太空如廁非易事：這個(gè)尷尬的難題至今困擾著航天員
日本正研發(fā)一種工作原理很像高科技尿布的馬桶
中國(guó)空間站核心艙發(fā)射在即。根據(jù)規(guī)劃，今明兩年中國(guó)將通過(guò)11次任務(wù)完成空間站基本構(gòu)型的在軌組裝建造，建好后屆時(shí)安排4個(gè)乘組共12名航天員執(zhí)行飛行任務(wù)。
由于在空間站中身體處于失重的狀態(tài)，航天員生活起居都不方便，尤其是如廁問(wèn)題，即使是訓(xùn)練有素的航天員，面對(duì)這個(gè)難題也很棘手。然而，對(duì)空間站設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)嚴(yán)肅的科學(xué)問(wèn)題。作為航天大國(guó)的美國(guó)、俄羅斯，此前為了解決航天員的如廁問(wèn)題也煞費(fèi)苦心。雖然投入了重金提高航天員如廁的便利度，但這個(gè)問(wèn)題至今沒(méi)有得到很好的解決方案。
撰文 | 龐之浩（全國(guó)空間探測(cè)技術(shù)首席科學(xué)傳播專家）
責(zé)編 | 葉水送
在太空生活中，最讓航天員感覺(jué)麻煩的事莫過(guò)于上廁所，因?yàn)楹教靻T大小便用的太空馬桶與地面上的完全不一樣。由于載人航天器內(nèi)是微重力環(huán)境，水不會(huì)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(jià)值上千萬(wàn)美元。它是靠氣流將大小便帶走，使用這種馬桶時(shí)，屁股一定要跟馬桶的邊緣貼緊，使馬桶內(nèi)完全密封。
太空中使用的抽氣馬桶類似打掃衛(wèi)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(jiǎn)易，它和一個(gè)塑料套相連，大小便后要快速關(guān)閉橡皮閥，使大便被氣流導(dǎo)入不透氣的橡皮口袋里，然后進(jìn)入特制垃圾箱；尿被導(dǎo)入尿液儲(chǔ)箱。早期曾將裝滿后的廢物箱彈出艙外，但由于這種方法污染空間環(huán)境，遭到非議，故早已廢止。
蘇聯(lián)聯(lián)盟號(hào)飛船上使用的大小便收集器
為了使用方面，現(xiàn)代太空抽氣馬桶像陸地上的男衛(wèi)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(gè)直徑約10厘米的孔，孔內(nèi)有一扁平滑片可以來(lái)回滑動(dòng)，使孔打開或關(guān)閉?？椎南露搜b有一臺(tái)抽氣機(jī)，打開抽氣機(jī)后可從馬桶中抽氣，同時(shí)還使馬桶內(nèi)的空氣發(fā)生顫動(dòng)?？諝獾念潉?dòng)又可使大便中成形的部分碎裂，然后被抽進(jìn)馬桶底部的收集袋中。抽氣馬桶的右側(cè)有一個(gè)銀白色的推拉開關(guān)，航天員在抽氣馬桶上坐好后，將開關(guān)向前推，中央孔內(nèi)的滑片打開，抽氣機(jī)起動(dòng)，排出的大便和臭氣被一同抽進(jìn)大便收集袋內(nèi)。大便拉完后，將銀白色的開關(guān)向后拉，中央孔關(guān)閉，抽氣停止。
小便用抽氣馬桶的前端有一個(gè)漏斗狀的適配器，適配器下端連接一軟管，軟管的另一端連有一個(gè)小的抽氣機(jī)，可以將小便收集和輸送到小便桶中。小便桶裝滿后（約3～4天），會(huì)自動(dòng)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，然后供航天員使用。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(gè)廣口的漏斗狀物，女用適配器能與下體貼緊，以防小便濺出來(lái)。
美國(guó)航天飛機(jī)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(cè)有干、濕擦巾，用于飛行期間的洗手和洗臉。左側(cè)墻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
在太空拉大便不是一件容易的事情，航天員必須經(jīng)過(guò)專門的訓(xùn)練，要將肛門對(duì)準(zhǔn)中央孔把大便拉出來(lái)，否則大便就可能從馬桶中飄出來(lái)，在艙內(nèi)到處亂飛，好像“天女散花”，成為一場(chǎng)災(zāi)難。
通過(guò)訓(xùn)練，航天員一定要記住自己屁股與馬桶座部的相對(duì)位置。為了訓(xùn)練航天員拉大便，美國(guó)約翰遜航天中心還專門設(shè)計(jì)了一個(gè)馬桶訓(xùn)練器。在訓(xùn)練器的馬桶內(nèi)裝有一臺(tái)電視攝像機(jī)，當(dāng)航天員坐在馬桶上時(shí)，通過(guò)電視，可以看到自己的肛門是否對(duì)準(zhǔn)中央孔。
發(fā)射、太空行走時(shí)穿的太空紙尿褲
美國(guó)航天飛機(jī)的航天員在大小便時(shí)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(lái)。如果大小便裝置發(fā)生故障時(shí)，可以用備用的大小便收集袋。航天飛機(jī)坐便器的大便收集貯存容器內(nèi)，含有襯套、網(wǎng)套，并可與外太空真空相通，便后開閉相關(guān)的閥門后，可使便桶與外太空真空相通，將桶內(nèi)的大便進(jìn)行真空干燥，并用旋轉(zhuǎn)式葉片壓實(shí)器定期壓實(shí)，以減少?gòu)U物的貯存空間。
“國(guó)際空間站”太空抽氣馬桶特寫
在美國(guó)航天飛機(jī)第12次飛行時(shí)，由于航天飛機(jī)上衛(wèi)生間小便裝置出口處結(jié)上了冰，堵住了廁所，所以機(jī)上的6名（5男1女）航天員為此幾乎陷入困境。經(jīng)請(qǐng)示地面指揮系統(tǒng)，他們決定除1名女航天員可以繼續(xù)使用原廁所外，其它5人一律使用備用的大小便收集袋進(jìn)行大小便。這給航天員生活帶來(lái)極大的不便。他們最擔(dān)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
現(xiàn)在，航天飛機(jī)已有新型抽氣馬桶了。這種新型馬桶不僅更衛(wèi)生、更可靠，而且造價(jià)低、存貯容量大。新型抽氣馬桶下方有一個(gè)圓筒，在航天員使用廁所前馬桶內(nèi)就自動(dòng)放置一個(gè)裝排泄物的塑料袋。用完廁所后塑料袋自動(dòng)密封好，并有一個(gè)帶杠桿的活塞將塑料袋推到圓筒的底部。同時(shí)又自動(dòng)更換上新的塑料袋，以備下一次使用。當(dāng)圓筒裝滿大便袋后，自動(dòng)換上新的圓筒。圓筒上有密封裝置，臭氣不能發(fā)散出來(lái)，因此更衛(wèi)生和實(shí)用。
“國(guó)際空間站”衛(wèi)生間全貌。在該站上共有兩個(gè)，一個(gè)常用和一個(gè)備用
2009年7月19日，“國(guó)際空間站”上的常用廁所發(fā)生故障，其原因是用來(lái)沖馬桶的約6升水可能錯(cuò)誤流入（廁所）分離器以及其他地方，結(jié)果導(dǎo)致空間站和美國(guó)奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)共13名航天員面臨“如廁難”問(wèn)題。為此，6名空間站航天員暫時(shí)使用備用廁所，奮進(jìn)號(hào)7名機(jī)組成員暫時(shí)使用航天飛機(jī)上的廁所。
2009年7月，“國(guó)際空間站”的廁所泵分離器進(jìn)水出現(xiàn)故障，導(dǎo)致6位空間站航天員和7位奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)到訪航天員共同使用一個(gè)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(shí)，只需要將馬桶上的塑料軟管緊貼到排泄器官上，馬桶內(nèi)的抽氣設(shè)備將會(huì)把航天員的大小便收集到一個(gè)固定的容器里。小便也許比較簡(jiǎn)單，但大便就不太容易了。根據(jù)美國(guó)和俄羅斯航天員的經(jīng)驗(yàn)，在無(wú)重力的環(huán)境里人體內(nèi)的腸子漂浮著，內(nèi)臟并不能正常工作，許多人從太空馬桶上下來(lái)時(shí)經(jīng)常喃喃自語(yǔ)：“又失敗了?！?/span>
太空用的糞便袋
中國(guó)太空第一人楊利偉在太空飛行的近一天中，始終沒(méi)有使用廁所，只攜帶了“尿不濕”，即航天服里有一個(gè)類似于“尿不濕”的小便收集裝置，通過(guò)吸水材料把小便變成絮狀的固態(tài)物，并且能除臭。
不過(guò)，由于神舟6號(hào)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(hào)飛船的軌道艙里安裝了一個(gè)大小便收集器，它吸收了聯(lián)盟號(hào)飛船廢物收集系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，采用半自動(dòng)的廢物收集和處理系統(tǒng)，由廢物收集筒、尿液貯箱、收集裝置支、應(yīng)急小便收集器、管組件、除臭裝置、大小便收集裝置、廢物殘?jiān)占冉M成。
“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(lái)對(duì)準(zhǔn)大便和小便器官，能夠強(qiáng)力吸走排泄物。大小便訓(xùn)練是神舟6號(hào)航天員訓(xùn)練的一個(gè)內(nèi)容。這么看似簡(jiǎn)單的訓(xùn)練要經(jīng)過(guò)3個(gè)階段：理論上了解、學(xué)習(xí)設(shè)備操作、實(shí)際體驗(yàn)。
在神舟6號(hào)上，航天員使用廁所就如同是在騎馬。該廁所由2個(gè)和身體接觸的小口容器、1根長(zhǎng)管子以及一個(gè)尿液收集容器、1個(gè)垃圾桶和1個(gè)抽風(fēng)裝置組成。廁所上與身體接觸的2個(gè)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(shí)使用。
為使糞便不易飛出來(lái)，大便時(shí)使用的裝置直徑只有10厘米左右，而小便裝置的直徑有5厘米左右。它們的下面被安裝了1根長(zhǎng)管，通向尿液的收集容器。使用時(shí)航天員需要用手抓住兩個(gè)裝置下面的長(zhǎng)管子，并通過(guò)對(duì)管子用力，使整套裝置貼緊身體。
尿收集器的適配器
其樣子看起來(lái)就像倒過(guò)來(lái)拿著1個(gè)皮揣，捅向自己的身體。航天員排泄小便之后，排泄物將隨著管子向下進(jìn)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，里面有特制的大便帶，航天員需要用手將其取出，直接扔進(jìn)垃圾桶。
由于太空中飛船會(huì)處于失重環(huán)境，飛船中任何沒(méi)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，要首先打開位于整套裝置最末端的抽風(fēng)機(jī)，這樣整個(gè)裝置都保持向內(nèi)抽風(fēng)的狀態(tài)，排泄物一旦和人體分離，會(huì)立即向下運(yùn)動(dòng)。排泄物就不會(huì)因?yàn)槭е?，而散落到裝置以外。所以，它要經(jīng)過(guò)一番訓(xùn)練才能使用。據(jù)了解，對(duì)于航天員來(lái)說(shuō)，整套如廁裝置比較簡(jiǎn)單，使用起來(lái)并不費(fèi)力，他們只要坐準(zhǔn)把口封死就行。
“神舟”飛船的半自動(dòng)廢物收集和處理系統(tǒng)
“神舟”飛船的航天服內(nèi)設(shè)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，用于身著航天服的航天員在飛行階段收集大小便。飛船艙內(nèi)還設(shè)置了廢物收集軟袋，用于收集其他固體廢物。
需要注意的是，太空中放屁也得小心，因?yàn)槠浞醋饔昧赡軙?huì)把人推走，而且還會(huì)污染航天器座艙中的環(huán)境。屁中的氫和甲烷等成分還是可燃?xì)怏w，嚴(yán)重時(shí)可引起爆炸，因此必要的時(shí)候最好到廁所里解決，看來(lái)在太空里只好忍一忍了。
2020年10月2日，美國(guó)用“天鵝座”貨運(yùn)飛船把1個(gè)叫“通用廢物管理系統(tǒng)”的新型太空馬桶送往“國(guó)際空間站”，以方便航天員們上廁所。其研制始于2014年，花6年多時(shí)間，耗資2300萬(wàn)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(tǒng)
新型太空馬桶重45公斤，高71厘米，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(duì)空間站寶貴空間的占用，可以集成到不同航天器的生命維持系統(tǒng)中。為了確保不會(huì)亂飄，新型太空馬桶采用的是3D打印的鈦合金風(fēng)扇分離器，可以產(chǎn)生強(qiáng)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，處理之后可以轉(zhuǎn)變?yōu)轱嬘盟谋戎卦黾恿?。其尿液凈化功能是通過(guò)尿素生物反應(yīng)器電化學(xué)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，能將尿液中的尿素有效地轉(zhuǎn)化為氨，然后將氨分解為水和能量。這種將航天員排出的尿液進(jìn)行循環(huán)利用、過(guò)濾凈化得到的純凈水，據(jù)悉比地球上任何水都要干凈。
與舊太空馬桶所相比，新型太空馬桶還有一個(gè)新的特點(diǎn)，即打開馬桶蓋后，氣流會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，從而控制異味的擴(kuò)散。同時(shí)，它更符合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)，鈦合金材料大大提高了馬桶的耐腐蝕性和耐久性，從而節(jié)省了更多的清潔和維護(hù)時(shí)間，使航天員能夠?qū)⒏嗟木ν度氲娇蒲泻吞剿魅蝿?wù)中。
美國(guó)航空航天局用2300萬(wàn)美元重金打造的太空馬桶
新型太空馬桶的另一個(gè)特點(diǎn)是它對(duì)女性航天員更加友好。它可以坐在馬桶上排便，用異形漏斗和軟管吸尿，而舊廁所只能單獨(dú)進(jìn)行。
在太空中進(jìn)行水的循環(huán)利用可以大大降低經(jīng)費(fèi)，因?yàn)槊磕晗颉皣?guó)際空間站”提供2200升飲用水的運(yùn)輸費(fèi)用高達(dá)2200萬(wàn)美元，而且空間站儲(chǔ)存飲用水的空間有限。此外，如果人類想離開近地軌道，進(jìn)一步探索星際空間，補(bǔ)給將更加困難。新型太空馬桶的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在人類前往火星之前實(shí)現(xiàn)98%的液體回收率，所以先運(yùn)到“國(guó)際空間站”進(jìn)行試驗(yàn)。
2007年，美國(guó)曾斥資1900萬(wàn)美元從俄羅斯訂購(gòu)了一個(gè)太空馬桶，并表示這比自己研發(fā)的更劃算，但它卻成了許多航天員的噩夢(mèng)，有時(shí)航天員要用手抓住漂浮在空中的糞便。
早期研制的耗資2.5億美元的太空廁所
目前，“國(guó)際空間站”上的兩個(gè)廁所都是采用氣流吸出排泄物，通過(guò)旋轉(zhuǎn)扇葉將固體廢物分散在容器中，比起過(guò)去已經(jīng)有很大進(jìn)步，但如廁時(shí)依舊不容易，因?yàn)樘振R桶的開口只有我們?nèi)粘Ｊ褂玫?/4，要瞄準(zhǔn)并不容易。因此空間站專門在馬桶旁安裝了一個(gè)模擬馬桶供宇航員練習(xí)，這個(gè)模擬馬桶開口內(nèi)置了一個(gè)攝像頭，坐上去后能通過(guò)旁邊的顯示器觀察你是否對(duì)準(zhǔn)。方便之后，航天員還要拿一塊鏡子照照后面，看看是否還有不應(yīng)該出現(xiàn)的東西遺留在身后。
蘇俄和平號(hào)空間站上的太空馬桶
當(dāng)太空馬桶失靈，帶來(lái)的不只是衛(wèi)生問(wèn)題，甚至?xí){到航天員的健康。美國(guó)已在空間站廁所中發(fā)現(xiàn)對(duì)抗生素具有高耐藥性的細(xì)菌菌株，它們有可能會(huì)進(jìn)化成致病細(xì)菌，導(dǎo)致宇航員患病。
俄羅斯航天帕達(dá)爾卡曾向媒體報(bào)怨，他在“國(guó)際空間站”工作期間，被告知不得使用美國(guó)艙段的衛(wèi)生間
為了設(shè)計(jì)出更好的太空馬桶，2020年 6月，美國(guó)還啟動(dòng)了一項(xiàng)“月球廁所挑戰(zhàn)賽”的活動(dòng)。面向全球征集“月球廁所”的設(shè)計(jì)方案，用于 2024 年的登月計(jì)劃。它必須滿足多項(xiàng)設(shè)計(jì)要求，比如同時(shí)在微重力和月球重力環(huán)境下正常運(yùn)作、兼容男性和女性使用者、可同時(shí)排尿和排便等。
目前，最大的困難時(shí)在太空行走時(shí)如何如廁，因?yàn)樵谔罩信懦龅拇蟊闩c航天員身體接觸的時(shí)間太長(zhǎng)，有可能導(dǎo)致感染或膿毒癥。美國(guó)航空航天局曾舉行過(guò)“太空大便挑戰(zhàn)賽”，以尋求最佳辦法，來(lái)自“幾乎地球上每個(gè)國(guó)家”的總共1.9萬(wàn)名參賽者組成的150多支隊(duì)伍提供了5000多種解決方案。
據(jù)悉贏得這一比賽的是美國(guó)軍醫(yī)卡登，他利用自己在微創(chuàng)手術(shù)方面掌握的知識(shí)研發(fā)了一套系統(tǒng)。他的設(shè)計(jì)理念是在太空服襠部加個(gè)小氣密艙，像導(dǎo)管和充氣便盆這樣的東西可以通過(guò)這里。他由此獲得了1.5萬(wàn)美元的獎(jiǎng)金。
制版編輯 | Morgan
