как эти игрушки, как правило, имеют небольшие размеры, МКС состоит из тысяч и тысяч деталей [источник: Холлингем ].

Некоторые из основных компонентов перечислены ниже:

Сборка МКС началась в ноябре 1998 года, когда российская протонная ракета вывела на орбиту первый модуль - функциональный грузовой блок (Заря). Экипаж из трех человек, первый на МКС, был запущен из России 31 октября 2000 года. Экипаж провел на борту МКС четыре месяца и 17 дней, активируя системы и проводя эксперименты.

С тех пор многие космические корабли доставили на орбиту части МКС, и ее сборка продолжалась. За это время МКС находилась под постоянным наблюдением - на момент написания этой статьи 61 экспедиция космонавтов успешно достигла станции.

Текущий экипаж станции принял на себя 3 октября 2019 года. Эти храбрые мужчины и женщины являются членами 61-й экспедиции МКС и должны оставаться в космосе до февраля 2020 года. После этого они передадут бразды правления Экспедиции. 62 [источник: НАСА ].

Что касается домашних офисов, МКС чертовски велика. При длине 357 футов (108,8 метра) вышеупомянутая ферма почти равна длине поля для американского футбола. МКС также содержит несколько наборов широких прямоугольных солнечных панелей с размахом крыльев 240 футов (73 метра). Что касается веса, станция составляет 925 335 фунтов (419 725 килограммов). И у него 13 696 кубических футов (388 кубических метров) жилого пространства на борту, и эта цифра увеличивается каждый раз, когда к нему пристыковывается другое судно [источник: НАСА ].

Двигаясь с головокружительной скоростью 17 227 миль в час (27 724 километра в час), МКС движется по орбите на средней высоте 248 миль (400 километров) над поверхностью Земли [источники: Коннерс и Хауэлл ].

Это довольно впечатляющие характеристики, но, возможно, еще более впечатляющим является то, как ISS поддерживает пригодную для жизни среду.

Для поддержания постоянной среды в космосе требуются вещи, которые многие из нас считают само собой разумеющимися здесь, на Земле: свежий воздух, вода, еда, комфортный (и пригодный для жизни) климат - даже удаление отходов и противопожарная защита.

Сначала поговорим об эфире. Всем нам нужен кислород, поэтому на МКС есть несколько способов его обеспечения. Один из способов - доставлять кислород с Земли с помощью космического корабля. Шаттлы-снабженцы периодически прибывают со свежим кислородом на буксире; животворный элемент помещается в герметичные резервуары на борту МКС [источник: Starr ].

На МКС также есть системы, которые производят пригодный для дыхания кислород из оборотной воды . Некоторые из этих устройств с помощью электролиза расщепляют воду на водород и кислород. Затем первый соединяется с нежелательным соединением: диоксидом углерода (CO2). Люди естественным образом выдыхают этот бесцветный газ, но вдыхание его слишком большого количества опасно для вашего здоровья.

На Земле это обычно не проблема, потому что растения поглощают CO2. Тем не менее, садоводство на МКС ограничено, что вынудило инженеров изобрести другие способы удаления избытка углекислого газа. После того, как начинается процесс электролиза, часть водорода вступает в реакцию с накопившимся CO2. Побочным продуктом этого взаимодействия является газообразный метан, который выбрасывается в космос. Тем временем регенерированный кислород поступает в систему подачи воздуха на МКС [источник: Старр ].

При этом питьевая вода перерабатывается, поскольку некоторые из этих механизмов переупаковывают выдыхаемый воздух. Вода также утилизируется путем сбора пота, конденсата и мочи. (К тому же, некоторые члены экипажа получают воду из туалета и душа.) Как сказал в интервью New York Times в 2015 году астронавт Дуглас Х. Уилок, находясь на борту МКС: «Вчерашний кофе - это завтрашний кофе» [источник: Шварц ] .

По данным Европейского космического агентства, до 80 процентов воды на борту МКС перерабатывается. Прямо сейчас ЕКА и НАСА работают над системами жизнеобеспечения с замкнутым контуром, которые - если они будут усовершенствованы - могут полностью устранить потребность в доставке воды и кислорода на МКС. Взлом этой технологии может стать ключом к дальним космическим путешествиям в будущем [источник: ЕКА ].

Хорошо, а что насчет еды? Что ж, за исключением некоторых съедобных растений, выращиваемых на борту , экипаж зависит от обычных поставок большей части своего продовольственного снабжения. Многие пункты меню поставляются в специально разработанных упаковках, которые прикрепляются к обеденным поверхностям с помощью липучки, чтобы они не уплыли в условиях низкой гравитации [источники: Lemonick and Preston ].

Еще одна большая проблема - поддержание приемлемой температуры. МКС должна выдерживать температуры -128 градусов по Цельсию (-200 градусов по Фаренгейту) и 93 градусов по Цельсию (200 градусов по Фаренгейту) на темной и солнечной сторонах нашей планеты соответственно.

Помимо прочего, ISS использует нагреватели, изоляцию и контуры циркуляции жидкого аммиака для регулирования внутренней температуры. Радиаторы помогают выделять избыточное тепло, выделяемое некоторыми механизмами на борту станции [источник: НАСА ].

Как и любой дом, МКС нужно содержать в чистоте. Это особенно важно в космосе, где плавающая грязь и мусор могут представлять опасность. Космонавты используют различные салфетки, моющие средства и пылесосы для мытья поверхностей, фильтров и самих себя. Мусор собирается в мешки, укладывается на корабль снабжения и возвращается на Землю или сжигается [источники: Андерсон и НАСА ].

Противопожарная защита на борту МКС

Пожар - одна из самых опасных опасностей в космосе. Во время пребывания космонавта Джерри Линенджера на "Мире" вспыхнул пожар. Экипаж «Мира» потушил пожар, но не раньше, чем станция была повреждена. Для обнаружения и тушения пожаров на МКС есть детекторы дыма, компьютеризированные системы сигнализации, огнетушители и переносные дыхательные устройства [источник: Frost ].

МКС - это, по сути, большой космический корабль. Таким образом, он должен иметь возможность перемещаться в космосе, его экипаж должен поддерживать связь с диспетчерами на земле, и ему требуется энергия для выполнения всего этого.

Мы считаем само собой разумеющимся наличие электроэнергии для работы в наших домах. Например, чтобы использовать кофеварку, вы просто втыкаете ее в стену, не задумываясь. Как и в вашем доме, все бортовые системы МКС требуют электроэнергии. Восемь больших солнечных батарей вырабатывают электроэнергию от солнца . Каждый массив имеет длину 240 футов (73 метра) и, в совокупности, покрывает площадь около 27000 квадратных футов (2500 квадратных метров) [источник: НАСА ].

На каждом массиве по два покрытия из солнечных элементов. Каждое одеяло находится на одной стороне телескопической мачты, которая может выдвигаться и втягиваться для складывания или формирования массива. Мачта включает подвес, чтобы солнечные элементы были обращены к солнечному свету [источник: НАСА ].

Подобно сети на Земле , массивы вырабатывают первичную энергию - примерно от 84 до 120 киловатт электроэнергии, чего достаточно, чтобы поддерживать свет в более чем 40 домах. НАСА сообщает, что, хотя МКС поглощает солнечный свет, около 60 процентов электроэнергии, производимой в этом процессе, идет на подзарядку батарей на борту станции [источник: НАСА ].

Первоначально МКС была оснащена никель-водородными батареями. Но в 2017 году, после 18 лет службы, их заменили двумя дюжинами литий-ионных аккумуляторов. Эти модернизированные батареи не только дешевле, но и меньше по размеру и более эффективны [источник: Nield ].

На высоте орбиты станции атмосфера Земли чрезвычайно тонкая, но все же достаточно толстая, чтобы затягивать МКС и замедлять ее. Следовательно, МКС необходимо время от времени форсировать, чтобы она не отклонилась от курса и не потеряла высоту из-за замедления.

В служебном модуле российской «Звезды» установлены двигатели, которые могут использоваться для разгона МКС. Однако большую часть перезагрузки делают корабли снабжения "Прогресс". Каждое событие перезагрузки требует сгорания ракетного двигателя [источники: Паппалардо и НАСА ].

Эти же технологии можно использовать для управления судном от плавающего космического мусора (что в наши дни довольно распространено). Кроме того, иногда необходимо изменить ориентацию станции, чтобы она могла соединяться с судами снабжения.

Экипажу МКС необходимо не только знать свое точное местонахождение, но и определить местонахождение других объектов - и выяснить, как добраться из точки А в точку Б, особенно во время перезапуска.

Для определения скорости и местоположения МКС использует российские и американские системы глобального позиционирования (GPS). Кроме того, есть несколько вращающихся гироскопов, которые помогают станции сохранять желаемую ориентацию. Кроме того, МКС отслеживает местонахождение различных звезд, спутников и наземных станций - а также солнца - для навигации [источник: НАСА ].

Теперь, когда вы знаете, как МКС остается в космосе, давайте посмотрим, каково там жить и работать.

ISS Communications

Чтобы оставаться на связи с Землей, станция использует спутники слежения и ретрансляции данных (TDRS), расположенные на высоте 22 000 миль (35 400 км) над Землей. Сигналы, содержащие голос, видео и научные данные, передаются через эти устройства, что облегчает связь между МКС и центром управления полетами НАСА в Хьюстоне (через комплекс Белых песков в Нью-Мексико) [источник: НАСА ].

Каково жить и работать в космосе? Чтобы ответить на эти вопросы, бортинженер 18-й экспедиции Сандра Магнус написала серию дневниковых записей о своем пребывании на борту МКС. Она отмечает одну важную вещь: день космонавта заранее запланирован многими людьми на земле.

"Что ж, у нас есть программа расписания, в которой есть все детали, которые нам нужно знать, чтобы выполнять дневную работу. Она говорит нам, когда нам следует лечь спать, когда мы должны встать, когда мы должны тренироваться. , когда поесть, когда и какая информация нам нужна для выполнения наших задач »[источник: НАСА ].

Хотя это звучит очень жестко, Магнус отмечает, что есть некоторая гибкость в том, что не все задачи нужно выполнять в точное время, диктуемое расписанием.

Микрогравитация представляет собой сложную среду. Независимо от того, спите ли вы, переодеваетесь или работаете, все в МКС вокруг вас плавает, если оно не закреплено на месте. Даже такая, казалось бы, простая вещь, как встав утром и одевание, не так уж и проста. Представьте, что вы открываете свой шкаф только для того, чтобы его содержимое вылетало на вас. Утром, собираясь, Магнус заявляет: «Когда я снимаю пижаму, они плавают в каютах экипажа, пока я не собираю их и не закрепляю за лентой или чем-то в этом роде. вещи здесь! " [источник: НАСА ].

После пробуждения каждый космонавт должен подготовиться к новому дню после сна. В это время астронавты могут принимать душ, есть и читать сводный ежедневный отчет (который - забавный факт - иногда включает в себя мультфильм) [источник: ЕКА ].

Упражнения важны ; в условиях микрогравитации кости теряют кальций, а мышцы теряют массу. Итак, космонавты выделяют много времени на тренировки. На МКС члены экипажа проводят 2,5 часа в день - шесть дней в неделю - усердно тренируясь. Несмотря на то, что в их распоряжении есть беговая дорожка, велотренажер и оборудование для тяжелой атлетики, эти предметы выглядят довольно далеко от оборудования, которое вы увидите на YMCA. (Для громкого крика тренажер использует всасывание для создания сопротивления - а на велосипеде даже нет сиденья.) [Источник: Grush ].

Для реальной работы космонавты проводят эксперименты или техническое обслуживание. Как и большинство людей, они прекращают обедать в полдень. Затем, по окончании рабочего дня, проводится вечернее совещание по планированию между бригадой и наземными центрами управления. Когда это закончится, астронавты могут пообщаться, поужинать и пообщаться в социальных сетях.

Говоря о досуге, известно, что на МКС проводятся вечера фильмов для всей команды. В 2016 году Gizmodo сообщил, что астронавтам было доступно более 500 фильмов и телешоу, в том числе «Современная семья», «Криминальное чтиво» и «Печально известный» Альфреда Хичкока. Год спустя Экспедиция 54 подняла шум твиттер-вселенной, когда их пригласили на просмотр фильма «Звездные войны: Последние джедаи» на борту МКС [источники: Новак и НАСА ].

В идеале члены экипажа должны спать 8,5 часов в сутки. Из-за гудящей техники некоторые астронавты носят беруши во время сна [источник: ЕКА ].

Исследователи из правительств, промышленных предприятий и учебных заведений могут использовать объекты на МКС. Но зачем им это нужно? МКС используется в основном для научных исследований в уникальных условиях микрогравитации. Гравитация влияет на многие физические процессы на голубой планете, которую мы называем домом. Например, гравитация изменяет способ объединения атомов в кристаллы. На борту МКС экспериментаторы могут создавать более крупные кристаллы с лучшей структурой, чем на Земле. Такие кристаллы могут помочь нам разработать более эффективные лекарства для борьбы с болезнями или улучшить технологии обнаружения радиации [источник: ISS: Национальная лаборатория США ].

Кроме того, микрогравитация делает некоторые интересные вещи с огнем. Когда вы чиркаете спичкой здесь, на Земле, гравитация вытягивает холодный плотный воздух вниз по мере того, как поднимаются горячие газы, в результате чего возникает пламя в форме капли. Но на МКС пламя принимает форму крошечных голубоватых сфер. Они уже произвели революцию в нашем понимании процесса горения. В будущем эксперименты с пламенем на МКС могут помочь инженерам разработать более эффективные горелки и одновременно снизить загрязнение воздуха [источник: НАСА ].

Длительное пребывание в невесомости заставляет наши тела терять кальций из костей, ткани из мышц и жидкости из нашего тела. Эти эффекты невесомости, такие как снижение мышечной силы, остеопороз, аналогичны эффектам старения. Таким образом, воздействие микрогравитации может дать нам новое представление о процессе старения и связанных с ним методах лечения.

Действительно, пробные прогоны NELL-1 - экспериментального белка, который борется с остеопорозом путем (среди прочего) образования замещающей кости - на лабораторных мышах на борту станции дали некоторые обнадеживающие результаты [источник: Смит ].

Астронавты МКС могут также тестировать экологические системы жизнеобеспечения. На их орбитальном рабочем месте можно выращивать различные растения, выделяющие кислород, поглощающие углекислый газ и обеспечивающие пищу. Эти навыки садоводства будут важны для длительных межпланетных космических путешествий, таких как путешествие на Марс.

Находясь по орбите над атмосферой Земли и оснащенная специальными приборами и телескопами, экипаж МКС может отслеживать множество различных вещей на поверхности планеты (например, распределение ледников) и в ее атмосфере (например, развивающиеся ураганы ). Члены экипажа также могут использовать телескопы для наблюдения за солнцем, звездами и галактиками без искажений из-за атмосферы Земли.

Подробную информацию о конкретных проектах и ​​экспериментах вы можете найти на веб-сайте NASA Space Station Experiments . Теперь давайте посмотрим на будущее МКС.

Знания редко обходятся дешево. МКС с совокупной ценой в 100 миллиардов долларов является одним из самых дорогих предприятий в истории человечества. И в течение многих лет финансовые соображения вызывали вопросы о его долгосрочном будущем.

ISS будет продолжать получать финансирование от стран-участниц до 2024 года. Однако на горизонте могут произойти некоторые серьезные изменения. Недавно НАСА выдвинуло идею открытия станции для частных компаний в соответствии с первоначальным планом Рейгана. Возможно - в какой-то момент - коммерческие интересы возьмут на себя частичный или полный контроль над повседневными операциями. Однако еще неизвестно, станет ли МКС когда-либо частной, как надеются некоторые политики [источники: Greenfieldboyce и НАСА ].

Космос может быть последней границей, но к настоящему времени орбитальная область станции стала привычной территорией. И снова НАСА нацелено на Луну : текущая программа Artemis должна высадить «первую женщину и следующего мужчину» на естественный спутник Земли к 2024 году [источник: НАСА ].

Так что же тогда остается с МКС? Некоторые администраторы и ученые считают, что исследования, проводимые на борту станции, жизненно важны для успеха будущих исследований Луны и Марса. Тем не менее, денежные вопросы всегда вызывают уродливые головы. Отводит ли МКС слишком много денег от других космических проектов или наоборот? 31 июля 2019 года администратор НАСА Джим Бриденстон объявил, что агентство не будет выделять деньги из бюджета МКС для финансирования новой технологии посадки на Луну. «Если вы каннибализируете науку, если вы каннибализируете МКС, вы никогда не достигнете желаемого конечного состояния», - считает он [источники: Мэтьюз и Редд ].

Пока участвующие правительства обсуждают судьбу своих внеземных лабораторий, Китай создает собственные космические станции. Два прототипа - Tiangong-1 и Tiangong-2 - завершили свои полеты по орбите планеты Земля в 2018 и 2019 годах соответственно. Оба корабля использовались для разработки более крупного и лучшего проекта: большого корабля, похожего на МКС, с тремя модулями. По заявлению китайского правительства, он будет завершен в начале-середине 2020-х годов [источник: Джонс ].

Независимо от того, что ждет Международную космическую станцию ​​завтра, она остается чудом космического строительства - и на момент написания этой статьи это самая продолжительная пилотируемая космическая миссия из когда-либо предпринятых.

Инженерные исследования и разработки на МКС

Большая часть инженерных исследований и разработок МКС направлена ​​на изучение влияния космической среды на материалы и разработку новых технологий для исследования космоса, включая новые методы строительства для создания объектов в космосе, новые спутниковые и космические системы связи и современные системы жизнеобеспечения для будущего космического корабля.

Космическая среда имеет уникальные опасности (микрометеороиды, космические лучи, атомарный кислород), которые влияют на материалы, такие как те, которые используются в космических кораблях. Материалы можно размещать на МКС на открытых платформах, годами подвергать воздействию космической среды и легко анализировать. Полученная информация поможет разработать более качественные материалы для увеличения срока службы спутников в космической среде.

Первоначально опубликовано: 6 декабря 2019 г.

Насколько велика Международная космическая станция?

Как далеко от Земли находится Международная космическая станция?

Сколько лет Международной космической станции?

Вы можете увидеть космическую станцию ​​своими глазами?

Кто сейчас находится на Международной космической станции?

Статьи по Теме