太空如廁非易事:這個尷尬的難題至今困擾著航天員
2021年04月16日11:03
日本正研發一種工作原理很像高科技尿布的馬桶
日本正研發一種工作原理很像高科技尿布的馬桶

  中國空間站核心艙發射在即。根據規劃,今明兩年中國將通過11次任務完成空間站基本構型的在軌組裝建造,建好後屆時安排4個乘組共12名航天員執行飛行任務。

  由於在空間站中身體處於失重的狀態,航天員生活起居都不方便,尤其是如廁問題,即使是訓練有素的航天員,面對這個難題也很棘手。然而,對空間站設計者來說,這是一個嚴肅的科學問題。作為航天大國的美國、俄羅斯,此前為瞭解決航天員的如廁問題也煞費苦心。雖然投入了重金提高航天員如廁的便利度,但這個問題至今沒有得到很好的解決方案。

  撰文 | 龐之浩(全國空間探測技術首席科學傳播專家)

  責編 | 葉水送

  在太空生活中,最讓航天員感覺麻煩的事莫過於上廁所,因為航天員大小便用的太空馬桶與地面上的完全不一樣。由於載人航天器內是微重力環境,水不會往下流,因此太空不能使用抽水馬桶,而是使用抽氣馬桶。這種抽氣馬桶是世界上最貴的,價值上千萬美元。它是靠氣流將大小便帶走,使用這種馬桶時,屁股一定要跟馬桶的邊緣貼緊,使馬桶內完全密封。

  航天員使用的馬桶類似吸塵器

  太空中使用的抽氣馬桶類似打掃衛生用的吸塵器,但大小便是分開收集的。早期的抽氣馬桶比較簡易,它和一個塑料套相連,大小便後要快速關閉橡皮閥,使大便被氣流導入不透氣的橡皮口袋里,然後進入特製垃圾箱;尿被導入尿液儲箱。早期曾將裝滿後的廢物箱彈出艙外,但由於這種方法汙染空間環境,遭到非議,故早已廢止。

蘇聯聯盟號飛船上使用的大小便收集器
蘇聯聯盟號飛船上使用的大小便收集器

  為了使用方面,現代太空抽氣馬桶像陸地上的男衛生間一樣,分大便用和小便用2種。大便用抽氣馬桶的中央有一個直徑約10釐米的孔,孔內有一扁平滑片可以來回滑動,使孔打開或關閉。孔的下端裝有一台抽氣機,打開抽氣機後可從馬桶中抽氣,同時還使馬桶內的空氣發生顫動。空氣的顫動又可使大便中成形的部分碎裂,然後被抽進馬桶底部的收集袋中。抽氣馬桶的右側有一個銀白色的推拉開關,航天員在抽氣馬桶上坐好後,將開關向前推,中央孔內的滑片打開,抽氣機起動,排出的大便和臭氣被一同抽進大便收集袋內。大便拉完後,將銀白色的開關向後拉,中央孔關閉,抽氣停止。

  小便用抽氣馬桶的前端有一個漏鬥狀的適配器,適配器下端連接一軟管,軟管的另一端連有一個小的抽氣機,可以將小便收集和輸送到小便桶中。小便桶裝滿後(約3~4天),會自動將小便排放到艙外的宇宙空間或輸送到水處理裝置中處理,然後供航天員使用。雖然太空抽氣馬桶不分男女,但適配器則分男女。男用適配器是一個廣口的漏鬥狀物,女用適配器能與下體貼緊,以防小便濺出來。

美國航天飛機上的廁所。中間為便桶,前面連著灰色管子的是小便器。馬桶右側有干、濕擦巾,用於飛行期間的洗手和洗臉。左側牆壁上黑色的凸起物是毛巾掛鉤,以不同顏色表示不同的使用者
美國航天飛機上的廁所。中間為便桶,前面連著灰色管子的是小便器。馬桶右側有干、濕擦巾,用於飛行期間的洗手和洗臉。左側牆壁上黑色的凸起物是毛巾掛鉤,以不同顏色表示不同的使用者

  訓練太空“解手”技術

  在太空拉大便不是一件容易的事情,航天員必須經過專門的訓練,要將肛門對準中央孔把大便拉出來,否則大便就可能從馬桶中飄出來,在艙內到處亂飛,好像“天女散花”,成為一場災難。

  通過訓練,航天員一定要記住自己屁股與馬桶座部的相對位置。為了訓練航天員拉大便,美國約翰遜航天中心還專門設計了一個馬桶訓練器。在訓練器的馬桶內裝有一台電視攝像機,當航天員坐在馬桶上時,通過電視,可以看到自己的肛門是否對準中央孔。

 發射、太空行走時穿的太空紙尿褲
 發射、太空行走時穿的太空紙尿褲

  美國航天飛機的航天員在大小便時用一條束帶將人和坐便器固定緊,用特殊的裝置把大小便收集起來。如果大小便裝置發生故障時,可以用備用的大小便收集袋。航天飛機坐便器的大便收集貯存容器內,含有襯套、網套,並可與外太空真空相通,便後開閉相關的閥門後,可使便桶與外太空真空相通,將桶內的大便進行真空乾燥,並用旋轉式葉片壓實器定期壓實,以減少廢物的貯存空間。

“國際空間站”太空抽氣馬桶特寫
“國際空間站”太空抽氣馬桶特寫

  在美國航天飛機第12次飛行時,由於航天飛機上衛生間小便裝置出口處結上了冰,堵住了廁所,所以機上的6名(5男1女)航天員為此幾乎陷入困境。經請示地面指揮系統,他們決定除1名女航天員可以繼續使用原廁所外,其它5人一律使用備用的大小便收集袋進行大小便。這給航天員生活帶來極大的不便。他們最擔心的是怕把大小便弄到空間,因而處處小心翼翼。

太空廁所的小隔間
太空廁所的小隔間

  現在,航天飛機已有新型抽氣馬桶了。這種新型馬桶不僅更衛生、更可靠,而且造價低、存貯容量大。新型抽氣馬桶下方有一個圓筒,在航天員使用廁所前馬桶內就自動放置一個裝排泄物的塑料袋。用完廁所後塑料袋自動密封好,並有一個帶杠杆的活塞將塑料袋推到圓筒的底部。同時又自動更換上新的塑料袋,以備下一次使用。當圓筒裝滿大便袋後,自動換上新的圓筒。圓筒上有密封裝置,臭氣不能發散出來,因此更衛生和實用。

“國際空間站”衛生間全貌。在該站上共有兩個,一個常用和一個備用
“國際空間站”衛生間全貌。在該站上共有兩個,一個常用和一個備用

  2009年7月19日,“國際空間站”上的常用廁所發生故障,其原因是用來衝馬桶的約6升水可能錯誤流入(廁所)分離器以及其他地方,結果導致空間站和美國奮進號航天飛機共13名航天員面臨“如廁難”問題。為此,6名空間站航天員暫時使用備用廁所,奮進號7名機組成員暫時使用航天飛機上的廁所。

2009年7月,“國際空間站”的廁所泵分離器進水出現故障,導致6位空間站航天員和7位奮進號航天飛機到訪航天員共同使用一個美方廁所,或者提出要求才可使用俄方廁所
2009年7月,“國際空間站”的廁所泵分離器進水出現故障,導致6位空間站航天員和7位奮進號航天飛機到訪航天員共同使用一個美方廁所,或者提出要求才可使用俄方廁所

  航天員需要方便時,只需要將馬桶上的塑料軟管緊貼到排泄器官上,馬桶內的抽氣設備將會把航天員的大小便收集到一個固定的容器里。小便也許比較簡單,但大便就不太容易了。根據美國和俄羅斯航天員的經驗,在無重力的環境里人體內的腸子漂浮著,內臟並不能正常工作,許多人從太空馬桶上下來時經常喃喃自語:“又失敗了。”

太空用的糞便袋
太空用的糞便袋

  中國造太空衛生間

  中國太空第一人楊利偉在太空飛行的近一天中,始終沒有使用廁所,只攜帶了“尿不濕”,即航天服里有一個類似於“尿不濕”的小便收集裝置,通過吸水材料把小便變成絮狀的固態物,並且能除臭。

  不過,由於神舟6號飛船在太空飛行了5天,所以廁所成為了航天員在太空生活的必備品。在神舟6號飛船的軌道艙里安裝了一個大小便收集器,它吸收了聯盟號飛船廢物收集系統的技術經驗,採用半自動的廢物收集和處理系統,由廢物收集筒、尿液貯箱、收集裝置支、應急小便收集器、管組件、除臭裝置、大小便收集裝置、廢物殘渣收集袋包等組成。

“神舟”飛船的大小便收集器
“神舟”飛船的大小便收集器

  其中的大小便收集裝置上有兩根管子分別用來對準大便和小便器官,能夠強力吸走排泄物。大小便訓練是神舟6號航天員訓練的一個內容。這麼看似簡單的訓練要經過3個階段:理論上瞭解、學習設備操作、實際體驗。

  在神舟6號上,航天員使用廁所就如同是在騎馬。該廁所由2個和身體接觸的小口容器、1根長管子以及一個尿液收集容器、1個垃圾桶和1個抽風裝置組成。廁所上與身體接觸的2個裝置的形狀與人的體形非常相似,它們分別在大便和小便時使用。

  為使糞便不易飛出來,大便時使用的裝置直徑只有10釐米左右,而小便裝置的直徑有5釐米左右。它們的下面被安裝了1根長管,通向尿液的收集容器。使用時航天員需要用手抓住兩個裝置下面的長管子,並通過對管子用力,使整套裝置貼緊身體。

尿收集器的適配器
尿收集器的適配器

  其樣子看起來就像倒過來拿著1個皮揣,捅向自己的身體。航天員排泄小便之後,排泄物將隨著管子向下進入收集容器。而大便排泄物還留在與航天員身體接觸的裝置里,裡面有特製的大便帶,航天員需要用手將其取出,直接扔進垃圾桶。

  由於太空中飛船會處於失重環境,飛船中任何沒有密閉的東西都有可能四處漂浮。因此,航天員在使用廁所前,要首先打開位於整套裝置最末端的抽風機,這樣整個裝置都保持向內抽風的狀態,排泄物一旦和人體分離,會立即向下運動。排泄物就不會因為失重,而散落到裝置以外。所以,它要經過一番訓練才能使用。據瞭解,對於航天員來說,整套如廁裝置比較簡單,使用起來並不費力,他們只要坐準把口封死就行。

 “神舟”飛船的半自動廢物收集和處理系統
 “神舟”飛船的半自動廢物收集和處理系統

  “神舟”飛船的航天服內設置了直接接觸式小便收集袋和大便收集裝置,這些裝置可以像短褲那樣穿在身上,用於身著航天服的航天員在飛行階段收集大小便。飛船艙內還設置了廢物收集軟袋,用於收集其他固體廢物。

  需要注意的是,太空中放屁也得小心,因為其反作用力可能會把人推走,而且還會汙染航天器座艙中的環境。屁中的氫和甲烷等成分還是可燃氣體,嚴重時可引起爆炸,因此必要的時候最好到廁所里解決,看來在太空裡只好忍一忍了。

  新一代太空廁所

  2020年10月2日,美國用“天鵝座”貨運飛船把1個叫“通用廢物管理系統”的新型太空馬桶送往“國際空間站”,以方便航天員們上廁所。其研製始於2014年,花6年多時間,耗資2300萬美元,約合1.6億元人民幣,堪稱史上最貴馬桶。

新一代太空馬桶:通用廢物管理系統
新一代太空馬桶:通用廢物管理系統

  新型太空馬桶重45公斤,高71釐米,它的尺寸比目前在空間站使用的馬桶體積減少了65%,重量降低了40%,減少了對空間站寶貴空間的佔用,可以集成到不同航天器的生命維持系統中。為了確保不會亂飄,新型太空馬桶採用的是3D打印的鈦合金風扇分離器,可以產生強大的吸力將尿液和便便吸入馬桶。

  新型太空馬桶的尿液回收效率提升了,處理之後可以轉變為飲用水的比重增加了。其尿液淨化功能是通過尿素生物反應器電化學系統來實現的,能將尿液中的尿素有效地轉化為氨,然後將氨分解為水和能量。這種將航天員排出的尿液進行循環利用、過濾淨化得到的純淨水,據悉比地球上任何水都要幹淨。

  與舊太空馬桶所相比,新型太空馬桶還有一個新的特點,即打開馬桶蓋後,氣流會自動啟動,從而控制異味的擴散。同時,它更符合人體工程學設計,鈦合金材料大大提高了馬桶的耐腐蝕性和耐久性,從而節省了更多的清潔和維護時間,使航天員能夠將更多的精力投入到科研和探索任務中。

美國航空航天局用2300萬美元重金打造的太空馬桶
美國航空航天局用2300萬美元重金打造的太空馬桶

  新型太空馬桶的另一個特點是它對女性航天員更加友好。它可以坐在馬桶上排便,用異形漏鬥和軟管吸尿,而舊廁所只能單獨進行。

  在太空中進行水的循環利用可以大大降低經費,因為每年向“國際空間站”提供2200升飲用水的運輸費用高達2200萬美元,而且空間站儲存飲用水的空間有限。此外,如果人類想離開近地軌道,進一步探索星際空間,補給將更加困難。新型太空馬桶的設計目標是在人類前往火星之前實現98%的液體回收率,所以先運到“國際空間站”進行試驗。

  太空廁所還需改進

  2007年,美國曾斥資1900萬美元從俄羅斯訂購了一個太空馬桶,並表示這比自己研發的更划算,但它卻成了許多航天員的噩夢,有時航天員要用手抓住漂浮在空中的糞便。

早期研製的耗資2.5億美元的太空廁所
早期研製的耗資2.5億美元的太空廁所

  目前,“國際空間站”上的兩個廁所都是採用氣流吸出排泄物,通過旋轉扇葉將固體廢物分散在容器中,比起過去已經有很大進步,但如廁時依舊不容易,因為太空馬桶的開口只有我們日常使用的1/4,要瞄準並不容易。因此空間站專門在馬桶旁安裝了一個模擬馬桶供宇航員練習,這個模擬馬桶開口內置了一個鏡頭,坐上去後能通過旁邊的顯示器觀察你是否對準。方便之後,航天員還要拿一塊鏡子照照後面,看看是否還有不應該出現的東西遺留在身後。

蘇俄和平號空間站上的太空馬桶
蘇俄和平號空間站上的太空馬桶

  當太空馬桶失靈,帶來的不只是衛生問題,甚至會威脅到航天員的健康。美國已在空間站廁所中發現對抗生素具有高耐藥性的細菌菌株,它們有可能會進化成致病細菌,導致宇航員患病。

 俄羅斯航天帕達爾卡曾向媒體報怨,他在“國際空間站”工作期間,被告知不得使用美國艙段的衛生間
 俄羅斯航天帕達爾卡曾向媒體報怨,他在“國際空間站”工作期間,被告知不得使用美國艙段的衛生間

  為了設計出更好的太空馬桶,2020年 6月,美國還啟動了一項“月球廁所挑戰賽”的活動。面向全球徵集“月球廁所”的設計方案,用於 2024 年的登月計劃。它必須滿足多項設計要求,比如同時在微重力和月球重力環境下正常運作、兼容男性和女性使用者、可同時排尿和排便等。

  目前,最大的困難時在太空行走時如何如廁,因為在太空中排出的大便與航天員身體接觸的時間太長,有可能導致感染或膿毒症。美國航空航天局曾舉行過“太空大便挑戰賽”,以尋求最佳辦法,來自“幾乎地球上每個國家”的總共1.9萬名參賽者組成的150多支隊伍提供了5000多種解決方案。

  據悉贏得這一比賽的是美國軍醫卡登,他利用自己在微創手術方面掌握的知識研發了一套系統。他的設計理念是在太空服襠部加個小氣密艙,像導管和充氣便盆這樣的東西可以通過這裏。他由此獲得了1.5萬美元的獎金。

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