国際宇宙ステーションの太陽電池パネル（第 17 次長期滞在クルー、2008 年 8 月）。
地球の地平線と交差する ISS の太陽電池パネル。

国際宇宙ステーション（ISS）の電気システムは、生命維持システムの運用、ステーションの安全運用、科学機器の運用、そして乗組員の快適性向上を担うため、ISSにとって極めて重要な部分です。ISSの電気システムは、太陽電池を用いて太陽光を直接電気に変換します。多数の太陽電池がアレイ状に配置され、高い電力レベルを生み出します。この太陽光エネルギーの利用方法は、太陽光発電と呼ばれています。

太陽光を集め、電気に変換し、その電気を管理・分配するプロセスでは、過剰な熱が発生し、宇宙船の機器に損傷を与える可能性があります。軌道上で宇宙ステーションを安定的に運用するには、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

折り畳まれた太陽電池アレイのクローズアップ図。
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 太陽電池パネルの 4B 翼の損傷。

ISSのソーラーアレイウィング（SAWと略されることが多い）は、2枚の太陽電池セルからなる格納式「ブランケット」と、その間にマストが1枚ずつ配置されています。各ウィングは宇宙で展開された中で最大規模で、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搭載しています。各アレイは8センチメートル四方で、4,100個のダイオードで構成されています。完全に展開すると、各ソーラーアレイは長さ35メートル（115フィート）、幅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]格納時には、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畳まれます。[2]

合計8枚の太陽電池パネル[3]は、直射日光下で約240キロワット、または平均約84～120キロワットの電力（日陰と日向を繰り返す）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際に太陽を追尾するための主な回転機構として「アルファジンバル」が使用され、「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。[要出典]

主翼に搭載された太陽電池は、15年の耐用年数を想定して設計されていたものの、時間の経過とともに徐々に劣化してきました。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、P6トラスとP4トラスにおいて特に顕著です。[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 Dragon 2貨物打ち上げ3回、 SpaceX CRS-22、CRS-26、CRS-28に3組のISSロールアウトソーラーアレイ（IROSA）の大型バージョンを載せて打ち上げた。[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の翼を支え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]最初の一対のアレイが6月初旬に搬入された後、6月16日に第65次長期滞在 のシェーン・キンブローとトーマス・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、アレイ展開に関する技術的問題のため早期に終了した。[10] [11] [12]

P6トラスのズームカメラから見たISSの新しいロールアウト太陽電池アレイ

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、宇宙飛行士は最初の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2枚のパネルは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、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番目のパネルペアは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、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、ボーエンとホーバーグは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である7基目と8基目は、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]

電池

宇宙ステーションは直射日光に当たらないことが多いため、軌道の「日食」部分（90分周回のうち35分）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・機械機器で構成されています。[21] [22]各バッテリーアセンブリの銘板容量は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、生命維持システムと実験を維持するための電力をステーションが常に供給できるようにしています。軌道上の太陽光が当たる部分で、バッテリーは再充電されます。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、ボーイング社との契約に基づき、スペースシステムズ/ローラル社（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、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2009年と2010年に交換されました。[25]ニッケル水素バッテリーの設計寿命は6.5年で、放電深度35%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] 各バッテリーの大きさは40 x 36 x 18インチ（102 x 91 x 46cm）で、重さは170キログラム（370ポンド）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た。[25] 第64次長期滞在クルーのビクター・J・グローバーとマイケル・S・ホプキンスは、 2021年2月1日にこのキャンペーンを終了した。[30] [31] [32] [33] 2つの電池技術には多くの違いがある。1つの違いは、リチウムイオン電池は2倍の充電量に対応できるため、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ある。[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ある。[25]リチウムイオン電池は、ニッケル水素電池に比べて、充放電サイクルを繰り返すと劣化が顕著になるため、一般的に寿命が短くなりますが、ISSのリチウムイオン電池は6万サイクル、10年の寿命を想定して設計されており、従来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

ISS電力分配

電力管理・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 に設定された一次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。この電圧は、アレイが電離放射線によって劣化するにつれて経時的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、ステーション全体にわたる一次電力の配電を制御します。[要出典]

バッテリ充放電ユニット（BCDU）は、バッテリへの充電量を調整します。各BCDUは、2つのバッテリORU（それぞれ38個の直列接続されたNi-H 2セルを搭載）からの放電電流を調整し、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はバッテリに充電電流を供給し、バッテリの過充電量を制御します。BCDUとバッテリは、1日に16回の充放電サイクルを繰り返します。宇宙ステーションには24台のBCDUがあり、それぞれ重量が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）

この設計は、欧州宇宙機関の発明家アラン・H・ワインバーグとD・オサリバンが1974年に特許を取得したS3Rソーラーアレイレギュレータと同じです。[引用が必要]

82個の独立した太陽電池アレイストリングは、所望のV mpで粗い電圧制御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（逆もまた同様）「ダミー」（抵抗性）負荷を印加するため、アレイは一定の電圧と負荷で動作します。[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、二次電源システムに124.5Vの一定電圧を供給し、一次バス電圧が太陽電池アレイのピーク電力点に追従できるようにします。アラン・H・ワインバーグが発明し、1974年にESAの会議論文で発表された「ワインバーグコンバータ」トポロジを採用しています。[要出典]

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」の記事をご覧ください。

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・シャトル間電力伝送システム（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 太陽電池パネル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、シャトル搭載の発電用燃料電池の使用量を削減し、スペースシャトルを宇宙ステーションに4日間ドッキングさせておくことが可能になりました。[35]

SSPTSは、シャトルのアップグレードで、組立電力変換ユニット（APCU）を電力転送ユニット（PTU）と呼ばれる新しい装置に置き換えたものです。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に変換する機能を持っていました。これは、宇宙ステーションの初期建設時に、ロシアのズヴェ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使用されました。PTUは、これに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8kW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]このシステムが実際に使用され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唯一残存したシャトルの中でSSPTSを搭載していなかったため、他のシャトルよりも短い期間のミッションしか遂行できなかった。[38]

参考文献

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  • https://ntrs.nasa.gov/citations/20110015485