太空如厕非易事:这个尴尬的难题至今困扰着航天员

中国空间站核心舱发射在即。根据规划,今明两年中国将通过11次任务完成空间站基本构型的在轨组装建造,建好后届时安排4个乘组共12名航天员执行飞行任务。

由于在空间站中身体处于失重的状态,航天员生活起居都不方便,尤其是如厕问题,即使是训练有素的航天员,面对这个难题也很棘手。然而,对空间站设计者来说,这是一个严肃的科学问题。作为航天大国的美国、俄罗斯,此前为了解决航天员的如厕问题也煞费苦心。虽然投入了重金提高航天员如厕的便利度,但这个问题至今没有得到很好的解决方案。

撰文 | 庞之浩(全国空间探测技术首席科学传播专家)

责编 | 叶水送 

在太空生活中,最让航天员感觉麻烦的事莫过于上厕所,因为航天员大小便用的太空马桶与地面上的完全不一样。由于载人航天器内是微重力环境,水不会往下流,因此太空不能使用抽水马桶,而是使用抽气马桶。这种抽气马桶是世界上最贵的,价值上千万美元。它是靠气流将大小便带走,使用这种马桶时,屁股一定要跟马桶的边缘贴紧,使马桶内完全密封。

航天员使用的马桶类似吸尘器

太空中使用的抽气马桶类似打扫卫生用的吸尘器,但大小便是分开收集的。早期的抽气马桶比较简易,它和一个塑料套相连,大小便后要快速关闭橡皮阀,使大便被气流导入不透气的橡皮口袋里,然后进入特制垃圾箱;尿被导入尿液储箱。早期曾将装满后的废物箱弹出舱外,但由于这种方法污染空间环境,遭到非议,故早已废止。

为了使用方面,现代太空抽气马桶像陆地上的男卫生间一样,分大便用和小便用2种。大便用抽气马桶的中央有一个直径约10厘米的孔,孔内有一扁平滑片可以来回滑动,使孔打开或关闭。孔的下端装有一台抽气机,打开抽气机后可从马桶中抽气,同时还使马桶内的空气发生颤动。空气的颤动又可使大便中成形的部分碎裂,然后被抽进马桶底部的收集袋中。抽气马桶的右侧有一个银白色的推拉开关,航天员在抽气马桶上坐好后,将开关向前推,中央孔内的滑片打开,抽气机起动,排出的大便和臭气被一同抽进大便收集袋内。大便拉完后,将银白色的开关向后拉,中央孔关闭,抽气停止。

小便用抽气马桶的前端有一个漏斗状的适配器,适配器下端连接一软管,软管的另一端连有一个小的抽气机,可以将小便收集和输送到小便桶中。小便桶装满后(约3~4天),会自动将小便排放到舱外的宇宙空间或输送到水处理装置中处理,然后供航天员使用。虽然太空抽气马桶不分男女,但适配器则分男女。男用适配器是一个广口的漏斗状物,女用适配器能与下体贴紧,以防小便溅出来。

训练太空“解手”技术

在太空拉大便不是一件容易的事情,航天员必须经过专门的训练,要将肛门对准中央孔把大便拉出来,否则大便就可能从马桶中飘出来,在舱内到处乱飞,好像“天女散花”,成为一场灾难。

通过训练,航天员一定要记住自己屁股与马桶座部的相对位置。为了训练航天员拉大便,美国约翰逊航天中心还专门设计了一个马桶训练器。在训练器的马桶内装有一台电视摄像机,当航天员坐在马桶上时,通过电视,可以看到自己的肛门是否对准中央孔。

美国航天飞机的航天员在大小便时用一条束带将人和坐便器固定紧,用特殊的装置把大小便收集起来。如果大小便装置发生故障时,可以用备用的大小便收集袋。航天飞机坐便器的大便收集贮存容器内,含有衬套、网套,并可与外太空真空相通,便后开闭相关的阀门后,可使便桶与外太空真空相通,将桶内的大便进行真空干燥,并用旋转式叶片压实器定期压实,以减少废物的贮存空间。

在美国航天飞机第12次飞行时,由于航天飞机上卫生间小便装置出口处结上了冰,堵住了厕所,所以机上的6名(5男1女)航天员为此几乎陷入困境。经请示地面指挥系统,他们决定除1名女航天员可以继续使用原厕所外,其它5人一律使用备用的大小便收集袋进行大小便。这给航天员生活带来极大的不便。他们最担心的是怕把大小便弄到空间,因而处处小心翼翼。

现在,航天飞机已有新型抽气马桶了。这种新型马桶不仅更卫生、更可靠,而且造价低、存贮容量大。新型抽气马桶下方有一个圆筒,在航天员使用厕所前马桶内就自动放置一个装排泄物的塑料袋。用完厕所后塑料袋自动密封好,并有一个带杠杆的活塞将塑料袋推到圆筒的底部。同时又自动更换上新的塑料袋,以备下一次使用。当圆筒装满大便袋后,自动换上新的圆筒。圆筒上有密封装置,臭气不能发散出来,因此更卫生和实用。

2009年7月19日,“国际空间站”上的常用厕所发生故障,其原因是用来冲马桶的约6升水可能错误流入(厕所)分离器以及其他地方,结果导致空间站和美国奋进号航天飞机共13名航天员面临“如厕难”问题。为此,6名空间站航天员暂时使用备用厕所,奋进号7名机组成员暂时使用航天飞机上的厕所。

航天员需要方便时,只需要将马桶上的塑料软管紧贴到排泄器官上,马桶内的抽气设备将会把航天员的大小便收集到一个固定的容器里。小便也许比较简单,但大便就不太容易了。根据美国和俄罗斯航天员的经验,在无重力的环境里人体内的肠子漂浮着,内脏并不能正常工作,许多人从太空马桶上下来时经常喃喃自语:“又失败了。”

中国造太空卫生间

中国太空第一人杨利伟在太空飞行的近一天中,始终没有使用厕所,只携带了“尿不湿”,即航天服里有一个类似于“尿不湿”的小便收集装置,通过吸水材料把小便变成絮状的固态物,并且能除臭。

不过,由于神舟6号飞船在太空飞行了5天,所以厕所成为了航天员在太空生活的必备品。在神舟6号飞船的轨道舱里安装了一个大小便收集器,它吸收了联盟号飞船废物收集系统的技术经验,采用半自动的废物收集和处理系统,由废物收集筒、尿液贮箱、收集装置支、应急小便收集器、管组件、除臭装置、大小便收集装置、废物残渣收集袋包等组成。

其中的大小便收集装置上有两根管子分别用来对准大便和小便器官,能够强力吸走排泄物。大小便训练是神舟6号航天员训练的一个内容。这么看似简单的训练要经过3个阶段:理论上了解、学习设备操作、实际体验。

在神舟6号上,航天员使用厕所就如同是在骑马。该厕所由2个和身体接触的小口容器、1根长管子以及一个尿液收集容器、1个垃圾桶和1个抽风装置组成。厕所上与身体接触的2个装置的形状与人的体形非常相似,它们分别在大便和小便时使用。

为使粪便不易飞出来,大便时使用的装置直径只有10厘米左右,而小便装置的直径有5厘米左右。它们的下面被安装了1根长管,通向尿液的收集容器。使用时航天员需要用手抓住两个装置下面的长管子,并通过对管子用力,使整套装置贴紧身体。

其样子看起来就像倒过来拿着1个皮揣,捅向自己的身体。航天员排泄小便之后,排泄物将随着管子向下进入收集容器。而大便排泄物还留在与航天员身体接触的装置里,里面有特制的大便带,航天员需要用手将其取出,直接扔进垃圾桶。

由于太空中飞船会处于失重环境,飞船中任何没有密闭的东西都有可能四处漂浮。因此,航天员在使用厕所前,要首先打开位于整套装置最末端的抽风机,这样整个装置都保持向内抽风的状态,排泄物一旦和人体分离,会立即向下运动。排泄物就不会因为失重,而散落到装置以外。所以,它要经过一番训练才能使用。据了解,对于航天员来说,整套如厕装置比较简单,使用起来并不费力,他们只要坐准把口封死就行。

“神舟”飞船的航天服内设置了直接接触式小便收集袋和大便收集装置,这些装置可以像短裤那样穿在身上,用于身着航天服的航天员在飞行阶段收集大小便。飞船舱内还设置了废物收集软袋,用于收集其他固体废物。

需要注意的是,太空中放屁也得小心,因为其反作用力可能会把人推走,而且还会污染航天器座舱中的环境。屁中的氢和甲烷等成分还是可燃气体,严重时可引起爆炸,因此必要的时候最好到厕所里解决,看来在太空里只好忍一忍了。

新一代太空厕所

2020年10月2日,美国用“天鹅座”货运飞船把1个叫“通用废物管理系统”的新型太空马桶送往“国际空间站”,以方便航天员们上厕所。其研制始于2014年,花6年多时间,耗资2300万美元,约合1.6亿元人民币,堪称史上最贵马桶。

新型太空马桶重45公斤,高71厘米,它的尺寸比目前在空间站使用的马桶体积减少了65%,重量降低了40%,减少了对空间站宝贵空间的占用,可以集成到不同航天器的生命维持系统中。为了确保不会乱飘,新型太空马桶采用的是3D打印的钛合金风扇分离器,可以产生强大的吸力将尿液和便便吸入马桶。

新型太空马桶的尿液回收效率提升了,处理之后可以转变为饮用水的比重增加了。其尿液净化功能是通过尿素生物反应器电化学系统来实现的,能将尿液中的尿素有效地转化为氨,然后将氨分解为水和能量。这种将航天员排出的尿液进行循环利用、过滤净化得到的纯净水,据悉比地球上任何水都要干净。

与旧太空马桶所相比,新型太空马桶还有一个新的特点,即打开马桶盖后,气流会自动启动,从而控制异味的扩散。同时,它更符合人体工程学设计,钛合金材料大大提高了马桶的耐腐蚀性和耐久性,从而节省了更多的清洁和维护时间,使航天员能够将更多的精力投入到科研和探索任务中。

新型太空马桶的另一个特点是它对女性航天员更加友好。它可以坐在马桶上排便,用异形漏斗和软管吸尿,而旧厕所只能单独进行。

在太空中进行水的循环利用可以大大降低经费,因为每年向“国际空间站”提供2200升饮用水的运输费用高达2200万美元,而且空间站储存饮用水的空间有限。此外,如果人类想离开近地轨道,进一步探索星际空间,补给将更加困难。新型太空马桶的设计目标是在人类前往火星之前实现98%的液体回收率,所以先运到“国际空间站”进行试验。

太空厕所还需改进

2007年,美国曾斥资1900万美元从俄罗斯订购了一个太空马桶,并表示这比自己研发的更划算,但它却成了许多航天员的噩梦,有时航天员要用手抓住漂浮在空中的粪便。

目前,“国际空间站”上的两个厕所都是采用气流吸出排泄物,通过旋转扇叶将固体废物分散在容器中,比起过去已经有很大进步,但如厕时依旧不容易,因为太空马桶的开口只有我们日常使用的1/4,要瞄准并不容易。因此空间站专门在马桶旁安装了一个模拟马桶供宇航员练习,这个模拟马桶开口内置了一个摄像头,坐上去后能通过旁边的显示器观察你是否对准。方便之后,航天员还要拿一块镜子照照后面,看看是否还有不应该出现的东西遗留在身后。

当太空马桶失灵,带来的不只是卫生问题,甚至会威胁到航天员的健康。美国已在空间站厕所中发现对抗生素具有高耐药性的细菌菌株,它们有可能会进化成致病细菌,导致宇航员患病。

为了设计出更好的太空马桶,2020年 6月,美国还启动了一项“月球厕所挑战赛”的活动。面向全球征集“月球厕所”的设计方案,用于 2024 年的登月计划。它必须满足多项设计要求,比如同时在微重力和月球重力环境下正常运作、兼容男性和女性使用者、可同时排尿和排便等。

目前,最大的困难时在太空行走时如何如厕,因为在太空中排出的大便与航天员身体接触的时间太长,有可能导致感染或脓毒症。美国航空航天局曾举行过“太空大便挑战赛”,以寻求最佳办法,来自“几乎地球上每个国家”的总共1.9万名参赛者组成的150多支队伍提供了5000多种解决方案。

据悉赢得这一比赛的是美国军医卡登,他利用自己在微创手术方面掌握的知识研发了一套系统。他的设计理念是在太空服裆部加个小气密舱,像导管和充气便盆这样的东西可以通过这里。他由此获得了1.5万美元的奖金。

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