“太空如廁”為何是個科學難題

美國耐力號載人“龍”飛船日前因廁所中的一個爆破盤破裂，導致飛船與“國際空間站”對接的時間比預期晚了30多分鐘。雖然這一“小插曲”沒有對航天任務的后續開展造成影響，但再次引起了公眾對太空廁所的關注。

執行太空任務上廁所最麻煩

在太空生活中，航天員感到最麻煩的事情就是上廁所，因為太空馬桶與地面上使用的馬桶很不一樣。

由于載人航天器內是微重力環境，水不會往下流，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，使用時臀部須跟馬桶的邊緣貼緊，使馬桶內完全密封，工作原理類似吸塵器。早期的抽氣馬桶比較簡易，它與一個塑料套相連，如廁后要快速關閉橡皮閥，大便被氣流導入不透氣的橡皮口袋并投入特制垃圾箱，尿液則被導入尿液儲存箱。那時候，裝滿排泄物的垃圾箱會被彈出艙外，后來這種方法因污染空間環境遭到非議而被禁用。

為了方便收集排泄物，防止交叉感染，同時便于精準設計，提高使用效率，現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。孔的下端裝有一臺抽氣機，啟動后可從馬桶中抽氣并使空氣發生顫動，這種空氣顫動能將固體排泄物成形的部分碎裂，再將其抽進馬桶底部的收集袋。大便器的操作簡單，其右側有一個銀白色的推拉開關，使用者在馬桶上坐好后將開關向前推，孔內滑片打開，抽氣機啟動，結束如廁后將開關向后拉，抽氣則停止。小便器前端有一個漏斗狀的適配器，下端連接一根軟管，軟管的另一端連著小型抽氣機，可以將小便收集和輸送到小便桶中。小便桶裝滿后，尿液會被自動輸送到水處理裝置中凈化，重復使用(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，所以在執行太空任務前還需訓練如廁技術，牢牢記住自己臀部與馬桶座部的相對位置。如有偏差，排泄物就可能在微重力環境中造成四散的“災難”。美國約翰遜航天中心曾專門設計了一個有些令人尷尬的馬桶訓練器。訓練器內安裝了一臺電視攝像機，當宇航員坐在馬桶上時，可以通過電視不斷復盤和提升自己的如廁技能。同時，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“泄露”。

還有一件需要宇航員小心對待的“小事”，那就是在太空中放屁最好到廁所解決。因為放屁產生的反作用力可能把人推走，并污染航天器座艙中的環境，而且屁中的氫和甲烷等都是可燃氣體，嚴重時可能引起爆炸。

3個原因易致太空馬桶故障

其實，太空廁所系統出現技術故障是常有的事。比如，1984年美國航天飛機第12次飛行時，由于航天飛機上的小便裝置出口處結冰，堵塞廁所，使得機上的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，“國際空間站”上的廁所泵分離器進水出現故障，導致空間站和美國奮進號航天飛機上共13名宇航員遭遇“如廁難”。

與“國際空間站”處于相對封閉空間的廁所相比，美國載人“龍”飛船的廁所設計比較先進，擁有360度視野，使用者能同時看到地球和深空;采用伸縮式馬桶，不用時可收起，有效節省了空間，而“國際空間站”的廁所由于要滿足多人長期使用以及需配備較復雜的廢物處理系統，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，但如廁時可通過爬進飛船返回艙的上層來實現一定程度的空間隔離，而“國際空間站”的廁所通常是一個相對開放的隔間，私密性較差。

載人“龍”飛船的廁所也多次出現過故障。2021年9月該飛船在執行“靈感四號”任務期間，曾有一個警報器響起，原因是廁所的風扇出現機械故障;2021年11月，因廁所管道未粘好，導致尿液泄漏到廁所風扇和地板下，雖然漏出的液體未對飛船構成損害，但為了安全起見，宇航員只能在返航途中穿上“尿不濕”。

針對這些問題，研制載人“龍”飛船的美國太空探索技術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、增強監測能力、優化設計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“國際空間站”途中出現了新問題，其廁所的一個爆破盤發生破裂，導致與空間站的對接時間延遲。爆破盤作為廁所系統的安全裝置，用于在壓力過高時破裂以釋放壓力。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，轉而使用應急排泄袋。看來，載人“龍”飛船的廁所性能還需進一步提高。

客觀來看，太空廁所系統容易出現故障主要有以下幾方面原因。

1.環境特殊 在微重力環境中，傳統的排水和排污系統無法正常工作，需要設計與這種環境相適應的廁所系統，如特殊的收集和處理系統，來防止排泄物飛濺或泄漏。這些特殊設計在長期使用中可能會出現問題。

2.技術受限 太空馬桶需根據人的生理需求，以及設備重量、體積和維護的便捷性來設計，更加復雜的技術必然會增加故障的可能性。此外，太空馬桶要使用特殊的材料和制造工藝來確保在微重力環境下的可靠性和耐用性，如果材料選擇不當或制造工藝不過關，就可能埋下隱患。

3.維護不當 由于太空任務的特殊性和復雜性，對太空馬桶的維護和修理要求很高，再加上很多未知的意外情況，大大增加了及時發現、處理故障的難度。

系統“失靈”可能危及健康

太空廁所系統“失靈”帶來的不只是衛生問題，還會威脅到人體健康。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，它們有可能進化成致病細菌，導致宇航員患病。因此，如何更新升級太空廁所一直是科學家研究的重要課題。

據公開消息，2007年美國曾斥資1900萬美元從別國訂購了一個太空馬桶，并表示這比自己研發更劃算。但后來馬桶出了問題，導致有時宇航員不得不用手抓住浮在空中的排泄物。

2020年10月，美國用“天鵝座”貨運飛船把一個叫作“通用廢物管理系統”的新型太空馬桶送往“國際空間站”。這款馬桶研制了6年多時間，耗資2300萬美元，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%，明顯節省了占地空間。為了確保排泄物不會四散，新型馬桶采用的是3D打印的鈦合金風扇分離器，可以產生強大的吸力。由于尿液回收效率得到提升，經處理后可以轉變為飲用水的比重也增加了。尿液凈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轉化為氨，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，據稱比地面上的純凈水還干凈。

這款新型馬桶還有一個特點，即打開馬桶蓋后會自動抽氣，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，節省了清潔和維護時間。

目前，“國際空間站”上的兩個廁所均采用氣流吸走排泄物，再通過旋轉扇葉將固體廢物儲存在容器中的方式，比過去的技術有了很大進步。只不過，宇航員如廁要做到“瞄準”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。

中國太空廁所技術躋身世界前列

中國太空廁所的發展經歷了怎樣的過程呢?

2003年10月，中國太空第一人楊利偉乘坐神舟五號上天。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物。2005年上天的神舟六號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。當時，神舟六號在軌道艙里安裝了一個大小便收集器，它吸收了俄羅斯“聯盟”系列飛船廢物收集系統的技術經驗，采用半自動廢物收集和處理系統，由廢物收集桶、尿液貯箱、收集裝置、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。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機。這樣一來，整個裝置會保持向內抽風的狀態，排泄物一旦和人體分離，就會立即向下運動，而不會因失重散落到裝置外。

2021年，我國空間站的第一個艙——天和核心艙上天，艙內配備了我國首個真正意義上的太空廁所。2022年發射的問天實驗艙也配備了相同的太空廁所。我國太空廁所采用的都是抽氣馬桶，據悉，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由天舟貨運飛船統一運回地球，其中大部分隨著飛船進入地球大氣層被拋棄燒毀，少數會被帶回地面進行評估。而尿液等液體廢物被輸送到再生式生命保障系統，在太空實現循環再利用，凈化后的尿液可用于飲用和制氧。

中國空間站的太空廁所采用了先進氣流抽吸技術，能夠在微重力環境下精準、高效地收集固體和液體排泄物，尿液處理系統能將90%左右的尿液轉化為可循環利用的水，這一指標已達到國際先進水平。除此之外，太空廁所通過可閉合簾子等設計，為航天員提供了相對獨立的私密空間;其關鍵部件采用的鈦合金等高品質材料具有良好的耐用性和穩定性，有助于廁所系統在長期太空任務中穩定運行;廁所系統還做了冗余設計，以確保即使某個部件出現故障，也能保證基本功能正常，從而降低因設備故障而影響任務的風險。

總體上看，目前中國空間站的太空廁所技術已處于國際先進水平，不僅具備多重安全保障，還配備了先進的智能控制系統。特別是一些操作過程已實現自動化，如排泄物的收集、密封和輸送等，航天員減少手動操作，可降低出現操作失誤的可能性，從而提高工作效率。隨著世界航天技術的發展，相信未來會有更適合太空環境的廁所系統被研發出來，助力人類更安全、穩定、舒適地執行長期太空任務。

(作者龐之浩 為全國空間探測技術首席科學傳播專家)

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