国際宇宙ステーションの電気系統

国際宇宙ステーション（ISS）の電気系統は、生命維持システムの運用、ステーションの安全な運用、科学機器の稼働、そして乗組員の快適性の向上を可能にするため、ISSにとって極めて重要な部分です。ISSの電気系統は、太陽電池を用いて太陽光を直接電気に変換します。高出力を得るために、多数の太陽電池がアレイ状に組み立てられています。この太陽光発電方式は、光起電力と呼ばれています。

太陽光を集め、電気に変換し、その電気を管理・分配する過程で、宇宙船の機器を損傷する可能性のある過剰な熱が発生します。軌道上の宇宙ステーションを安定して運用するためには、この熱を除去する必要があります。ISSの電力システムは、ラジエーターを使用して宇宙船から熱を放散します。ラジエーターは太陽光を遮るように設置され、深宇宙の冷たい空間に向けて配置されています。

ISSの各太陽電池アレイ翼（略称「SAW」）は、2枚の格納可能な太陽電池「ブランケット」と、その間にあるマストで構成されています。各翼は宇宙空間で展開されたものとしては最大で、重量は1,088キログラム（2,399ポンド）を超え、約33,000枚の太陽電池アレイを使用しています。各アレイは8cm四方で、4,100個のダイオードを備えています。完全に展開すると、長さは35メートル（115フィート） 、幅は12メートル（39フィート）になります。各SAWは、約31キロワット（kW）の直流電力を発電できます。^{[ 1 ]}格納すると、各翼は高さわずか51センチメートル（20インチ） 、長さ4.57メートル（15.0フィート）の太陽電池アレイブランケットボックスに折り畳まれます。^{[ 2 ]}    

合計すると、8 枚のソーラーアレイ翼^{[ 3 ]}は直射日光下で約 240 キロワット、または平均で約 84 ～ 120 キロワットの電力を生成できます (日光と日陰を交互に繰り返す)。^{[ 4 ]}

太陽電池アレイは通常、太陽を追尾します。「アルファジンバル」は、宇宙ステーションが地球の周りを移動する際に太陽を追尾するための主回転機構として使用され、「ベータジンバル」は、宇宙ステーションの軌道と黄道面との角度を調整するために使用されます。運用においては、完全な太陽追尾から、抗力低減モード（ナイトグライダーモードとサン・スライサーモード）、高度を下げるための抗力最大化モードまで、いくつかの異なる追尾モードが使用されます。

時間の経過とともに、翼に取り付けられた太陽電池は徐々に劣化しており、15年の耐用年数で設計されています。これは、2000年（STS-97）と2006年（STS-115）に打ち上げられた最初のアレイであるP6およびP4トラスで特に顕著です。^{[ 5 ]}

STS-117は2007年にS4トラスと太陽電池アレイを届けた。

STS-119（ISS組立飛行15A）は、2009年3月にS6トラスと4セット目の太陽電池アレイおよびバッテリーを宇宙ステーションに届けた。

最も古い翼を補強するために、NASAは2021年6月初旬から2023年6月初旬にかけて、SpaceXのドラゴン2貨物船による3回の打ち上げ（ SpaceX CRS-22、CRS-26 、 CRS-28 ）で、ISSロールアウトソーラーアレイ（IROSA）の大型版を3組打ち上げた。 ^{[ 6 ]} 4回目の打ち上げは、SpaceX CRS-35で2026年秋に予定されている。[ ^{7 ]これら}のアレイは、翼の中央部分に沿って、翼の長さの3分の2まで展開された。^{[ 8 ]}太陽電池アレイ翼を保持するトラスマスト缶にiROSAのサポートブラケットを取り付ける作業は、2021年2月下旬に第64次長期滞在クルーによって開始されました。 ^{[ 9 ] [ 10 ]} 6月上旬に最初のペアのアレイが届けられた後、6月16日に第65次長期滞在クルー のシェーン・キンブローとトーマス・ペスケが、P6トラスの2B電力チャンネルとマスト缶に1つのiROSAを設置する船外活動を行いましたが、アレイの展開に関する技術的な問題により、予定より早く終了しました。^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}

6月20日の船外活動では、最初のiROSAの展開とステーションの電力システムへの接続が成功した。^{[ 14 ] [ 15 ] [ 13 ]} 6月25日の船外活動では、宇宙飛行士が最初のiROSAの反対側の4Bマスト缶に2番目のiROSAの設置と展開に成功した。^{[ 16 ] [ 13 ]}

次のパネル2枚は2022年11月26日に打ち上げられた。^{[ 6 ]}第68次長期滞在の宇宙飛行士ジョシュ・カサダとフランク・ルビオは、それぞれ2022年12月3日と22日に、S4セグメントの3A電源チャンネルとマスト缶に1枚ずつ、P4トラスセグメントの4A電源チャンネルとマスト缶に1枚ずつ取り付けた。^{[ 17 ]}

3 組目のパネルは 2023 年 6 月 5 日に打ち上げられました。6 月 9 日、第 69 次期長期滞在の宇宙飛行士スティーブ・ボーエンとウォーレン・ホーバーグは、5 つ目のiROSA を1A 電源チャンネルと S4 トラス セグメントのマスト カンに取り付けました。^{[ 18 ] [ 19 ]} 6 月 15 日、ボーエンとホーバーグは 6 つ目のiROSA を1B 電源チャンネルと S6 トラス セグメントのマスト カンに取り付けました。^{[ 20 ]}

最後のiROSAペア、7 番目と 8 番目は、2026 年秋に P4 および S6 トラスセグメントの 2A および 3B 電源チャンネルに設置される予定です。^{[ 7 ] [ 21 ]} 2026 年 3 月 18 日、第 74 次遠征隊のジェシカ・メイヤーとクリストファー・ウィリアムズは、 P4 セグメントのマスト カンに 2A チャンネルの iROSA ブラケットを設置しました。^{[ 22 ]}

宇宙ステーションは直射日光が当たらないことが多いため、軌道上の「日食」部分（90分間の軌道のうち35分間）の間、継続的な電力供給のために充電式リチウムイオン電池（当初はニッケル水素電池）に頼っている。

S4、P4、S6、P6トラスに搭載された各バッテリーアセンブリは、24個の軽量リチウムイオン電池セルと関連する電気および機械装置で構成されています。^{[ 23 ] [ 24 ]}各バッテリーアセンブリの定格容量は110Ah （ 396,000C ） （当初は81Ah）および4kWh （14MJ）です。^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]}この電力は、それぞれBCDUとDCSUを介してISSに供給されます。    

バッテリーは、生命維持システムや実験を維持するために、宇宙ステーションが電力不足になることがないようにする。軌道の太陽光が当たる部分では、バッテリーが再充電される。ニッケル水素電池とバッテリーの充電/放電ユニットは、ボーイングとの契約に基づき、スペースシステムズ/ローラル（SS/L）^{[ 28 ]}によって製造された。^{[ 29 ]} P6トラス上のNi-H2バッテリーは、2009年と2010年にスペースシャトルミッションで運ばれてきたNi-H2バッテリーに交換された。^{[ 27 ]}ニッケル水素電池の設計寿命は6.5年で、放電深度35%で38,000回を超える充放電サイクルが可能だった。宇宙ステーションの想定寿命30年の間に、複数回交換された。^{[ 30 ] [ 26 ]} 各バッテリーは40×36×18インチ（102×91×46cm ）で、重さは170キログラム（370ポンド）でした。^{[ 31 ] [ 26 ]} 

2017年から2021年にかけて、ニッケル水素電池はリチウムイオン電池に置き換えられました。^{[ 27 ]} 2017年1月6日、第50次長期滞在クルーのシェーン・キンブローとペギー・ウィットソンは、ISSで最も古い電池の一部を新しいリチウムイオン電池に交換する作業を開始しました。^{[ 27 ]}第64次長期滞在クルーのビクター・グローバーとマイケル・S・ホプキンスは、 2021年2月1日にこの作業を完了しました。 ^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]} 2つの電池技術にはいくつかの違いがあります。1つの違いは、リチウムイオン電池は2倍の充電を処理できるため、交換時に必要なリチウムイオン電池の数は半分で済むことです。^{[ 27 ] [ 26 ]}また、リチウムイオン電池は古いニッケル水素電池よりも小さいです。^{[ 27 ]}リチウムイオン電池は、著しい劣化を起こす前に充放電サイクルをそれほど多く維持できないため、一般的にニッケル水素電池よりも寿命が短いが、ISSのリチウムイオン電池は、60,000サイクルと10年の寿命を持つように設計されており、元のニッケル水素電池の設計寿命である6.5年よりもはるかに長い。^{[ 27 ] [ 26 ]}

電力管理および配電サブシステムは、太陽光発電アレイの最大電力点であるVmpに設定された主バス電圧で動作します。2005年₁₂月30日現在  V _mpは160ボルトDCでした。電離放射線によるアレイの劣化に伴い、時間の経過とともに変化する可能性があります。マイクロプロセッサ制御のスイッチが、発電所全体への主電源の分配を制御します。

バッテリー充電/放電ユニット（BCDU）は、バッテリーに供給される充電量を制御します。各BCDUは、2つのバッテリーORU（それぞれ38個の直列接続されたNi-H2セルで構成_）からの放電電流を制御でき、宇宙ステーションに最大6.6kWの電力を供給できます 。日射中は、BCDUはバッテリーに充電電流を供給し、バッテリーの過充電量を制御します。BCDUとバッテリーは、1日に16回の充電/放電サイクルを受けます。宇宙ステーションには24個のBCDUがあり、それぞれ100kgの重さです 。^{[ 28 ]} BCDUはSpace Systems/Loral社によって提供されています。^{[ 28 ]}

2007年から、ステーション・トゥ・シャトル電力伝送システム（SSPTS、発音はスピッツ）により、ドッキング中のスペースシャトルは国際宇宙ステーションの太陽電池アレイから供給される電力を利用できるようになりました。このシステムの使用により、シャトルの搭載型発電用燃料電池の使用が減り、宇宙ステーションにさらに4日間ドッキングしたまま滞在できるようになりました。^{[ 37 ]}

SSPTSは、シャトルのアップグレードであり、アセンブリー電力変換ユニット（APCU）を電力伝送ユニット（PTU）と呼ばれる新しい装置に置き換えたものでした。APCUは、シャトルの28VDC メインバス電力を ISSの120VDC 電力システムと互換性のある124VDCに変換する能力を持っていました。これは、宇宙ステーションの初期建設において、ロシアのズヴェズダ・ サービスモジュールから供給される電力を補うために使用されました。PTUは、これに加えて、ISSから供給される120VDCをオービターの28VDCメインバス電力に変換する機能を備えています 。宇宙ステーションからオービターへ最大8kWの電力を伝送できます 。このアップグレードにより、シャトルとISSは必要に応じて互いの電力システムを利用できるようになりましたが、ISSがオービターの電力システムを使用する必要は二度とありませんでした。

2006年12月、 STS-116ミッション中に、PMA-2 （当時デスティニーモジュールの前端にあった）はSSPTSを使用できるように配線し直された。^{[ 38 ]}このシステムを実際に使用した最初のミッションは、スペースシャトル・エンデバーによるSTS-118であった。^{[ 39 ]}

SSPTSを装備していたのはディスカバリーとエンデバーだけだった。アトランティスはSSPTSを装備していない唯一の現存シャトルだったため、他の艦隊よりも短いミッションしか遂行できなかった。^{[ 40 ]}

• 「ISSに電力を！」。NASA。2001年11月13日。 2009年12月29日にオリジナルからアーカイブ済み。
• 「未来への電力供給：NASAグレン研究センターによる国際宇宙ステーション（ISS）の電力供給への貢献」（PDF）。NASA。2000年11月。 2011年4月16日にオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2006年12月21日取得。

• NASAグレン研究センターによる国際宇宙ステーション（ISS）電力システムへの貢献（ 2023年6月6日、 Wayback Machineにアーカイブ済み）
• https://ntrs.nasa.gov/citations/20110015485