題:
為什麼國際空間站的呼吸氣氛是標準氣氛(在1個大氣壓下含氮)?
Nick T
2014-10-24 09:56:18 UTC
view on stackexchange narkive permalink

國際空間站的維基百科頁面說,它具有與地球相當的海平面大氣:氧氣含量為21%,氮平衡為101.3 kPa。據推測,這是因為像在阿波羅1號災難中那樣,純氧環境很危險,但是在這種情況下,“純氧”意味著O 2 sub>的大氣壓。看起來像是純淨的,0.21 atm O 2 sub>氣氛(甚至更低),沒有惰性平衡氣體,對人們來說應該是很好的選擇,並且對結構的要求降低了約80%。

一個奇怪的方面可能是沸點有效降低至60°C,但我不確定是否有人會在上面煮沸水來沏茶。我的推測是,這並不是出於安全或人為原因,而僅僅是為了使ISS實驗與地球上的實驗更加相似(並且直接比較,除了微重力環境外)。我在考慮什麼嗎?

切線:[blog post](http://www.extremetech.com/extreme/191862-the-first-mars-one-colonists-will-suffocate-starve-and-be-incinerated-according-to-mit)和論文:[對火星一項任務計劃的技術可行性進行獨立評估](http://web.mit.edu/sydneydo/Public/Mars%20One%20Feasibility%20Analysis%20IAC14.pdf)。注意有關“消防安全閾值”的內容。當然,國際空間站不必擔心自己種植食物(從而*產生*氧氣...仍然是一個有趣的主題讀物)。
[此頁面](http://www.projectrho.com/public_html/rocket/lifesupport.php)上有很多有趣的信息,尤其是[此圖像](http://www.projectrho.com/public_html/rocket/images/ lifesupport / atmchart.jpg)部分駁斥了Rory。大約3-9 psia的100%O2在生理上是安全的(假設您已經從血液中吸收了氮氣)。但是,其他問題仍然存在。
這是有關各種約束的深入文章。 http://spaceflightsystems.grc.nasa.gov/repository/NRA/cr-2005-213689.pdf我注意到,簡單的冷卻限制要求強制最低7.35psi。
人體取決於絕對氧氣含量,這意味著壓降需要增加氧氣含量,物質的燃燒能力取決於相對的大氣成分:0.3 bar時100%的氧氣產生火災的危險僅比1bar時小得多,而更高而不是21%的O2-N2混合物。換句話說,即使降低了壓力,增加氧氣含量也會大大增加著火的危險。
在數天和數週的時間內進行1或什至1.15 atm的純氧呼吸都是不健康的,請參閱https://en.wikipedia.org/wiki/Oxygen_toxicity#Lung_toxicity,因此氧氣的分壓應小於0.5 bar。
七 答案:
David Hammen
2014-10-24 20:46:11 UTC
view on stackexchange narkive permalink

我不考慮什麼嗎?

是的。您沒有考慮Mir,聯盟號和航天飛機。

國際空間站是一項由美國和俄羅斯共同領導的跨國計劃。儘管美國和俄羅斯不得不在許多設計決策上做出折衷,但呼吸氣氛的構成並不是其中之一。將ISS加壓到標準的氮氣和氧氣混合壓力到大氣中的決定,可能是兩國達成的最簡單的設計決定之一。和平號空間站,聯盟號太空艙和航天飛機都被加壓到一個大氣壓。要使ISS呼吸氣氛成為一種標準氣氛,就需要對Soyuz膠囊和Shuttle進行大範圍的重新設計,並排除了Mir環境控制系統的重複使用。無論是壓力還是成分,米爾,聯盟號和航天飛機的呼吸氣氛都是標準的氣氛。減壓,純氧環境具有明顯的優勢。這樣的環境減少了航天器的質量,結構完整性問題和復雜性。純氧氣環境消除了攜帶氮氣罐的需要,消除了對氧氣/氮氣混合物進行仔細監測的需要,並消除了彎曲(減壓病)的可能性。減壓意味著航天器的體積也可以減少一些。還有其他優點,特別是在EVA方面。蘇聯和美國最初都計劃使用純氧氣呼吸氣氛。

水星,雙子座和阿波羅的呼吸氣氛都是純氧氣。阿波羅1號火修改了達到純氧氣氛的方式,但發射後不久呼吸氣氛轉變為純氧並沒有改變。與純氧呼吸氣氛有關的問題使NASA轉向在Skylab呼吸氣氛中添加一些氮氣,但數量不多。 Skylab的呼吸空氣是75%的氧氣,25%的氮氣。阿波羅號航天器一直使用純呼吸氣氛,一直持續到最後,這給阿波羅-聯盟號飛行任務提出了挑戰。上。瓦倫丁·邦達連科(Valentin Bondarenko)在尤里·加加林(Yuri Gagarin)的歷史性飛行前三週,在純氧氣中死亡。具有標準的氣氛混合可大大降低火災的可能性和嚴重性,並且還大大簡化了發射前的過程。純氧氣氛需要大量的預呼吸才能從血液中清除氮氣。標準的氣氛意味著宇航員無需戴頭盔就可以進入太空艙,生理上他們已經準備好出發了。

NASA最終也吸取了這些教訓。航天飛機使用了標準大氣。唯一合理的決定是在ISS中保持標準氛圍。

氮氣罐有什麼用?氮消耗在哪裡?它們只是用於保持精確組成的小型水箱嗎?
@DaveNay-國際空間站有洩漏。用於從呼吸氣氛中除去CO2的機制將CO2濃縮並將濃縮的氣體排放到太空中。排出的氣體不是純二氧化碳。它仍然包含一些氧氣和氮氣。模塊之間的接頭洩漏呼吸空氣。窗戶周圍的微小縫隙洩漏了呼吸氣氛。氧氣易於更換;只需電解一些水並將氫排放到太空即可。氮?那不是那麼容易。需要將其作為壓縮氮氣運至ISS。聯盟號的大多數發射將氮氣帶入國際空間站,這是其清單的一部分。
減壓,純氧環境可節省多少質量?
您是否能夠將氮作為N2H4(肼)攜帶?甚至不需要電解。實際上,燃料電池可以從中產生氮和電。作為附帶好處,它也可以用於推進器。另外,為什麼還要麻煩更換氮氣呢?即使預發布的好處證明在標準氣氛下進行發布是合理的,但似乎並不能證明保持標準氣氛是合理的。對於回程,您可能可以在走下的路上對聯盟號加壓。
@MSalters-美國和俄羅斯都以壓縮氮氣的形式攜帶它。肼和人不要混在一起。該燃料電池中的洩漏(沒有洩漏)將非常危險。國際空間站上沒有燃料電池。電力來自太陽能電池板和電池。如果國際空間站是純氧氣,則機組人員需要進行長時間的預呼吸才能從聯盟號(以前是航天飛機)轉移到國際空間站。將國際空間站保持在地麵條件下可簡化人員的調動,但會使環境控制,生命維持和艙外活動變得複雜。
@smci-國際空間站呼吸氣氛中的氮含量約為840千克。那是冰山一角。儲罐,管道和生命維持設備的重量增加了。氣閘也比在純氧氣氣氛中所需的氣閘更複雜,因此更大。實際上,隨著太空行走的到來,氣閘轉變為純氧。
@DavidHammen:您可能想將肼存儲在外面。它確實具有劇毒,但如果需要,您可以排放到太空。至於預呼吸,您需要整個旅程。從潛水員上下的速度來看,清除0.8 atm的N2似乎是可行的。
@MSalters-時期,您可能不想這樣做。關於國際空間站呼吸氣氛的構成,該協議已接近國際條約。
“ Skylab呼吸的空氣是75%的氧氣,25%的氮氣”,這非常有趣。假設總壓力約為1 / 3atm,以使O2的分壓保持在其地球上的約0.2atm的水平,以避免O2毒性,對嗎?這表明,呼吸合適的O2濃度的低壓氣氛的任何長期效果都非常緩慢,無法顯示出來。
@WetSavannaAnimalakaRodVance-是的。 Skylab 4為期84天。在將宇航員送往美國第一個太空站之前,NASA對動物和人類進行了低壓呼吸混合測試。
-1。邦達連科沒有在沃斯托克1號死前3個月死亡。
我們並不都生活在海平面上。科羅拉多州丹佛市的居民住在上方一英里處;噴氣式飛機爬升到巡航時,過渡到大約7,000-8,000英尺的機艙高度(僅對周圍空氣加壓)。他們不維護海平面壓力艙,因為它減輕了結構載荷,使​​機身更輕。那麼,為什麼航天器和/或國際空間站不使用類似的“高海拔”內部環境呢?
@DrZ214-大約一年後解決此問題。
@AnthonyX-飛機機艙壓力小於海平面壓力使飛機製造商可以使機身比在一個大氣壓下對機艙加壓的情況要輕一些。這不適用於進行發射和著陸並且之間處於真空狀態的載人航天器。發射和著陸的壓力高於維持一個大氣壓艙壓力的壓力。
@DavidHammen如何與在阿波羅使用〜3psi機艙的決定相一致?它是由登月艙驅動的嗎?據我了解,由於努力減輕重量,LM相對較脆弱。
@DavidHammen重量在航天器中要重要得多,因為航天器每磅要花費數万美元。首先,應根據可安全呼吸的空氣選擇機艙壓力。他們沒有使壓力過大的主要原因是飛機在其使用壽命中經歷了數千次循環。上升/下降的循環使機艙略微膨脹和收縮,造成金屬疲勞,從而限制了使用壽命。相比之下,航天器/氣閘需要更少的周期,而邦達連科/阿波羅災難促使人們使用正常的空氣。
您必須記住,肼不會乾淨地分解為H2和N2,僅此而已。有很多劇毒的副產品。
@DavidHammen氧氣毒性是氧氣濃度或分壓的結果嗎?
TildalWave
2014-10-24 17:33:17 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Rory提到了氧化速率這是一個很好的觀點,但是還有其他原因不能使ISS大氣保持較低的壓力-熱對流和空氣循環。大約一個大氣壓下的壓力意味著車站的通風系統工作得更好,並且不會積聚二氧化碳甚至一氧化碳,這對宇航員來說是危險的。空氣更易於回收/補充,並與氧氣(水的電解)和從其中除去的碳氧化物(薩巴鐵反應)混合。通風系統在較高壓力下也能更可靠地工作,並且各部件在故障之間的使用壽命更長。宇航員/宇航員還在太空站上進行了大量鍛煉,以消除長時間停留在微重力中對人體的不利影響,因此氣壓還有助於他們散發過多的體內熱量。過熱會對身體造成壓力,降低性能並可能致命。而且他們也使用各種需要空氣冷卻的設備,這肯定會使生物學實驗複雜化,甚至使結果無用。

運輸到車站的氮氣也相對便宜,因為它在生活支持系統中並不是真正的消耗品,並且由於效率低下而僅以極低的比率損失,並且還用於車站上的所有其他各種活動以及拜訪航天器(淨化大氣,無毒滅火劑,儲罐中的殘量氣體以提供流體/氣體壓力等)。因此無論如何它將被交付給該站。但是從理論上講,如果從物流的角度來看可行,則可以用其他惰性和無毒氣體(例如Argon)代替它。尤其是如果他們出於某種原因決定將大氣壓力保持在大大增加的壓力下,那麼在那兒可能會出現氮營養不足的問題。但是他們不會那樣做,沒有充分的理由,而且如果不危險地關閉其維持壓力的能力而不使其失去空間,該站可能無法在結構上為它提供支持。

您鏈接的有關血液氧合的文章明確地反复提到了分壓,從基本化學的觀點來看,分壓是任何化學反應/平衡(包括您提到的洗滌)中所有重要的事情。我對您的“空氣混合”主張表示懷疑。不過,冷卻問題(增加設備的蒸發量與增加汗液的人員相比,以及增加對流率/減少與空氣的對流/傳導將減少蒸發率)似乎是一個有趣的觀點。
氮氣的熱質量與其他氣體相比如何?每交付一公斤的成本怎麼樣(所有氣體都需要某種容器來保持液態,但有些可能需要比其他容器更重的容器)。
@supercat您是指氮的比熱容嗎?請參閱此表http://www.engineeringtoolbox.com/specific-heat-capacity-gases-d_159.html。該表列出了與ISS大氣壓和溫度緊密匹配的值。分子氮(在1個大氣壓和20°C的溫度下)的比熱容略高於一氧化碳,幾乎是氬氣的兩倍。略高於標準大氣。運送到該站的每千克成本將幾乎相同,氮氣和氬氣都易於作為惰性氣體存儲,並且不難處理。但是無論如何,您都必須提供氮氣。
-1
@supercat哦,這本身就是一門科學。例如,解離溫度如果太低,則可能導致某些氣體或液體不適合用作滅火劑,因為它可能引起爆炸。例如,正是出於這個原因,在大多數情況下,水在任何情況下都無法與火打交道。還有其他特性,例如粘度,熱慣性(與特定的熱容量有關,但在體積上,並描述熱導率),...恐怕不是我的領域。我所知道的是,它很複雜,並且使用已知的知識更容易工作。
@TildalWave:還算公平。長期存在的生物安全氣體數量不多。我知道潛水員會連續使用氦氣數週,並且希望氖氣或氬氣相對安全。然而,在沒有人知道什麼是氮的情況下,長期以來一直認為呼吸空氣中的氮分壓為0.8atm是安全的。如果它的熱慣性比稀有氣體好,那就更好了。
-1
Rory Alsop
2014-10-24 15:07:28 UTC
view on stackexchange narkive permalink

在0.21的純氧氣氣氛下運行不會很健康。人類需要在“正常”範圍內合理的大氣壓力才能正常運行(氣體跨膜運輸),即使在較低的壓力下,純淨的氧氣氣氛仍會爆炸。

使用氮氣

正如您所指出的那樣,它確實允許在類似地球的條件下進行實驗(如果我們排除了整個重力的話……),但是畢竟,很多實驗都是在有意地非地球條件下進行的,或者是在有自己大氣的密閉微環境中進行的。

Mercury,Gemini和Apollo程序都使用了減壓純氧氣氛。阿波羅1號的火力使NASA改變了獲得純氧氣氛的方式,但並未改變發射後不久呼吸氣氛變成純氧的事實。 Skylab的呼吸氣氛為75%的氧氣,25%的氮氣。宇航員通過呼吸這種“不健康的”混合物存活了84天。
作為一名潛水員,似乎有疑問,聲稱0.21 atm的O2有或沒有任何惰性成分會有所不同。我們被告知1.4-1.6 atm的氧氣非常糟糕,無論混合氣體中有其他哪種氣體,氧氣的“部分氧氣壓力”都至關重要。您是否有任何要求的鏈接?
大衛(David)-是的,這些任務確實做到了,由於飛行前和安全方面出現的問題,他們停止這樣做了。
使用稀釋氣體也存在不利的安全和操作問題。關於在1/5大氣壓下的純氧氣氛是“不健康的”,需要引用。我看了。沒有這種運氣。我還尋找使Shuttle傾向於使用標準氣氛的貿易研究。我也找不到。我發現許多行業研究聲稱可以證明在Mercury,Gemini和Apollo上使用純氧氣氛是合理的。
關於航天飛機,我懷疑推動這一決定的是發射前和著陸後的問題,而不是在軌問題。純粹的氧氣氣氛(甚至是Skylab風格的混合物)“不健康”,這似乎是虛假的。
我從來沒有說過純氧氣氛不健康。參見句子2 :-)
-1純氧不具有爆炸性。
注意:我不是反對者之一。我不同意這個答案,但不足以否決它。如果您對答案不滿意,唯一有禮貌的事情就是發表評論,說明原因。
@Mehrdad:當然,如果沒有任何反應,純氧本身就不會爆炸。這是你的意思嗎?問題是,給定一種燃料來源,在1.01個大氣壓(兩種情況下,O2的分壓相同)下,純氧氣在0.21個大氣壓下是否會比21%的氧氣和79%的氮氣有更大的爆炸危險。我不知道答案。
@KeithThompson:我的意思是說氧氣不是爆炸性的。另一方面,氫是。
@Mehrdad:氧或氫本身都不是爆炸性的*(忽略聚變)。除非“爆炸性”的含義限於“可能在氧氣存在下爆炸”。
@KeithThompson:怎麼樣一些更實用的事情,例如“在有常見元素的氧氣存在下會爆炸”?畢竟,如果您周圍沒有反應的物質,就不要將物質稱為“爆炸性物質”。我想在這裡提出一個非常實際的觀點,而不是試圖用化學方法來分裂頭髮。比較一下如果它們在其餘的1atm壓力下充滿(1)氧氣,(2)氮氣和(3)氫氣會發生什麼。前兩個不會導致“爆炸性”氣氛。第三個會。我認為,應該很容易理解我的意思。
-1
@NickT 1.4-1.6 atm的氧氣非常糟糕,這只是事實的一部分,超過0.5 atm的純氧氣也可能不健康,請參閱https://en.wikipedia.org/wiki/Oxygen_toxicity#Lung_toxicity。但是潛水員好幾個小時都不會呼吸純氧。
@Uwe被“嚴重損壞”,我的意思是您會立即發作。因此,我含糊地暗示您需要計算所選氣體混合物(空氣,EAN,Trimix)在多大深度(壓力)下可能會遇到某些氣體的某些分壓:該百分比無關緊要。
supercat
2014-10-25 00:36:05 UTC
view on stackexchange narkive permalink

當物體在80%的氮氣和20%的氧氣的氣氛中燃燒時,氮氣將吸收大量產生的熱量,而無助於燃燒。儘管完全有可能其他氣體比氮氣更好(例如,每摩爾熱質量更高,從而具有更好的滅火特性,或者在較低密度下具有可比的熱質量,從而降低了有效載荷的重量),但氮氣具有人類所不能承受的優勢生物可以長時間呼吸80%的濃度(在標準大氣壓下)而不會產生不良影響。

Thomas Pornin
2014-10-24 19:08:17 UTC
view on stackexchange narkive permalink

低壓可能意味著減壓病。維持足夠的O 2 sub>是不夠的;當整體壓力下降時,溶解在血液中的氣體(尤其是氮氣)重新獲得自由,並形成氣泡。
鑑於將活人送入軌道所付出的代價,首先將他留在軌道上不是很合理減壓室幾天;在國際空間站中維持這樣一個房間也將佔用大量空間,這是那裡的稀缺資源。另外,也可以在飛行前進行減壓,這在技術上具有挑戰性(在飛行前階段必須始終將船舶保持在低壓狀態)。

通過“預呼吸”解決了阿波羅DCS的問題,即讓宇航員在發射前呼吸純O 2 sub>半小時。而且,更普遍地說,是假設宇航員是強壯的傢伙,他們可以吸收它。 仍然存在一些問題,這可以解釋為什麼航天飛機和國際空間站使用“正常”空氣。

嚴重的是,國際空間站上的一些實驗涉及活體(例如小動物) )不一定能承受低壓;結果會有偏差。除非再次使用壓縮室。

我認為可以通過將宇航員置於O2和He混合的氣氛中,然後讓他們在運載火箭中呼吸這樣的氣氛來實現氮淨化。雖然提前呼吸的要求意味著不能在短時間內通知宇航員,但我認為這不必縮短宇航員前往太空的時間。
您不僅應該閱讀https://en.wikipedia.org/wiki/Decompression_sickness,還應該閱讀https://en.wikipedia.org/wiki/Altitude_sickness。 DCS對於珠穆朗瑪峰的登山者來說不是問題,但高原反應確實是這樣。低壓不會導致DCS,但是當血液和組織中的氮溶解過多時,壓力會突然下降。我刪除了有關DCS和Everest的錯誤句子。
David Kay
2014-10-26 02:23:21 UTC
view on stackexchange narkive permalink

設計更簡單,因為事物的行為類似於地球,並且發生嚴重錯誤的機會更少。

要添加到已經提到的內容中-減少過熱問題,減少火災危險...較低的氣壓也會降低水的沸點。不必從地球表面過渡到不同的大氣環境也更簡單。

背面-結構是氣壓的幾倍,不需要氮氣和平衡氮氣,進行太空行走更困難且更耗時-在宇航服中,他們使用低壓純氧類型的氣氛,有更多的減壓病(血液中有氮沸騰)的危險,實際上,如果大氣中只有氧氣和二氧化碳,則更容易除掉二氧化碳。 ...

由於這種原因,永久性的空間殖民地可能會像您建議的那樣使用大氣...有多種適應方法,例如,如果過熱是一個問題,那麼您可以降低棲息地的溫度,例如5攝氏度比20度有時您希望減少熱量散發-意味著您需要更少的食物和更少的氧氣燃燒,新陳代謝會減慢。殖民地可能會不斷產生來自屋頂的風/氣流,並進入地板的孔洞,這是一種幫助您以零重力停留在地面上並解決諸如灑落液體之類的問題的方法,也可以幫助您避免過熱。 p>

但是人們並沒有那麼認真地考慮長期的“殖民地”……如果他們有一個使用植物或類似物將二氧化碳再循環為氧氣和食物的系統,而不必花費大量的時間來運送維持宇航員生命的消耗品...當前的系統適用於少數宇航員,但對於100或1000人的殖民地來說,將是不可持續的/過於昂貴。典型的人,尤其是政府中的人,不會冒險/做一些不同的事情,因為您因失敗而遭受的痛苦要比嘗試做更新/更好的事情所希望獲得的更多。

Space Nut
2018-03-15 21:52:20 UTC
view on stackexchange narkive permalink

請考慮人類以多種方式“排氣”,並且該過程隨著環境壓力的降低而增加。當我們排出產生的過量氣體時,它們會與環境中可用的大量現有氣體混合。如果您在較低的壓力下運行,那麼“排氣”將對現有氣體量產生更大的影響。 NASA並未宣傳這一事實,但您可以打賭,它在一個大氣層上已經足夠在ISS上成熟。清除這些污染物需要花費時間,並且在較高壓力下的處理效率更高。

與國際空間站有關的任務比過去長期存在得多,而且環境的累積影響有更多的機會擴大這種影響。

>

這聽起來更像是評論,而不是答案-您沒有對* why *問題標題做出回應。
@JanDoggen:似乎是故意的部分答案,僅考慮了低壓氣氛的一個困難,但是部分答案不是註釋,不需要刪除。


該問答將自動從英語翻譯而來。原始內容可在stackexchange上找到,我們感謝它分發的cc by-sa 3.0許可。
Loading...