home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Space & Astronomy / Space and Astronomy (October 1993).iso / mac / TEXT / STATION / STF_POW.TXT < prev    next >
Text File  |  1992-09-09  |  16KB  |  355 lines

  1. "6_10_4.TXT" (15855 bytes) was created on 08-28-88
  2.                   T H E     S P A C E     S T A T I O N
  3.  
  4.                          P O W E R     S Y S T E M
  5.  
  6. The Space Station represents the commitment of the United States to a
  7. lasting future in space. This future will be ripe with intellectual
  8. and technical challenges. It will hold vast opportunity for commercial
  9. profit and preservation of the nation's economic vitality. It will be
  10. both a research facility in space and a stepping-stone to long-term
  11. human space exploration and discovery. The Space Station demonstrates
  12. that America's significant achievements in space lie ahead of us, not
  13. behind us. The Station also symbolizes our nation's desire to
  14. cooperate with others in mutually beneficial civil space activities.
  15. Canada, the European Space Agency, and Japan have already responded
  16. positively to the U.S. invitation to participate in the development of
  17. the Station. Formal agreements are being negotiated and are near
  18. completion. If the negotiations are successful, their involvement will
  19. lead to unprecedented international cooperation, toward the peaceful
  20. exploration and utilization of the space environment.
  21.  
  22. During the early planning stages of the Space Station Program, before
  23. the first engineer was allowed to set pencil to paper, two major
  24. questions had to be answered:
  25.  
  26.                o  Who will use the Space Station?
  27.  
  28.                o  What resources will have to be
  29.                   provided to those users?
  30.  
  31. A detailed survey of the technical community showed that five types of
  32. experiments would most likely be performed on the Space Station.
  33.  
  34.                o  Observational sciences (astronomy and Earth
  35.                   observations)
  36.  
  37.                o  Life sciences
  38.  
  39.                o  Materials sciences
  40.  
  41.                o  Servicing/repair, and
  42.  
  43.                o  Technology development/testing
  44.  
  45. The major resources these potential users demanded were found to be:
  46.  
  47.                o  Power
  48.  
  49.                o  Volume
  50.  
  51.                o  Crew time
  52.  
  53. The quantitative evaluation of these user requirements defined the
  54. ground rules for the engineering studies that led to the system
  55. definition and preliminary design of the Space Station baseline
  56. configuration.
  57. ______________________________________________________________________
  58.  
  59.  
  60.           S P A C E     S T A T I O N     B A S E L I N E
  61.  
  62.                       C O N F I G U R A T I O N
  63.  
  64.  
  65. Photovoltaic Power Array
  66.  \
  67.  [][][]   [][][]              High Gain        [][][]   [][][]
  68.  [][][]   [][][]              Antenna          [][][]   [][][]
  69.  [][][]   [][][]  Radiator      \ |{           [][][]   [][][]
  70.  [][][]   [][][]   \       __ ___ |__          [][][]   [][][]
  71.  [][][]   [][][]   ##     |  |___|J |     ##   [][][]   [][][]
  72.  [][][]   [][][]   ##     |E |   |E |     ##   [][][]   [][][]
  73.  |\|\|\|\|\|\|\|\|\|\|\|==|M |___|M |==|\|\|\|\|\|\|\|\|\|\|\|
  74.  [][][]   [][][]          |__|___|__|          [][][]   [][][]
  75.  [][][]   [][][]          |  |   |H |          [][][]   [][][]
  76.  [][][]   [][][]          |  |___|M |          [][][]   [][][]
  77.  [][][]   [][][]          |__|___|__|          [][][]   [][][]
  78.  [][][]   [][][]         /                     [][][]   [][][]
  79.  [][][]   [][][]     US Laboratory Module      [][][]   [][][]
  80.  
  81.  
  82.                   EM  =  European Module
  83.                  JEM  =  Japanese Experiment Module
  84.                   HM  =  Habitation Module
  85. ______________________________________________________________________
  86.  
  87.  
  88.                    THE SPACE STATION POWER LEVEL
  89.  
  90. Electrical power, in many respects, is the most critical resource
  91. aboard the Space Station. Electricity is essential to supporting human
  92. life in space. It allows a multitude of systems on board Space Station
  93. to operate, support, and produce. Whether electricity is used to power
  94. life support systems, to run a furnace making crystals, to manage a
  95. computerized data distribution system, or to operate a centrifuge,
  96. electricity is the key.
  97.  
  98. The more electricity available, the more work possible, and the more
  99. flexible the entire array of Space Station activities becomes. A
  100. comfortable amount of power allows men and women to utilize their own
  101. most precious resources: observation and innovation. Adequate power
  102. allows a crew, in orbit, and a variety of researchers, using
  103. telescience capabilities from the ground, the opportunity to make
  104. instantaneous observations and responses. In a severely
  105. power-constrained environment, flexibility and spontaneity are
  106. diminished. This, in turn, limits the invaluable utility of a
  107. permanent human presence in space.
  108.  
  109. In addition, power runs the infrastructure of the hardware and
  110. software that supports the entire facility. For this reason, Space
  111. Station power systems and power-level projections have been an
  112. important focus of attention during Phase A and Phase B definition and
  113. design stages.
  114.  
  115. The power level given as the ground rule in the "reference
  116. configuration," the starting point for analytical studies during the
  117. Space Station Concept Definition and Preliminary Design Phase (Phase
  118. B), was 75 kW with growth capability to 300 kW. The Space Station
  119. assembly sequence supplied 25 kW of photovoltaic power by the second
  120. flight. This 25 kW of power would support general station-keeping
  121. requirements and early payloads that would be provided during the
  122. assembly phase of the program. An additional 50 kW of solar dynamic
  123. power was planned downstream in the assembly sequence, raising the
  124. total power supply to 75 kW, the baseline level for the permanently
  125. manned phase. This figure was based on the projected needs of the
  126. future Space Station user community and early estimates of the
  127. housekeeping power.
  128.  
  129. A review by Congress of Space Station concluded that the preliminary
  130. power of 25 kW was insufficient to adequately support early payloads.
  131. As a result, the initial power level was increased to 37.5 kW of
  132. photovoltaic power. With the addition of the 50 kW of solar dynamic
  133. power intended for the later stage of the Station development, the
  134. total power level for the program climbed to 87.5 kW. It should be
  135. noted that the absence of a permanent crew in such a configuration
  136. makes crew time the most critical parameter and severely limits the
  137. kind of experiments that can be performed.
  138.  
  139. The Space Station review ordered by the NASA Administrator at the end
  140. of Phase B resulted in several changes to the Phase B results,
  141. including a reordering of the assembly sequence to allow for early
  142. user operation and confirming power at 87.5 kW.
  143.  
  144. A subsequent cost review resulted in the "phased" approach to
  145. construction of the Space Station. Early calculations of power needed
  146. in this approach yielded 50 kW. Further examination of user and
  147. housekeeping requirements, however, resulted in an increase of that
  148. figure to 75 kW for Phase I and an additional 50 kW (125 kW total) for
  149. a future Phase II.
  150.  
  151.                   THE SPACE STATION POWER SYSTEM
  152.  
  153. The only continuously available source of energy in this solar system
  154. is the Sun. The Sun's energy is available in the form of light and
  155. heat; however, spacecraft need electricity. Accordingly, NASA has
  156. pioneered and is continuing to develop technologies to efficiently
  157. convert the Sun's energy (light and heat) into electrical power.
  158.  
  159. Some materials, such as silicon and gallium arsenide, can directly
  160. convert light to electricity. Hence, "solar cells" can be made from
  161. these materials. The efficiency of energy conversion by this method is
  162. not very high; it ranges from 5 to 10 percent. The cells, however, can
  163. be assembled into "arrays" and these can be used to generate high
  164. power levels. In fact, the 75 kW required for the Space Station Manned
  165. Base and the power for the Polar Platform will be generated entirely
  166. by solar arrays.
  167.  
  168. A spacecraft in orbit around the Earth is not always in direct
  169. sunlight. Thus, energy has to be stored to provide a continuous source
  170. of electricity. Storage is usually accomplished by using batteries,
  171. which is the method of choice for Space Station. The Space Station
  172. "photovoltaic power module" contains both the solar arrays and the
  173. batteries.
  174.  
  175. ______________________________________________________________________
  176.  
  177.  
  178. SPACE STATION PROGRAM
  179.  
  180.              S O L A R     P O W E R     O P T I O N S
  181.  
  182.  
  183. (PHOTOVOLTAIC)
  184.  
  185.                         Sunlight
  186.  
  187.                         |  |  |
  188.                         |  |  |
  189.                         |  |  |
  190.                         v  v  v
  191.                        _________
  192.                       |_________|  Solar Cell
  193.                          \   \
  194.                            |    Direct Current (DC)
  195.                            |    Electrical Power
  196.             __________     |      ___________
  197.            |          |____|_____|           |
  198.            | Battery  |          |   Power   |
  199.            |__________|          | Converter |
  200.                                  |___________|
  201.                                      \   \
  202.                             Alternating Current (AC)
  203.                             Electrical Power
  204.  
  205.  
  206.  
  207.  
  208.  
  209.  
  210.  (SOLAR DYNAMIC)
  211.  
  212.  
  213.  
  214.                  Receiver/Thermal Storage
  215.                          \ ______
  216.                           |      |      Sunlight
  217.                 __________|      |   /
  218.                |          |______|  /
  219.                |             '     /
  220.                |             '    /
  221.                v             '   /
  222.                |             '  /
  223.                |             ' /
  224.                |       \_____|/____/    Mirrors
  225.                |
  226.                |         ______________________
  227.                |________|                      |
  228.                         |   Turbine/Generator  |
  229.                         |______________________|
  230.                                   \    \
  231.                           Alternating Current (AC)
  232.                           Electrical Power
  233.  
  234. ______________________________________________________________________
  235.  
  236.  
  237. The photovoltaic power system is well understood and has the advantage
  238. of being off-the-self technology. Its disadvantage is the large size
  239. of the arrays required to generate sufficient power. In addition, the
  240. large weight and relatively short lifetime (about five years) of the
  241. batteries is a disadvantage.
  242.  
  243. The Space Station will operate in low Earth orbit (about 220 nautical
  244. miles). In this, or any other near-earth orbit, there is a certain
  245. amount of "drag," i.e. resistance to the progression of the
  246. spacecraft. As a consequence, the spacecraft tends to slow down. This
  247. results in a loss of altitude, a gradual progression towards an
  248. ultimate de-orbit. To prevent the Station from eventually reentering
  249. the atmosphere, periodic reboost of the spacecraft is necessary. This
  250. requires a resupply of propellant: the larger the area, the larger the
  251. drag, and the more reboost propellant is needed. Resupply of the
  252. propellant is needed. Resupply of the propellant is part of the
  253. life-cycle cost.
  254.  
  255. Decreasing the area of the spacecraft minimizes drag. The largest area
  256. of the Space Station is the solar arrays. Early design concepts
  257. indicated that a reduction in the area of solar arrays represented
  258. life-cycle cost reduction.
  259.  
  260. However, a newer design concept has mitigated the increased life-cycle
  261. costs associated with reboosting, by using a hydrogen fuel obtained
  262. from surplus supplies of water. Therefore, the size of the solar array
  263. no longer drives life-cycle costs as directly. Another source of
  264. life-cycle cost is the need to replace the batteries after five years.
  265. The use of a long-life energy storage system represents life-cycle
  266. cost savings.
  267.  
  268. A solar dynamic power system might provide a solution for these
  269. problems. This technology, far different from the photovoltaic system,
  270. utilizes the Sun's heat instead of its light for the production of
  271. power. Heat is collected in the focal point of a mirror. Power is then
  272. generated exactly the same way as on an earthbound power station: by
  273. heating a fluid, which in turn rotates a turbine. Since a
  274. heat/gas-driven turbine is a much more efficient power converter than
  275. a sunlight-driven solar cell, the mirror (the largest part of the
  276. solar dynamic system) would have to be only one-fourth the area of a
  277. solar array to generate the same amount of power from the Sun's light.
  278.  
  279. There are several different engines that can be used for the
  280. generation of power within the solar dynamic system. They are similar
  281. in that they are "closed cycle," i.e., they recycle the working fluid.
  282. These engines are usually known by the names of their inventor. For
  283. use on Space Station, the Brayton Cycle engine has been selected.
  284.  
  285. The energy storage device used for a solar dynamic power system is
  286. superior to a photovoltaic system because heat is stored rather than
  287. electricity. Heat is cheaper and far more simple to store for
  288. subsequent use. Storage can be accomplished by taking advantage of the
  289. heating, or fusion, of inorganic salts. On the sunny side of the
  290. Earth, heat is absorbed by the salt and it melts. On the dark (cold)
  291. side the salt freezes and gives up its heat to the working fluid of
  292. the engine, ensuring continuous operation.
  293.  
  294.                             S U M M A R Y
  295.  
  296. An abundant supply of power is one of the top priorities for users of
  297. the Space Station and therefore, of highest priority for the Space
  298. Station Program. It was for this reason that the original "hybrid"
  299. power system was chosen: it provided early power to the user by using
  300. off-the-self photovoltaic/battery technology, then adding the more
  301. "growable," but higher risk, solar dynamic system later. This concept
  302. was revised in light of budget realities. By using only photovoltaic
  303. modules in Phase I, NASA will be able to meet budget restrictions
  304. without sacrificing the needs of the users. The ability to utilize
  305. solar dynamic systems with lower life-cycle cost will be added in the
  306. future as the Space Station evolves.
  307.  
  308. ______________________________________________________________________
  309.  
  310. SOLAR POWER OPTIONS:       ADVANTAGES              DISADVANTAGES
  311. ----------------------------------------------------------------------
  312.  
  313. Photovoltaic           o Large Data Base for   o Limited Data on High
  314.                          Small Rigid Arrays      Voltage Arrays
  315.                          with Batteries
  316.  
  317.                        o Tolerant of Pointing  o High Life Cycle Cost
  318.                          Errors
  319.  
  320.                        o Flexible Array Demon- o Development Risks on
  321.                          strated                 Large Array & Energy
  322.                                                  Storage
  323.  
  324.                        o Technology Well       o Large Drag Area
  325.                          Understood
  326. ----------------------------------------------------------------------
  327.  
  328. Solar Dynamic          o High Efficiency       o Limited Phase Change
  329.                                                  Salt Data
  330.                        o Terrestrial Data      o High Development Cost
  331.                          Base                    Than Photovoltaic
  332.  
  333.                        o Low Life Cycle Cost   o More Sensitive to
  334.                          --Low Drag Area         Pointing Error than
  335.                          --Low Production        PV
  336.                                      Cost
  337.                                                o Not Demonstrated in
  338.                                                  Space
  339. ----------------------------------------------------------------------
  340.  
  341. Hybrid                 o PV Power for Early    o Requires Development
  342.                          Station Buildup         and Logistics Support
  343.                                                  of Both Systems
  344.                        o SD Low Cost Power as
  345.                          Requirements Increase
  346.  
  347.                        o Low Life Cycle Cost
  348.  
  349.                        o Diverse Power Sources
  350. ----------------------------------------------------------------------
  351.  
  352. ______
  353.  
  354. THE SPACE STATION POWER SYSTEM, NASA
  355.