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Text File  |  1992-09-09  |  17KB  |  365 lines

  1. SPACE STATION FREEDOM: Lewis Research Center
  2.  
  3. The Lewis Research Center was established in 1941 at
  4. Cleveland, Ohio adjacent to the airport.  It was one of
  5. three centers operated by the National Advisory Committee
  6. for Aeronautics (NACA) nationwide.  The center was named for
  7. George W. Lewis, NASA's Director of Research from 1924 to
  8. 1947.  The Center developed an international reputation for
  9. its research on jet propulsion systems in the new jet age.
  10.  
  11. Lewis' original objective was aeronautics propulsion
  12. research.  The Engine Research Laboratory, as it was first
  13. called, was responsible for creating technology to improve
  14. aircraft engines and components, studying fuels and
  15. combustion, and performing fundamental research in those
  16. areas of physics, chemistry, and metallurgy relevant to
  17. propulsion.
  18.  
  19. In October 1958, the NACA Centers became the nucleus of the
  20. National Aeronautics and Space Administration (NASA).
  21. Today, Lewis scientists, engineers, technicians and support
  22. personnel number about 2,700 people and occupy 100 buildings
  23. and 500 specialized R&D facilities spread out over 360
  24. acres.  In addition to office and laboratories for almost
  25. every kind of physical research such as fluid mechanics,
  26. physics, materials, fuels, combustion, thermodynamics,
  27. lubrication, heat transfer, and electronics, Lewis has a
  28. variety of engineering test cells for experiments with
  29. components such as compressors, pumps, conductors, turbines,
  30. nozzles, and controls.
  31.  
  32. A number of large facilities can simulate the operating
  33. environment for a complete system: altitude chambers for
  34. aircraft engines, large supersonic wind tunnels, space
  35. simulation chambers for electric rockets or spacecraft, and
  36. a 420-foot-deep zero-gravity facility.  Some problems are
  37. amenable to detection and solution only in the complete
  38. system and at essentially full scale.
  39.  
  40. The combination of basic research in pertinent disciplines
  41. and generic technologies with applied research on components
  42. and complete systems has helped Lewis become one of the most
  43. productive centers in its field in the world.
  44.  
  45. Whereas Lewis engineers have continued their traditional
  46. work in aircraft propulsion, they have utilized their
  47. expertise in space propulsion, space power and satellite
  48. communications.  They have also applied this fundamental
  49. knowledge to terrestrial applications such as solar and wind
  50. energy, automotive propulsion, advanced technology
  51. batteries, fuel cells, and biomedical engineering.  Some of
  52. the unique facilities supporting programs and basic research
  53. include the following:
  54.  
  55. Propulsion Systems Laboratories
  56. 8-by 6-foot Transonic/Supersonic Wind Tunnel and 9-by
  57. 15-foot V/STOL Subsonic Wind Tunnel
  58. 10- by 10-foot Supersonic Wind Tunnel
  59. Icing Research Tunnel
  60. Engine Research Building
  61. High Pressure Facility
  62. Vertical Lift Facility
  63. Electric Propulsion Laboratory
  64. Rocket Engine Test Facility
  65. Zero-Gravity Facility
  66. Energy Conversion Laboratory
  67. Power Systems Facility
  68. Materials and Structures Laboratory
  69. Materials Processing Laboratory
  70. Basic Materials Laboratory
  71. Central Process Air System
  72. Research Analysis Center
  73. Flight Research Building (Hangar)
  74. Technical Services Building
  75. Plum Brook Space Power Facility
  76.  
  77.  
  78. The new Power Systems Facility will test the Space Station
  79. Freedom Power System.  Lewis is responsible for the
  80. end-to-end electric power system architecture for the
  81. station including solar arrays, batteries, and common power
  82. distribution components to the platforms.
  83.  
  84. Contemporary and future programs at Lewis will continue to
  85. develop technologies important to the Nation.
  86.  
  87.  
  88.  
  89. Space Station Freedom Unique Activities  (Summary)
  90.  
  91. Solar Arrays
  92. A series of eight solar array wings will be utilized to
  93. provide electric power aboard the space station during its
  94. early years.  Each 34-by 108-foot wing consists of two
  95. blanket assemblies, each covered with 14,592 solar cells.
  96. The modules are located on the transverse boom, outboard of
  97. the truss element alpha gimbals.  Each one consists of  an
  98. integrated equipment assembly (radiator panels, energy
  99. storage, DC electronics thermal control assemblies and AC
  100. power) and truss members.
  101.  
  102. Batteries
  103. The energy obtained from the sunlight will be stored in
  104. Nickel-Hydrogen batteries for later use when the station is
  105. in the Earth's shadow.  A battery pack is made up of 30
  106. Ni-H2 cells, wiring harness, and mechanical/thermal support
  107. components.  On discharge, this operates near 28 volts which
  108. allows the flexibility to connect several packs in series to
  109. obtain a high voltage system for the space station and
  110. platforms, and lower voltage for the platforms or other
  111. station applications.
  112.  
  113.  Power Management And Distribution (PMAD)
  114. The 20 kHz Primary PMAD system is designed specifically to
  115. meet aerospace system requirements.  The system is based
  116. upon rapid semiconductor switching, low stored reactive
  117. energy, and cycle by cycle control of energy flow which
  118. allows the tailoring of voltage levels.  The PMAD system
  119. will deliver controlled power to many scattered and
  120. different user loads.  The high frequency AC power system
  121. was selected to provide higher efficiency, lower cost, and
  122. improved safety.
  123.  
  124. LEWIS  RESEARCH  CENTER
  125.  
  126. Elements and Systems
  127.  
  128. Electrical Power System (EPS)
  129. NASA's Lewis Research Center is responsible for the
  130. end-to-end electric power system architecture for the space
  131. station and for providing the solar arrays, batteries, and
  132. common power distribution components to the U.S. Polar
  133. Platform.  The EPS consists of power generation, energy
  134. storage, and power distribution subsystems.
  135.  
  136. The EPS provides all user and housekeeping electrical power
  137. and is capable of expansion as the station grows.
  138. Initially, the EPS will generate 37.5 kw, which will
  139. increase to a baseline value of 75kw.  Nickel Hydrogen
  140. (Ni-H2) batteries store the direct current (DC) power
  141. generated by the solar panels for use when the station is in
  142. the shadow of the Earth.  The DC will be converted to AC for
  143. primary distribution.  The EPS provides 20kHz, 208 volts,
  144. single phase sine wave, utility grade power to station
  145. elements.  The power is then converted to 129 volt DC and
  146. distributed to users.
  147.  
  148. The most important design choice for the space station EPS
  149. was the selection of the power generation and storage
  150. system.  The possible options are all photovoltaic (PV), all
  151. solar dynamic (SD) and hybrid (a combination of PV and SD).
  152.  
  153.  
  154. Photovoltaic (PV)
  155. A PV system has solar arrays for power generation, and
  156. chemical energy storage (batteries) to store excess solar
  157. array energy during periods of sunlight, and provide power
  158. during periods of shade.  A PV system is generally
  159. characterized by low development cost and high recurring
  160. cost (due to maturity of solar array development and high
  161. cost of solar cells and panels); low
  162. efficiency-approximately 10 percent; and high drag from the
  163. large solar array panel area required to capture sufficient
  164. sunlight to meet required user power levels.
  165.  
  166. Initially, power for the space station will be provided by
  167. eight flexible, deployable solar array wings.  This
  168. configuration minimizes the complexity of the assembly
  169. process by taking advantage of the technology demonstrated
  170. on Space Shuttle Flight STS 41 B.  Each 32- by 108-foot wing
  171. consists of two  blanket assemblies covered with solar
  172. cells.  These are stowed in blanket boxes which are attached
  173. to a deployment canister.  Each pair of blankets is to be
  174. deployed and supported by a coilable, continuous longeron
  175. mast.  A tension mechanism will supply tension to the
  176. blanket as it reaches complete extension.  The entire wing
  177. will be tied structurally to the transverse boom by means of
  178. the beta gimbal assembly.  In order to provide the power
  179. needed during the period of space station assembly, two
  180. solar wings and other elements of the power system are
  181. scheduled to be carried up on each of the first two space
  182. station assembly flights.  These four wings will provide
  183. 37.5 kW of power.   The remaining four panels will be
  184. delivered on orbit after the permanently-manned
  185. configuration is reached.
  186.  
  187.  Batteries
  188. Ni-H2 batteries will store the energy produced by the solar
  189. arrays.  A battery pack is made up of 23 Ni-H2 cells, wiring
  190. harness, and mechanical/thermal support components.  On
  191. discharge, this operates near 28volts which allows the
  192. flexibility to connect several packs in series to obtain a
  193. high voltage system for the space station, or use of single
  194. packs as a candidate for other low voltage applications.
  195. Ni-H2 batteries offer minimum weight and high reliability.
  196. During the eclipse periods, power is supplied by these
  197. batteries.
  198.  
  199. Solar Dynamic (SD)
  200. Solar dynamic systems use solar radiation to heat a working
  201. fluid in a closed loop.  The fluid transfers work to a
  202. turbine which drives an alternator, converting thermal
  203. energy to mechanical energy to electrical energy.  Heat is
  204. added to the fluid in a heat receiver which absorbs focused
  205. solar radiation from a sun-tracking concentrator with a
  206. reflective surface.  The receiver and concentrator are
  207. oversized to allow excess thermal energy to be stored in a
  208. melting salt as the heat of fusion when the system is in the
  209. sun.  During solar eclipse, some of the salt solidifies,
  210. releasing heat to the working fluid which continuously
  211. powers the  turbo alternator.  Radiators are required
  212. bysolar dynamic systems to reject the waste cycle heat to
  213. space.  Solar dynamic systems are characterized by higher
  214. development costs (because they have never flown in space
  215. before) but lower recurring costs; slower performance
  216. degradation due to aging; much higher efficiency than PV
  217. systems, and much lower drag.  Extensive trade studies were
  218. conducted comparing PV, SD, and hybrid EPS options during
  219. the Phase B effort.  Although the hybrid option was judged
  220. to be superior to either all PV or all-SD options, the
  221. all-PV system was selected for development initially because
  222. of low initial cost.
  223.  
  224. As the space station grows and the demand for electric power
  225. increases, a solar dynamic system may be installed as a
  226. complementary system to the photovoltaic power module.
  227. This technology, far different from the photovoltaic system,
  228. converts the Sun's rays into heat for the production of
  229. power.  Heat is collected in a receiver which is located
  230. near the focal point of a large parabolic mirror.  Power is
  231. then generated exactly the same way as on an earthbound
  232. power station: by heating a fluid, which in turn rotates a
  233. turbine.  Since a heat/gas driven turbine is a much more
  234. efficient power converter than a sunlight driven solar cell,
  235. the mirror (the assembly with the largest area in the solar
  236. dynamic system) would have to be only one third the area of
  237. a solar array to generate the same amount of power to from
  238. the Sun's light.
  239.  
  240. There are several different engines that can be used for the
  241. generation of power within the solar dynamic system.  They
  242. are similar in that they are "closed cycle," i.e., they
  243. recycle the working fluid.  These engines are usually known
  244. by the names of their inventor.  For use on Space Station,
  245. the Brayton Cycle engine has been selected.
  246.  
  247. The energy storage device used for a solar dynamic power
  248. system is superior to a photovoltaic system because heat is
  249. stored rather than electricity.  Heat is cheaper and far
  250. more simple to store for subsequent use.  Storage can be
  251. accomplished by taking advantage of the heat, of fusion of
  252. inorganic salts.  On the sunny side of the Earth, heat is
  253. absorbed by the salt and it melts.  On the dark (cold) side
  254. the salt freezes and gives up its heat to  the working fluid
  255. of the engine, ensuring continuous operation.
  256.  
  257.  
  258. Primary Power Distribution
  259. The 20 kHz  Power Management and Distribution (PMAD) system
  260. is designed specifically to meet aerospace system
  261. requirements.  The system is based upon rapid semiconductor
  262. switching, low stored reactive energy, and cycle by cycle
  263. control of energy flow which allows the tailoring of voltage
  264. levels.  The high frequency AC power system was selected to
  265. provide higher efficiency, lower cost, and improved safety.
  266.  
  267. The overall distribution equipment will include cables, load
  268. converters, transformers, regulators, switches and other
  269. standard electrical equipment.  The overall distribution
  270. subsystem will be composed of equipment necessary to
  271. process, control, and distribute power to other station
  272. subsystems, elements, and attached payloads.
  273.  
  274. The most significant PMAD design decision was the selection
  275. of the primary distribution system frequency.  Both DC and
  276. AC options were considered, and both high frequency
  277. (typically 20 kHz) and low frequency (typically 400 Hz) AC
  278. options were considered.  DC Primary distribution was not
  279. selected because it had much higher weight and cost than
  280. either of the AC options.
  281.  
  282. The performance of the candidate AC systems was relatively
  283. similar and the choice was difficult.  All reactive
  284. components (i.e. inductors, capacitors, transformers) are
  285. much lighter for the 20 kHz system than for the 400 Hz
  286. system.
  287.  
  288. The major discriminator between 20 kHz and 400 Hz was
  289. electromagnetic interference (EMI).  Space station
  290. experiments are sensitive to conducted and radiated EMI from
  291. a 400 Hz system, including all of the harmonics up to about
  292. 10 kHz.  The weight of shielding and filtering required to
  293. reduce the EMI from all of these frequencies to acceptable
  294. levels in a 400 HZ system is prohibitive.  The EMI in a 20
  295. kHz system is expected to be a more tractable problem.  In
  296. addition to EMI considerations, audible noise from a 400 Hz
  297. system may be objectionable to the crew.  As a result of
  298. these considerations, 20 kHz was selected as the primary
  299. distribution frequency.
  300.  
  301.  
  302. Power Systems Facility (PSF)
  303.  
  304. The PSF will provide the capability for development,
  305. testing, and evaluation of prototype power systems hardware
  306. for the space station program.  The facility will be used to
  307. test systems in support of both the baseline program and
  308. evolutionary growth phase, to simulate anomalies during
  309. flight, and support testing needs for future refinements.
  310. The PSF will have a total of approximately 31,000 square
  311. feet and will include a high bay test area with Class
  312. 100,000 Clean Room capability, a loading-unloading-workshop
  313. area, laboratory rooms and support areas.  Solar dynamic
  314. systems will be tested together with the power management
  315. and distribution system.  Assembly and deployment tests,
  316. optical tests, and vibration tests of concentrating mirrors
  317. as large as 60 feet in diameter will be conducted in the
  318. clean high-bay area.  The building site has been selected
  319. for its close proximity to the existing solar array field in
  320. recognition of the importance of using line lengths
  321. representative of the space station electrical power
  322. distribution system.  Electrical transient interactions are
  323. very sensitive to line lengths and component separation as
  324. well as the detailed characteristics of the power source.
  325. While some studies will be done using the solar simulator,
  326. others will require use of the outside solar array powered
  327. by the sun.
  328.  
  329.  
  330.  
  331. Space Station Freedom Systems Directorate
  332.  
  333. NASA's Lewis Research Center in Cleveland, Ohio is
  334. responsible for the Work Package 4 portion of the Space
  335. Station Freedom Program.  The Space Station Systems
  336. Directorate is responsible for the design and development of
  337. the Electric Power System.  In effect, this Directorate is
  338. the Space Station Freedom Electrical Power System Projects
  339. Office.
  340.  
  341. The Project Control Office's responsibilities include
  342. resources control, contracts, administrative services,
  343. configuration management and technical documentation.  The
  344. Systems Engineering and Integration Division performs system
  345. engineering and analysis for the overall Electrical Power
  346. System.  The Photovoltaic Power Module Division is
  347. responsible for all activities associated with the design,
  348. development, test and implementation of the photovoltaic
  349. systems.   The Solar Dynamic Power and Propulsion Division
  350. is responsible for hooks and scars activities in solar
  351. dynamics and in supporting Work Package 2 in resistojet
  352. propulsion technology.   The Electrical Systems Division has
  353. responsibility for the power management and distribution
  354. system development.  The Operations Division manages all
  355. Directorate activities associated with Lewis space station
  356. power system facilities and in planning electric power
  357. system mission operations.
  358.  
  359. This organization currently includes approximately 200 civil
  360. servants.  There are an additional 150 people in other Lewis
  361. organizations working on such areas as test and evaluation,
  362. construction and outfitting of the Power Systems Facility
  363. and power related research.
  364.  
  365.