來(lái)源標(biāo)題：“太空如廁”為何是個(gè)科學(xué)難題
美國(guó)耐力號(hào)載人“龍”飛船日前因廁所中的一個(gè)爆破盤破裂，導(dǎo)致飛船與“國(guó)際空間站”對(duì)接的時(shí)間比預(yù)期晚了30多分鐘。雖然這一“小插曲”沒有對(duì)航天任務(wù)的后續(xù)開展造成影響，但再次引起了公眾對(duì)太空廁所的關(guān)注。
執(zhí)行太空任務(wù)上廁所最麻煩
在太空生活中，航天員感到最麻煩的事情就是上廁所，因?yàn)樘振R桶與地面上使用的馬桶很不一樣。
由于載人航天器內(nèi)是微重力環(huán)境，水不會(huì)往下流，所以太空不能使用抽水馬桶，而要使用抽氣馬桶。抽氣馬桶靠氣流將排泄物帶走，使用時(shí)臀部須跟馬桶的邊緣貼緊，使馬桶內(nèi)完全密封，工作原理類似吸塵器。早期的抽氣馬桶比較簡(jiǎn)易，它與一個(gè)塑料套相連，如廁后要快速關(guān)閉橡皮閥，大便被氣流導(dǎo)入不透氣的橡皮口袋并投入特制垃圾箱，尿液則被導(dǎo)入尿液儲(chǔ)存箱。那時(shí)候，裝滿排泄物的垃圾箱會(huì)被彈出艙外，后來(lái)這種方法因污染空間環(huán)境遭到非議而被禁用。
為了方便收集排泄物，防止交叉感染，同時(shí)便于精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，提高使用效率，現(xiàn)代太空抽氣馬桶分為大便器和小便器兩種。其中，大便器的外形與地面上的馬桶相似，只是中央孔徑較小，約10厘米，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。孔的下端裝有一臺(tái)抽氣機(jī)，啟動(dòng)后可從馬桶中抽氣并使空氣發(fā)生顫動(dòng)，這種空氣顫動(dòng)能將固體排泄物成形的部分碎裂，再將其抽進(jìn)馬桶底部的收集袋。大便器的操作簡(jiǎn)單，其右側(cè)有一個(gè)銀白色的推拉開關(guān)，使用者在馬桶上坐好后將開關(guān)向前推，孔內(nèi)滑片打開，抽氣機(jī)啟動(dòng)，結(jié)束如廁后將開關(guān)向后拉，抽氣則停止。小便器前端有一個(gè)漏斗狀的適配器，下端連接一根軟管，軟管的另一端連著小型抽氣機(jī)，可以將小便收集和輸送到小便桶中。小便桶裝滿后，尿液會(huì)被自動(dòng)輸送到水處理裝置中凈化，重復(fù)使用(如用作飲用、洗漱和制取氧氣)。
硬件有了，在太空如廁還要解決人體“配合”的問題，所以在執(zhí)行太空任務(wù)前還需訓(xùn)練如廁技術(shù)，牢牢記住自己臀部與馬桶座部的相對(duì)位置。如有偏差，排泄物就可能在微重力環(huán)境中造成四散的“災(zāi)難”。美國(guó)約翰遜航天中心曾專門設(shè)計(jì)了一個(gè)有些令人尷尬的馬桶訓(xùn)練器。訓(xùn)練器內(nèi)安裝了一臺(tái)電視攝像機(jī)，當(dāng)宇航員坐在馬桶上時(shí)，可以通過電視不斷復(fù)盤和提升自己的如廁技能。同時(shí)，宇航員要用一條束帶將自己和坐便器固定好，避免身體漂浮出現(xiàn)“泄露”。
還有一件需要宇航員小心對(duì)待的“小事”，那就是在太空中放屁最好到廁所解決。因?yàn)榉牌óa(chǎn)生的反作用力可能把人推走，并污染航天器座艙中的環(huán)境，而且屁中的氫和甲烷等都是可燃?xì)怏w，嚴(yán)重時(shí)可能引起爆炸。
3個(gè)原因易致太空馬桶故障
其實(shí)，太空廁所系統(tǒng)出現(xiàn)技術(shù)故障是常有的事。比如，1984年美國(guó)航天飛機(jī)第12次飛行時(shí)，由于航天飛機(jī)上的小便裝置出口處結(jié)冰，堵塞廁所，使得機(jī)上的6名(5男1女)宇航員幾乎陷入困境，最后決定除一名女宇航員可以繼續(xù)使用外，其余5人均需使用備用的大小便收集袋。2009年7月，“國(guó)際空間站”上的廁所泵分離器進(jìn)水出現(xiàn)故障，導(dǎo)致空間站和美國(guó)奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)上共13名宇航員遭遇“如廁難”。
與“國(guó)際空間站”處于相對(duì)封閉空間的廁所相比，美國(guó)載人“龍”飛船的廁所設(shè)計(jì)比較先進(jìn)，擁有360度視野，使用者能同時(shí)看到地球和深空;采用伸縮式馬桶，不用時(shí)可收起，有效節(jié)省了空間，而“國(guó)際空間站”的廁所由于要滿足多人長(zhǎng)期使用以及需配備較復(fù)雜的廢物處理系統(tǒng)，整體體積和重量較大;“龍”飛船的廁所雖然只有一塊簾子將如廁者與其他人隔開，但如廁時(shí)可通過爬進(jìn)飛船返回艙的上層來(lái)實(shí)現(xiàn)一定程度的空間隔離，而“國(guó)際空間站”的廁所通常是一個(gè)相對(duì)開放的隔間，私密性較差。
載人“龍”飛船的廁所也多次出現(xiàn)過故障。2021年9月該飛船在執(zhí)行“靈感四號(hào)”任務(wù)期間，曾有一個(gè)警報(bào)器響起，原因是廁所的風(fēng)扇出現(xiàn)機(jī)械故障;2021年11月，因廁所管道未粘好，導(dǎo)致尿液泄漏到廁所風(fēng)扇和地板下，雖然漏出的液體未對(duì)飛船構(gòu)成損害，但為了安全起見，宇航員只能在返航途中穿上“尿不濕”。
針對(duì)這些問題，研制載人“龍”飛船的美國(guó)太空探索技術(shù)公司采取了一系列整改措施，如把沖尿管焊牢、在馬桶上焊接尿液沖洗管、增強(qiáng)監(jiān)測(cè)能力、優(yōu)化設(shè)計(jì)以及增加備用組件等。盡管如此，今年3月中旬，載人“龍”飛船還是在前往“國(guó)際空間站”途中出現(xiàn)了新問題，其廁所的一個(gè)爆破盤發(fā)生破裂，導(dǎo)致與空間站的對(duì)接時(shí)間延遲。爆破盤作為廁所系統(tǒng)的安全裝置，用于在壓力過高時(shí)破裂以釋放壓力。雖然破裂的具體原因尚不清楚，也未造成尿液泄漏，宇航員仍被要求暫停使用廁所，轉(zhuǎn)而使用應(yīng)急排泄袋?？磥?lái)，載人“龍”飛船的廁所性能還需進(jìn)一步提高。
客觀來(lái)看，太空廁所系統(tǒng)容易出現(xiàn)故障主要有以下幾方面原因。
1.環(huán)境特殊 在微重力環(huán)境中，傳統(tǒng)的排水和排污系統(tǒng)無(wú)法正常工作，需要設(shè)計(jì)與這種環(huán)境相適應(yīng)的廁所系統(tǒng)，如特殊的收集和處理系統(tǒng)，來(lái)防止排泄物飛濺或泄漏。這些特殊設(shè)計(jì)在長(zhǎng)期使用中可能會(huì)出現(xiàn)問題。
2.技術(shù)受限 太空馬桶需根據(jù)人的生理需求，以及設(shè)備重量、體積和維護(hù)的便捷性來(lái)設(shè)計(jì)，更加復(fù)雜的技術(shù)必然會(huì)增加故障的可能性。此外，太空馬桶要使用特殊的材料和制造工藝來(lái)確保在微重力環(huán)境下的可靠性和耐用性，如果材料選擇不當(dāng)或制造工藝不過關(guān)，就可能埋下隱患。
3.維護(hù)不當(dāng) 由于太空任務(wù)的特殊性和復(fù)雜性，對(duì)太空馬桶的維護(hù)和修理要求很高，再加上很多未知的意外情況，大大增加了及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理故障的難度。
系統(tǒng)“失靈”可能危及健康
太空廁所系統(tǒng)“失靈”帶來(lái)的不只是衛(wèi)生問題，還會(huì)威脅到人體健康。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，它們有可能進(jìn)化成致病細(xì)菌，導(dǎo)致宇航員患病。因此，如何更新升級(jí)太空廁所一直是科學(xué)家研究的重要課題。
據(jù)公開消息，2007年美國(guó)曾斥資1900萬(wàn)美元從別國(guó)訂購(gòu)了一個(gè)太空馬桶，并表示這比自己研發(fā)更劃算。但后來(lái)馬桶出了問題，導(dǎo)致有時(shí)宇航員不得不用手抓住浮在空中的排泄物。
2020年10月，美國(guó)用“天鵝座”貨運(yùn)飛船把一個(gè)叫作“通用廢物管理系統(tǒng)”的新型太空馬桶送往“國(guó)際空間站”。這款馬桶研制了6年多時(shí)間，耗資2300萬(wàn)美元，堪稱史上最貴的太空馬桶。新型馬桶重45千克，高71厘米，相比舊款，重量和體積分別減少了40%和65%，明顯節(jié)省了占地空間。為了確保排泄物不會(huì)四散，新型馬桶采用的是3D打印的鈦合金風(fēng)扇分離器，可以產(chǎn)生強(qiáng)大的吸力。由于尿液回收效率得到提升，經(jīng)處理后可以轉(zhuǎn)變?yōu)轱嬘盟谋戎匾苍黾恿?。尿液凈化功能是通過尿素生物反應(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轉(zhuǎn)化為氨，再將氨分解為水和能量。這種將尿液通過過濾凈化得到的純凈水，據(jù)稱比地面上的純凈水還干凈。
這款新型馬桶還有一個(gè)特點(diǎn)，即打開馬桶蓋后會(huì)自動(dòng)抽氣，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，節(jié)省了清潔和維護(hù)時(shí)間。
目前，“國(guó)際空間站”上的兩個(gè)廁所均采用氣流吸走排泄物，再通過旋轉(zhuǎn)扇葉將固體廢物儲(chǔ)存在容器中的方式，比過去的技術(shù)有了很大進(jìn)步。只不過，宇航員如廁要做到“瞄準(zhǔn)”依舊需要掌握技巧，畢竟太空馬桶的開口尺寸只有地面上尋常馬桶的1/4。
中國(guó)太空廁所技術(shù)躋身世界前列
中國(guó)太空廁所的發(fā)展經(jīng)歷了怎樣的過程呢?
2003年10月，中國(guó)太空第一人楊利偉乘坐神舟五號(hào)上天。由于只需在太空飛行近一天，他攜帶的是“尿不濕”，通過吸水材料把小便變成絮狀的固態(tài)物。2005年上天的神舟六號(hào)載人飛船要在太空飛行5天，于是廁所成了太空生活必備品。當(dāng)時(shí)，神舟六號(hào)在軌道艙里安裝了一個(gè)大小便收集器，它吸收了俄羅斯“聯(lián)盟”系列飛船廢物收集系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，采用半自動(dòng)廢物收集和處理系統(tǒng)，由廢物收集桶、尿液貯箱、收集裝置、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。為了使排泄物不易泄露，大便器直徑約為10厘米，小便器直徑在5厘米左右。太空中的飛船處于失重環(huán)境，任何沒有密閉的東西都有可能四處漂浮，因此如廁前要先打開位于整套裝置最末端的抽風(fēng)機(jī)。這樣一來(lái)，整個(gè)裝置會(huì)保持向內(nèi)抽風(fēng)的狀態(tài)，排泄物一旦和人體分離，就會(huì)立即向下運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)因失重散落到裝置外。
2021年，我國(guó)空間站的第一個(gè)艙——天和核心艙上天，艙內(nèi)配備了我國(guó)首個(gè)真正意義上的太空廁所。2022年發(fā)射的問天實(shí)驗(yàn)艙也配備了相同的太空廁所。我國(guó)太空廁所采用的都是抽氣馬桶，據(jù)悉，其大便器即坐便器的支架采用鈦合金材料，收集裝置配有以橡膠材質(zhì)為主的一次性垃圾收集袋，具有良好的耐用性和密封性;小便器分為男用、女用兩款。收集后的固體排泄物會(huì)由天舟貨運(yùn)飛船統(tǒng)一運(yùn)回地球，其中大部分隨著飛船進(jìn)入地球大氣層被拋棄燒毀，少數(shù)會(huì)被帶回地面進(jìn)行評(píng)估。而尿液等液體廢物被輸送到再生式生命保障系統(tǒng)，在太空實(shí)現(xiàn)循環(huán)再利用，凈化后的尿液可用于飲用和制氧。
中國(guó)空間站的太空廁所采用了先進(jìn)氣流抽吸技術(shù)，能夠在微重力環(huán)境下精準(zhǔn)、高效地收集固體和液體排泄物，尿液處理系統(tǒng)能將90%左右的尿液轉(zhuǎn)化為可循環(huán)利用的水，這一指標(biāo)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。除此之外，太空廁所通過可閉合簾子等設(shè)計(jì)，為航天員提供了相對(duì)獨(dú)立的私密空間;其關(guān)鍵部件采用的鈦合金等高品質(zhì)材料具有良好的耐用性和穩(wěn)定性，有助于廁所系統(tǒng)在長(zhǎng)期太空任務(wù)中穩(wěn)定運(yùn)行;廁所系統(tǒng)還做了冗余設(shè)計(jì)，以確保即使某個(gè)部件出現(xiàn)故障，也能保證基本功能正常，從而降低因設(shè)備故障而影響任務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)。
總體上看，目前中國(guó)空間站的太空廁所技術(shù)已處于國(guó)際先進(jìn)水平，不僅具備多重安全保障，還配備了先進(jìn)的智能控制系統(tǒng)。特別是一些操作過程已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，如排泄物的收集、密封和輸送等，航天員減少手動(dòng)操作，可降低出現(xiàn)操作失誤的可能性，從而提高工作效率。隨著世界航天技術(shù)的發(fā)展，相信未來(lái)會(huì)有更適合太空環(huán)境的廁所系統(tǒng)被研發(fā)出來(lái)，助力人類更安全、穩(wěn)定、舒適地執(zhí)行長(zhǎng)期太空任務(wù)。
