国際宇宙ステーションの電気システム

国際宇宙ステーションの電気システムは、国際宇宙ステーション(ISS)の重要な部分であり、必須の生命維持システムの運用、ステーションの安全な運用、科学機器の運用、および乗組員の快適性の向上を可能にします。 ISS の電気システムでは、太陽電池を使用して太陽光を直接電気に変換します。多数のセルがアレイに組み立てられ、高レベルの電力が生成されます。太陽エネルギーを利用するこの方法は、太陽光発電と呼ばれます。

太陽光を集め、それを電気に変換し、その電気を管理して分配するプロセスでは、宇宙船の機器を損傷する可能性のある余分な熱が蓄積されます。軌道上の宇宙ステーションの確実な運用には、この熱を排除する必要があります。ISS の電力システムでは、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り、深宇宙の冷たい空間に向けて配置されています。

太陽電池パネル

STS-120ミッションで最終位置に移動された後、再展開された際に発見された P6 太陽電池アレイウィングの 4B ウィングの損傷。

ISS のソーラーアレイウィング (略して「SAW」とも呼ばれる) は、2 つの引き込み式「ブランケット」と呼ばれる太陽電池と、その間にマストが 1 つずつあります。各ウィングは宇宙で展開された中で最大のもので、重量は 2,400 ポンドを超え、約 33,000 個のソーラーアレイを使用しています。各アレイは 8 cm 四方で、4,100 個のダイオードが使用されています。完全に展開すると、各ウィングの長さは 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) の直流電力を生成できます。^[1]引き込むと、各ウィングは、高さ 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) のソーラーアレイブランケットボックスに折りたたまれます。^[2]

合計で8つの太陽電池パネル^[3]は直射日光下で約240キロワット、平均約84～120キロワットの電力（日光と日陰を繰り返す）を発電することができます。^[4]

太陽電池アレイは通常、太陽を追跡します。宇宙ステーションが地球の周りを移動するときに太陽を追跡するための主な回転として「アルファジンバル」が使用され、「ベータジンバル」は黄道に対する宇宙ステーションの軌道の角度を調整するために使用されます。運用では、完全な太陽追跡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)、高度を下げるために使用される抗力最大化モードまで、いくつかの異なる追跡モードが使用されます。^{[引用が必要]}

主翼に取り付けられた太陽電池は、15年の耐用年数を想定して設計されていたが、時間の経過とともに徐々に劣化してきた。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トラスとP4トラスで特に顕著である。^[5]

STS-117 は2007 年に S4 トラスと太陽電池アレイを運びました。

STS-119 (ISS 組み立て飛行 15A) では、2009 年 3 月に S6 トラスと 4 番目の太陽電池アレイおよびバッテリーのセットが宇宙ステーションに届けられました。

最も古い翼を増強するため、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貨物打ち上げ3回、 SpaceX CRS-22、CRS-26、CRS-28にISSロールアウトソーラーアレイ（IROSA）の大型バージョン3組を搭載して打ち上げた。^[6]これらのアレイは、翼の中央部分に沿って長さの3分の2まで展開された。^[7] iROSAのサポートブラケットをソーラーアレイ翼を保持するトラスマストカンに取り付ける作業は、2021年2月下旬に第64次長期滞在の乗組員によって開始された。 ^[8]^[9]最初のアレイのペアが6月初旬に届けられた後、6月16日に第65次長期滞在のシェーン・キンブローおよびトーマス・ペスケが1つのiROSAをP6トラスの2B電力チャネルとマストカンに配置する船外活動を行ったが、アレイの展開に関する技術的な問題により早期に終了した。^[10]^[11]^[12]

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に成功した。^[13]^[14]^[12] 6月25日の船外活動では、宇宙飛行士が最初のiROSAの反対側にある4Bマストカンに2番目のiROSAを設置し、展開することに成功した。^[15]^[12]

次の一対のパネルは2022年11月26日に打ち上げられた。^[6]第68次長期滞在のジョシュ・カサダ宇宙飛行士とフランク・ルビオ宇宙飛行士は、それぞれ2022年12月3日と22日に、S4セグメントの3A電力チャネルとマストカン、およびP4トラスセグメントの4A電力チャネルとマストカンにパネルを設置した。^[16]

3組目のパネルは2023年6月5日に打ち上げられた。6月9日、第69次長期滞在のスティーブ・ボーエン宇宙飛行士とウォーレン・ホーバーグ宇宙飛行士は、S4トラスセグメントの1A電力チャネルとマストカンに5番目のiROSAを設置した。 ^[17]^[18] 6月15日、ボーエン宇宙飛行士とホーバーグ宇宙飛行士は、S6トラスセグメントの1B電力チャネルとマストカンに6番目のiROSAを設置した。^[19]

最後のiROSAのペアである7番目と8番目は、2025年にP4トラスセグメントとS6トラスセグメントの2Aおよび3B電力チャネルに設置される予定です。^[20]

バッテリー

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、軌道の「日食」部分（90分間の周回のうち35分間）に継続的な電力を供給するために、充電式リチウムイオン電池（当初はニッケル水素電池）に依存しています。

S4、P4、S6、P6トラスに設置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バッテリーセルと関連する電気・機械装置で構成されています。^[21]^[22]各バッテリーアセンブリの定格容量は110Ah （ 396,000C ）（元々は81Ah）および4kWh（14MJ）です。^[23]^[24]^[25]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、ステーションが生命維持システムと実験を維持するための電力がなくなることがないようにします。軌道上の太陽光部分では、バッテリーが再充電されます。ニッケル水素バッテリーとバッテリー充放電ユニットは、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）^[26]によって製造されました。^[27] P6トラスの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持ち込まれたNi-H2バッテリーに交換されました。^[25]ニッケル水素バッテリーの設計寿命は6.5年で、35%の放電深度で38,000回を超える充放電サイクルが可能でした。ステーションの予想寿命である30年の間に、バッテリーは複数回交換されました。^[28]^[24] 各バッテリーの寸法は40 x 36 x 18インチ（102 x 91 x 46 cm）で、重量は375ポンド（170 kg）でした。^[29]^[24]

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交換されました。^[25] 2017年1月6日、第50次長期滞在クルーのシェーン・キンブロー氏とペギー・ウィットソン氏は、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。^[25] 第64次長期滞在クルーのビクター・J・グローバー氏とマイケル・S・ホプキンス氏は、2021年2月1日にこのキャンペーンを終了しました。 ^[30]^[31]^[32]^[33] 2つの電池技術には多くの違いがあります。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が半分で済むことです。^[25]^[24]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型です。^[25]リチウムイオン電池は、ニッケル水素電池ほど多くの充放電サイクルに耐えられないため、通常、ニッケル水素電池よりも寿命が短いですが、ISSのリチウムイオン電池は、60,000サイクルと10年の寿命で設計されており、元のニッケル水素電池の設計寿命6.5年よりもはるかに長くなっています。^[25]^[24]

電力管理と配電

電力管理および配電サブシステムは、太陽電池アレイのピーク電力点であるV _mpに設定されたプライマリ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 (直流) でした。アレイが電離放射線によって劣化すると、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、ステーション全体のプライマリ電力の配電を制御します。^[^{引用が必要}^]^[update]

バッテリー充放電ユニット（BCDU）は、バッテリーに充電される量を調整します。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-H ₂セル）からの放電電流を調整し、宇宙ステーションに最大6.6kWを供給できます。日射中、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。毎日、BCDUとバッテリーは16回の充放電サイクルを経ます。宇宙ステーションには24台のBCDUがあり、それぞれの重量は100kgです。^[26] BCDUはSS/Lによって提供されます^[26]

シーケンシャルシャントユニット（SSU）

82 個の独立した太陽電池アレイストリングは、必要なV _mpで粗い電圧調整を提供するシーケンシャルシャントユニット (SSU) に電力を供給します。SSU は、ステーションの負荷が減少するにつれて増加する (逆も同様)「ダミー」(抵抗) 負荷を適用し、アレイが一定の電圧と負荷で動作するようにします。^[34] SSU は SS/L によって提供されます。^[26]

DC-DC変換

DC-DC コンバータユニットは、一定の 124.5 ボルト DC で二次電源システムに電力を供給し、一次バス電圧が太陽電池アレイのピーク電力ポイントを追跡できるようにします。

熱制御

熱制御システムは、主配電電子機器、バッテリー、および関連する制御電子機器の温度を制御します。このサブシステムの詳細については、「外部アクティブ熱制御システム」の記事を参照してください。

ステーションからシャトルへの電力伝送システム

2007年からは、ステーションからシャトルへの電力転送システム（SSPTS、発音はスピット）により、ドッキングした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った。このシステムの使用により、シャトルの搭載発電燃料電池の使用量が削減され、シャトルは宇宙ステーションにさらに4日間ドッキングしたままでいられるようになった。^[35]

SSPTS はシャトルのアップグレードで、アセンブリ電力変換ユニット (APCU) を電力転送ユニット (PTU) と呼ばれる新しいデバイスに置き換えたものです。APCU は、シャトルの 28 VDC メインバス電力を ISS の 120 VDC 電力システムと互換性のある 124 VDC に変換する機能がありました。これは、ロシアのズベズダサービスモジュールから利用できる電力を増強するために、宇宙ステーションの初期構築で使用されました。PTU は、これに ISS から供給される 120 VDC をオービターの 28 VDC メインバス電力に変換する機能を追加します。これは、宇宙ステーションからオービターに最大 8 kW の電力を転送できます。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使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なくなりました。^[要出典]

2006年12月、 STS-116ミッション中に、PMA-2 （当時はデスティニーモジュールの前端にあった）の配線がやり直され、SSPTSが使用できるようになりました。^[36]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 エンデバーのSTS-118でした。^[37]

ディスカバリー号とエンデバー号のみがSSPTSを搭載していた。アトランティス号はSSPTSを搭載していなかった唯一の残存シャトルであったため、他のシャトルよりも短い期間のミッションしか実施できなかった。^[38]

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外部リンク

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