Estructura de celosía integrada

La Estructura Integrada de Armazón ( ITS ) de la Estación Espacial Internacional (ISS) consiste en una secuencia lineal de armazones conectados sobre los que se montan diversos componentes no presurizados, como portadores logísticos, radiadores , paneles solares y otros equipos. Proporciona a la ISS una arquitectura de bus . Tiene aproximadamente 110 metros de largo y está hecha de aluminio y acero inoxidable .

Todos los componentes del armazón recibieron el nombre de acuerdo con sus posiciones finales previstas: Z para cenit, S para estribor y P para babor, y el número indica la posición secuencial. El armazón S0 podría considerarse un nombre inapropiado, ya que está montado centralmente en la posición cenit de la Destiny y no está ni a estribor ni a babor.

Los segmentos de la estructura de la ISS fueron fabricados por Boeing en sus instalaciones de Huntington Beach, California (anteriormente McDonnell Douglas), Michoud Assembly Facility en Nueva Orleans, Luisiana , Marshall Space Flight Center en Huntsville, Alabama , y ​​en Tulsa, Oklahoma . ^{[ cita requerida ]} Las estructuras fueron luego transportadas o enviadas a la Instalación de Procesamiento de la Estación Espacial del Centro Espacial Kennedy para su ensamblaje final y verificación.

El marco estructural se realizó mediante varios procesos de fabricación, incluidos la fundición de inversión , el laminado en caliente de acero , la fricción-agitación y los procesos de soldadura TIG . ^{[ cita requerida ]}

La primera pieza de la estructura, la estructura Z1, se lanzó a bordo del STS-92 en octubre de 2000. Contiene los conjuntos de giroscopio de momento de control (CMG), cableado eléctrico, equipo de comunicaciones y dos contactores de plasma diseñados para neutralizar la carga eléctrica estática de la estación espacial.

Otro objetivo del armazón Z1 era servir como posición de montaje temporal para el "armazón P6 y el panel solar" hasta su reubicación al final del armazón P5 durante la misión STS-120. Aunque no forma parte del armazón principal, el armazón Z1 fue la primera estructura de celosía permanente para la ISS, muy similar a una viga maestra, que preparó el terreno para la futura incorporación de los armazones o columnas principales de la estación. Está hecho de acero inoxidable, titanio y aleaciones de aluminio.

Si bien la mayor parte del armazón Z1 no está presurizado, cuenta con un puerto de mecanismo de atraque común (CBM) que conecta su nadir con el puerto cenital de Unity y contiene una pequeña cúpula presurizada que permitió a los astronautas conectar correas de tierra eléctricas entre Unity y el armazón sin un EVA. ^{[1] [2]} Además, la cúpula dentro del CBM de Z1 se puede utilizar como espacio de almacenamiento. ^[3]

El armazón Z1 también cuenta con un anillo de mecanismo de atraque manual (MBM) orientado hacia adelante. ^[4] Este MBM no es un puerto y no está presurizado ni alimentado eléctricamente, pero se puede operar con una herramienta portátil para atracar cualquier CBM pasivo. ^[5] El MBM del armazón Z1 se usó solo una vez, para sostener temporalmente a PMA-2 , mientras el laboratorio Destiny estaba siendo atracado en el nodo Unity durante STS-98 . Desde la instalación del armazón S0 cercano en abril de 2002, el acceso al MBM ha estado bloqueado.

En octubre de 2007, el elemento de armazón P6 se ​​desconectó de Z1 y se trasladó a P5; P6 ahora estará conectado permanentemente con P5. El armazón Z1 ahora se utiliza únicamente para alojar los CMG, el equipo de comunicaciones y los contactores de plasma; además, Z1 ahora se conecta únicamente a Unity (Nodo 1) y ya no alberga otros elementos de la estación espacial.

En diciembre de 2008, Ad Astra Rocket Company anunció un acuerdo con la NASA para colocar una versión de prueba de vuelo de su propulsor de iones VASIMR en la estación para hacerse cargo de las tareas de reimpulso. En 2013, se pretendía colocar el módulo del propulsor en la parte superior de la estructura Z1 en 2015. ^[6] La NASA y Ad Astra firmaron un contrato para el desarrollo del motor VASIMR por hasta tres años en 2015. ^[7] Sin embargo, en 2015 la NASA puso fin a los planes para volar el VF-200 a la ISS. Un portavoz de la NASA declaró que la ISS "no era una plataforma de demostración ideal para el nivel de rendimiento deseado de los motores". ^[8] (Un ejemplo de una nave espacial que utilizó un propulsor de iones para mantener su órbita fue el Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer , cuyo motor le permitió mantener una órbita muy baja).

La estructura S0 (también llamada estructura de estribor 0 del conjunto de estructura integrada central ) forma la columna vertebral central de la Estación Espacial. Se colocó en la parte superior del módulo de laboratorio Destiny durante la misión STS-110 en abril de 2002. La estructura S0 se utiliza para enviar energía a los módulos de la estación presurizada y para conducir el calor desde los módulos hacia las estructuras S1 y P1. La estructura S0 no está acoplada a la ISS, sino que está conectada con cuatro puntales de acero inoxidable de la estructura de estructura de módulo a estructura (MTS).

Las cerchas P1 y S1 (también llamadas cerchas de radiador térmico de babor y estribor ) están unidas a la cercha S0 y contienen carros para transportar el Canadarm2 y los astronautas a los lugares de trabajo junto con la estación espacial. Cada una de ellas hace fluir 290 kg (637 lb) de amoníaco anhidro a través de tres radiadores de rechazo de calor. La cercha S1 se lanzó en la STS-112 en octubre de 2002 y la cercha P1 se lanzó en la STS-113 en noviembre de 2002. El diseño detallado, las pruebas y la construcción de las estructuras S1 y P1 fueron realizadas por McDonnell Douglas (ahora Boeing) en Huntington Beach, California. Las primeras piezas de la estructura se cortaron en 1996, y la entrega de la primera cercha se produjo en 1999.

En el diseño original de la Estación Espacial Freedom, se habían planeado las estructuras P2 y S2 como emplazamientos para los propulsores de cohetes . Dado que las partes rusas de la ISS también proporcionaban esa capacidad, la capacidad de reimpulso del diseño de la Estación Espacial Freedom ya no era necesaria en esa ubicación. Por ello, se cancelaron las estructuras P2 y S2. ^[9]

El conjunto de armazón P3/P4 fue instalado por la misión STS-115 del transbordador espacial Atlantis , lanzada el 9 de septiembre de 2006, y fijado al segmento P1. Los segmentos P3 y P4 juntos contienen un par de paneles solares , un radiador y una junta rotatoria que apuntará los paneles solares y conectará P3 a P4. En el momento de su instalación, no fluía energía a través de la junta rotatoria, por lo que la electricidad generada por las alas del panel solar P4 solo se usaba en el segmento P4 y no en el resto de la estación. Luego, en diciembre de 2006, un importante recableado eléctrico de la estación por parte de la STS-116 encaminó esta energía a toda la red. El conjunto de armazón S3/S4, una imagen especular de P3/P4, fue instalado el 11 de junio de 2007 también por el transbordador espacial Atlantis durante el vuelo STS-117 , misión 13A y montado en el segmento de armazón S1. Es el módulo con destino a la estación más pesado jamás lanzado por el transbordador espacial. ^[10]

Los principales subsistemas P3 y S3 incluyen el Sistema de Conexión de Segmento a Segmento (SSAS), la Junta Rotativa Solar Alpha (SARJ) y el Sistema de Conexión de Transportador de Carga No Presurizado (UCCAS). Las funciones principales del segmento de armazón P3 son proporcionar interfaces mecánicas, de energía y de datos a las cargas útiles unidas a las dos plataformas UCCAS; indexación axial para seguimiento solar, o rotación de los paneles para seguir al sol, a través del SARJ; movimiento y acomodaciones en el lugar de trabajo para el Transporter Móvil . La estructura principal P3/S3 está hecha de una estructura de aluminio de forma hexagonal e incluye cuatro mamparos y seis largueros . ^[11] El armazón S3 también soporta las ubicaciones de EXPRESS Logistics Carrier , las primeras en ser lanzadas e instaladas en el período de tiempo de 2009.

Los subsistemas principales de los módulos fotovoltaicos P4 y S4 (PVM) incluyen las dos alas del panel solar (SAW), el radiador fotovoltaico (PVR), la estructura de interfaz de unión alfa (AJIS), el sistema de fijación de armadura Rocketdyne modificado (MRTAS) y el conjunto de cardán beta (BGA).

Años más tarde, se agregaron iROSA 3 y 4 frente a los antiguos paneles solares 3A y 4A en las armaduras S4 y P4 respectivamente, y se agregó iROSA 5 frente al antiguo panel solar 1B en las armaduras S4 en diciembre de 2022 y junio de 2023 respectivamente.

Las armaduras P5 y S5 son conectores que sostienen las armaduras P6 y S6, respectivamente. La longitud de los conjuntos de armaduras P3/P4 y S3/S4 estaba limitada por la capacidad de la bodega de carga del transbordador espacial , por lo que estos pequeños conectores (3,37 m de largo) son necesarios para extender la armadura. La armadura P5 se instaló el 12 de diciembre de 2006, durante la primera EVA de la misión STS-116 . La armadura S5 fue puesta en órbita por la misión STS-118 y se instaló el 11 de agosto de 2007.

El armazón P6 fue el segundo segmento de armazón que se agregó porque contiene un gran ala de paneles solares (SAW) que generaba electricidad esencial para la estación, antes de la activación del SAW en el armazón P4. Originalmente estaba montado en el armazón Z1 y su SAW se extendió durante STS-97 , pero el SAW se dobló, una mitad a la vez, para hacer espacio para los SAW en los armazones P4 y S4, durante STS-116 y STS-117 respectivamente. La misión del transbordador STS-120 (misión de ensamblaje 10A ) separó el armazón P6 de Z1, lo volvió a montar en el armazón P5, volvió a desplegar sus paneles de radiador e intentó volver a desplegar sus SAW. Un SAW (2B) se desplegó con éxito, pero el segundo SAW (4B) desarrolló un desgarro significativo que detuvo temporalmente el despliegue alrededor del 80%. Esto se reparó posteriormente y el conjunto ahora está completamente desplegado. Una misión de ensamblaje posterior (la STS-119 fuera de secuencia ) montó la estructura S6 en la estructura S5, lo que proporcionó un cuarto y último conjunto de paneles solares y radiadores.

Años más tarde, se agregaron iROSA 1 y 2 frente a los antiguos paneles solares 4B y 2B en la armadura P6 y se agregó iROSA 6 frente al antiguo panel solar 1B en la armadura S6 en junio de 2021 y junio de 2023 respectivamente.

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  Armadura Z1 (arriba) y módulo Unity (abajo) de la STS-92 en octubre de 2000
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  La armadura S0 (arriba) de la misión STS-110 el 17 de abril de 2002
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  Instalación del elemento de armadura S1 de la ISS en la misión STS-112 el 10 de octubre de 2002
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  Instalación del elemento de armadura P1 de la ISS en la misión STS-113 el 28 de noviembre de 2002
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  El conjunto de armadura P3/P4 se instala durante la misión STS-115 el 13 de septiembre de 2006. Los astronautas dan escala a la imagen.
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  El conjunto de armadura S3/S4 recién instalado durante la primera EVA de la misión STS-117 el 11 de junio de 2007.
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  El brazo robótico Canadarm-1 del transbordador espacial Discovery entrega la sección de estructura P5 al Canadarm-2 de la Estación Espacial Internacional durante la misión del transbordador STS-116 en diciembre de 2006.
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  El transbordador espacial Endeavour se aproxima a la Estación Espacial Internacional durante la misión STS-118 con la sección de armadura S5 lista para ser instalada.
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  Vista EVA del marco de acero estructural
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  Fabricación de piezas finales de armadura S3 en Boeing en Huntington Beach

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  Estación Espacial Internacional el 5 de noviembre de 2007 después de la reubicación del conjunto de armazón P6 (extremo derecho) por parte de la misión STS-120
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  La estación espacial, mostrando el conjunto de estructura terminado (a marzo de 2009)

La principal fuente de energía de la Estación Espacial Internacional proviene de los cuatro grandes paneles fotovoltaicos fabricados en Estados Unidos que se encuentran actualmente en la estación, a veces denominados Solar Array Wings (SAW). El primer par de paneles está unido al segmento de armazón P6, que se lanzó e instaló en la parte superior de Z1 a fines de 2000 durante la misión STS-97 . El segmento P6 se ​​reubicó en su posición final, atornillado al segmento de armazón P5, en noviembre de 2007 durante la misión STS-120 . El segundo par de paneles se lanzó e instaló en septiembre de 2006 durante la misión STS-115 , pero no proporcionaron electricidad hasta la misión STS-116 en diciembre de 2006, cuando la estación recibió un nuevo cableado eléctrico. El tercer par de paneles se instaló durante la misión STS-117 en junio de 2007. Un par final llegó en marzo de 2009 en la misión STS-119 . Se suponía que habría habido más energía solar disponible a través de la Plataforma de Energía Científica construida en Rusia , pero fue cancelada. ^[11]

Cada una de las alas del panel solar tiene 34 m (112 pies) de largo por 12 m (39 pies) de ancho, tiene aproximadamente 1100 kg (2400 lb) de masa y es capaz de generar casi 30 kW de energía de CC . ^[12] Están divididas en dos mantas fotovoltaicas, con el mástil de despliegue en el medio. Cada manta tiene 16 400 células fotovoltaicas de silicio , cada una de las cuales mide 8 cm x 8 cm, agrupadas en 82 paneles activos, cada uno de los cuales consta de 200 células, con 4100 diodos . ^[11]

Cada par de mantas se dobló como un acordeón para su transporte compacto al espacio. Una vez en órbita, el mástil de despliegue entre cada par de mantas despliega el conjunto hasta su longitud máxima. Se utilizan cardanes , conocidos como Beta Gimbal Assembly (BGA), para rotar los conjuntos de modo que queden orientados hacia el Sol y proporcionen la máxima potencia a la Estación Espacial Internacional. ^{[ cita requerida ]}

Con el tiempo, las células fotovoltaicas de las alas se han ido degradando gradualmente, habiendo sido diseñadas para una vida útil de 15 años. Esto es especialmente notorio con los primeros paneles que se lanzaron, con los P6 y P4 Trusses en 2000 y 2006. Para aumentar las alas del P6 truss, en junio de 2021 y noviembre de 2022, la NASA lanzó cuatro de una versión ampliada del Roll Out Solar Array , en dos pares, a bordo de las misiones SpaceX Dragon 2 SpaceX CRS-22 , -26 y -28 . Estos paneles son más ligeros y generan más energía que los paneles existentes. Están pensados ​​para desplegarse a lo largo de la parte central de las alas hasta dos tercios de su longitud. El trabajo para instalar soportes de apoyo para los nuevos paneles en los mástiles del truss P6 fue iniciado por los miembros de la Expedición 64 . ^[13] El trabajo para instalar y desplegar los dos primeros conjuntos en los soportes P6 se ​​llevó a cabo con éxito durante tres caminatas espaciales por Shane Kimbrough y Thomas Pesquet de la Expedición 65. [ ^{14] [15] [16]} En noviembre y diciembre de 2022, los astronautas Francisco Rubio y Josh A. Cassada de la Expedición 68 instalaron el segundo conjunto de soportes y conjuntos, uno en cada uno de los armazones P4 y S4. ^{[17] [18] [19] [20]} En junio de 2023, los astronautas Stephen Bowen y Warren Hoburg de la Expedición 69 instalaron el tercer conjunto de soportes y conjuntos, uno en cada uno de los armazones S6 y S4. ^[21] Se instalará un conjunto final de conjuntos en los armazones P4 y S6 en 2025. ^[22]

La junta Alpha es la junta rotatoria principal que permite que los paneles solares sigan al sol; en funcionamiento nominal, la junta Alpha gira 360° en cada órbita (sin embargo, consulte también el modo Night Glider ). Una junta rotatoria Alpha Solar (SARJ) está ubicada entre los segmentos de la armadura P3 y P4 y la otra está ubicada entre los segmentos de la armadura S3 y S4. Cuando están en funcionamiento, estas juntas giran continuamente para mantener las alas del panel solar en los segmentos de la armadura exteriores orientadas hacia el sol. Cada SARJ tiene 10 pies de diámetro, pesa aproximadamente 2500 libras y se puede girar continuamente utilizando conjuntos de cojinetes y un sistema de control servo. Tanto en el lado de babor como en el de estribor, toda la energía fluye a través del conjunto de transferencia de servicios públicos (UTA) en el SARJ. Los conjuntos de anillos de rodillo permiten la transmisión de datos y energía a través de la interfaz giratoria para que nunca tenga que desenrollarse. El SARJ fue diseñado, construido y probado por Lockheed Martin y sus subcontratistas. ^[11]

Las juntas rotativas Solar Alpha contienen conjuntos de bloqueo de transmisión que permiten que los segmentos externos del ITS giren y sigan al Sol . Un componente de la DLA es un piñón que se acopla con el anillo de carrera que sirve como engranaje de toro . Hay dos anillos de carrera y dos DLA en cada SARJ que proporcionan redundancia en órbita, sin embargo, se requeriría una serie de caminatas espaciales para reposicionar los DLA y los conjuntos de cojinetes de arrastre (TBA) para utilizar el anillo de carrera alternativo. Se trajo un DLA de repuesto a la ISS en STS-122 . ^[23]

En 2007, se detectó un problema en el SARJ de estribor y en uno de los dos conjuntos de cardán beta (BGA). ^[24] El daño se había producido debido al desgaste excesivo y prematuro de una oruga en el mecanismo de unión. El SARJ se congeló durante el diagnóstico del problema y en 2008 se aplicó lubricación a la oruga para solucionar el problema. ^[25]

La unidad de derivación secuencial (SSU) está diseñada para regular de forma aproximada la energía solar recogida durante los períodos de insolación, cuando los paneles recogen energía durante los períodos de orientación solar. Una secuencia de 82 cadenas separadas, o líneas eléctricas, conduce desde el panel solar hasta la SSU. La derivación, o control, de la salida de cada cadena regula la cantidad de energía transferida. El punto de ajuste de voltaje regulado es controlado por una computadora ubicada en la IEA y normalmente se establece en alrededor de 140 voltios. La SSU tiene una función de protección contra sobretensión para mantener el voltaje de salida por debajo de los 200 V CC máximos para todas las condiciones de funcionamiento. Esta energía luego pasa a través del BMRRM a la DCSU ubicada en la IEA. La SSU mide 32 por 20 por 12 pulgadas (81 por 51 por 30 cm) y pesa 185 libras (84 kg). ^{[ cita requerida ]}

Cada conjunto de baterías, situado en las estructuras S4, P4, S6 y P6, consta de 24 celdas de batería de iones de litio ligeras y equipos eléctricos y mecánicos asociados. ^{[26] [27]} Cada conjunto de baterías tiene una capacidad nominal de 110  Ah (396 000  C ) (originalmente 81 Ah) y 4 kWh (14 MJ). ^{[28] [29] [30]} Esta energía se suministra a la ISS a través de la BCDU y la DCSU respectivamente.

Las baterías garantizan que la estación nunca se quede sin energía para sostener los sistemas de soporte vital y los experimentos. Durante la parte de la órbita bajo la luz del sol, las baterías se recargan. Las baterías de níquel-hidrógeno tenían una vida útil de diseño de 6,5 años, lo que significa que se reemplazaron varias veces durante los 30 años de vida útil esperados de la estación. ^{[31] [29]} Las baterías y las unidades de carga/descarga de baterías son fabricadas por Space Systems/Loral (SS/L), ^[32] bajo contrato con Boeing . ^[33] Las baterías de Ni-H2 en el armazón P6 fueron reemplazadas en 2009 y 2010 con más baterías de Ni-H2 traídas por las misiones del transbordador espacial. ^[30] Las baterías de níquel-hidrógeno tenían una vida útil de diseño de 6,5 años y podían superar los 38.000 ciclos de carga/descarga a una profundidad de descarga del 35%. Cada batería medía 40 x 36 x 18 pulgadas (102 x 91 x 46 cm) y pesaba 375 libras (170 kg). ^{[34] [29]}

De 2017 a 2021, las baterías de níquel-hidrógeno fueron reemplazadas por baterías de iones de litio . ^[30] El 6 de enero de 2017, los miembros de la Expedición 50, Shane Kimbrough y Peggy Whitson, comenzaron el proceso de conversión de algunas de las baterías más antiguas de la ISS a las nuevas baterías de iones de litio. ^[30] Los miembros de la Expedición 64, Victor J. Glover y Michael S. Hopkins, concluyeron la campaña el 1 de febrero de 2021. ^{[35] [36] [37] [38]} Hay varias diferencias entre las dos tecnologías de baterías. Una diferencia es que las baterías de iones de litio pueden manejar el doble de carga, por lo que solo se necesitaron la mitad de baterías de iones de litio durante el reemplazo. ^{[30] [29]} Además, las baterías de iones de litio son más pequeñas que las baterías de níquel-hidrógeno más antiguas. ^[30] Aunque las baterías de iones de litio suelen tener una vida útil más corta que las baterías de Ni-H2, ya que no pueden soportar tantos ciclos de carga y descarga antes de sufrir una degradación notable, las baterías de iones de litio de la ISS han sido diseñadas para 60.000 ciclos y diez años de vida útil, mucho más que la vida útil de diseño de las baterías originales de Ni-H2 de 6,5 años. ^[30]

El sistema de base móvil (MBS) es una plataforma (montada en el transportador móvil) para los brazos robóticos Canadarm2 y Dextre que los transportan 108 metros por rieles entre las estructuras S3 y P3. ^[39] Más allá de los rieles, Canadarm2 puede pasar por encima de la junta rotatoria alfa y reubicarse para agarrar los accesorios en las estructuras S6 y P6. Durante la misión STS-120, el astronauta Scott Parazynski montó en el sensor de la pluma del orbitador para reparar un desgarro en el panel solar 4B.

El primer segmento de armazón que se lanzó fue el Z1, que se montó en el mecanismo de atraque común cenital (en dirección opuesta a la Tierra) del módulo Unity . Le siguió el P6, que se montó encima (en el lado cenital) del armazón Z1. A continuación, se montó el armazón S0 encima del módulo Destiny . Los demás elementos del armazón se unieron secuencialmente a cada lado del S0. A medida que el armazón se acercaba a su finalización, el armazón P6 se ​​reubicó desde Z1 hasta el final del P5.

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  Diseño de armazón Z1
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  Diseño de armazón S0
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  Diseño de armazón P1/S1
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  Diseño de cerchas P3/4 / S3/4
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  Diseño de armazón P5/S5
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  Diseño de armazón P6/S6

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