“太空如厕”为何是个科学难题

　　美国耐力号载人“龙”飞船日前因厕所中的一个爆破盘破裂，导致飞船与“国际空间站”对接的时间比预期晚了30多分钟。虽然这一“小插曲”没有对航天任务的后续开展造成影响，但再次引起了公众对太空厕所的关注。

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　　执行太空任务上厕所最麻烦

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　　在太空生活中，航天员感到最麻烦的事情就是上厕所，因为太空马桶与地面上使用的马桶很不一样。

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　　由于载人航天器内是微重力环境，水不会往下流，所以太空不能使用抽水马桶，而要使用抽气马桶。抽气马桶靠气流将排泄物带走，使用时臀部须跟马桶的边缘贴紧，使马桶内完全密封，工作原理类似吸尘器。早期的抽气马桶比较简易，它与一个塑料套相连，如厕后要快速关闭橡皮阀，大便被气流导入不透气的橡皮口袋并投入特制垃圾箱，尿液则被导入尿液储存箱。那时候，装满排泄物的垃圾箱会被弹出舱外，后来这种方法因污染空间环境遭到非议而被禁用。

　　为了方便收集排泄物，防止交叉感染，同时便于精准设计，提高使用效率，现代太空抽气马桶分为大便器和小便器两种。其中，大便器的外形与地面上的马桶相似，只是中央孔径较小，约10厘米，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，启动后可从马桶中抽气并使空气发生颤动，这种空气颤动能将固体排泄物成形的部分碎裂，再将其抽进马桶底部的收集袋。大便器的操作简单，其右侧有一个银白色的推拉开关，使用者在马桶上坐好后将开关向前推，孔内滑片打开，抽气机启动，结束如厕后将开关向后拉，抽气则停止。小便器前端有一个漏斗状的适配器，下端连接一根软管，软管的另一端连着小型抽气机，可以将小便收集和输送到小便桶中。小便桶装满后，尿液会被自动输送到水处理装置中净化，重复使用（如用作饮用、洗漱和制取氧气）。

　　硬件有了，在太空如厕还要解决人体“配合”的问题，所以在执行太空任务前还需训练如厕技术，牢牢记住自己臀部与马桶座部的相对位置。如有偏差，排泄物就可能在微重力环境中造成四散的“灾难”。美国约翰逊航天中心曾专门设计了一个有些令人尴尬的马桶训练器。训练器内安装了一台电视摄像机，当宇航员坐在马桶上时，可以通过电视不断复盘和提升自己的如厕技能。同时，宇航员要用一条束带将自己和坐便器固定好，避免身体漂浮出现“泄露”。

　　还有一件需要宇航员小心对待的“小事”，那就是在太空中放屁最好到厕所解决。因为放屁产生的反作用力可能把人推走，并污染航天器座舱中的环境，而且屁中的氢和甲烷等都是可燃气体，严重时可能引起爆炸。

　　3个原因易致太空马桶故障

　　其实，太空厕所系统出现技术故障是常有的事。比如，1984年美国航天飞机第12次飞行时，由于航天飞机上的小便装置出口处结冰，堵塞厕所，使得机上的6名（5男1女）宇航员几乎陷入困境，最后决定除一名女宇航员可以继续使用外，其余5人均需使用备用的大小便收集袋。2009年7月，“国际空间站”上的厕所泵分离器进水出现故障，导致空间站和美国奋进号航天飞机上共13名宇航员遭遇“如厕难”。

　　与“国际空间站”处于相对封闭空间的厕所相比，美国载人“龙”飞船的厕所设计比较先进，拥有360度视野，使用者能同时看到地球和深空；采用伸缩式马桶，不用时可收起，有效节省了空间，而“国际空间站”的厕所由于要满足多人长期使用以及需配备较复杂的废物处理系统，整体体积和重量较大；“龙”飞船的厕所虽然只有一块帘子将如厕者与其他人隔开，但如厕时可通过爬进飞船返回舱的上层来实现一定程度的空间隔离，而“国际空间站”的厕所通常是一个相对开放的隔间，私密性较差。

　　载人“龙”飞船的厕所也多次出现过故障。2021年9月该飞船在执行“灵感四号”任务期间，曾有一个警报器响起，原因是厕所的风扇出现机械故障；2021年11月，因厕所管道未粘好，导致尿液泄漏到厕所风扇和地板下，虽然漏出的液体未对飞船构成损害，但为了安全起见，宇航员只能在返航途中穿上“尿不湿”。

　　针对这些问题，研制载人“龙”飞船的美国太空探索技术公司采取了一系列整改措施，如把冲尿管焊牢、在马桶上焊接尿液冲洗管、增强监测能力、优化设计以及增加备用组件等。尽管如此，今年3月中旬，载人“龙”飞船还是在前往“国际空间站”途中出现了新问题，其厕所的一个爆破盘发生破裂，导致与空间站的对接时间延迟。爆破盘作为厕所系统的安全装置，用于在压力过高时破裂以释放压力。虽然破裂的具体原因尚不清楚，也未造成尿液泄漏，宇航员仍被要求暂停使用厕所，转而使用应急排泄袋。看来，载人“龙”飞船的厕所性能还需进一步提高。

　　客观来看，太空厕所系统容易出现故障主要有以下几方面原因。

　　1.环境特殊 在微重力环境中，传统的排水和排污系统无法正常工作，需要设计与这种环境相适应的厕所系统，如特殊的收集和处理系统，来防止排泄物飞溅或泄漏。这些特殊设计在长期使用中可能会出现问题。

　　2.技术受限 太空马桶需根据人的生理需求，以及设备重量、体积和维护的便捷性来设计，更加复杂的技术必然会增加故障的可能性。此外，太空马桶要使用特殊的材料和制造工艺来确保在微重力环境下的可靠性和耐用性，如果材料选择不当或制造工艺不过关，就可能埋下隐患。

　　3.维护不当 由于太空任务的特殊性和复杂性，对太空马桶的维护和修理要求很高，再加上很多未知的意外情况，大大增加了及时发现、处理故障的难度。

　　系统“失灵”可能危及健康

　　太空厕所系统“失灵”带来的不只是卫生问题，还会威胁到人体健康。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，它们有可能进化成致病细菌，导致宇航员患病。因此，如何更新升级太空厕所一直是科学家研究的重要课题。

　　据公开消息，2007年美国曾斥资1900万美元从别国订购了一个太空马桶，并表示这比自己研发更划算。但后来马桶出了问题，导致有时宇航员不得不用手抓住浮在空中的排泄物。

　　2020年10月，美国用“天鹅座”货运飞船把一个叫作“通用废物管理系统”的新型太空马桶送往“国际空间站”。这款马桶研制了6年多时间，耗资2300万美元，堪称史上最贵的太空马桶。新型马桶重45千克，高71厘米，相比旧款，重量和体积分别减少了40%和65%，明显节省了占地空间。为了确保排泄物不会四散，新型马桶采用的是3D打印的钛合金风扇分离器，可以产生强大的吸力。由于尿液回收效率得到提升，经处理后可以转变为饮用水的比重也增加了。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转化为氨，再将氨分解为水和能量。这种将尿液通过过滤净化得到的纯净水，据称比地面上的纯净水还干净。

　　这款新型马桶还有一个特点，即打开马桶盖后会自动抽气，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，节省了清洁和维护时间。

　　目前，“国际空间站”上的两个厕所均采用气流吸走排泄物，再通过旋转扇叶将固体废物储存在容器中的方式，比过去的技术有了很大进步。只不过，宇航员如厕要做到“瞄准”依旧需要掌握技巧，毕竟太空马桶的开口尺寸只有地面上寻常马桶的1/4。

　　中国太空厕所技术跻身世界前列

　　中国太空厕所的发展经历了怎样的过程呢？

　　2003年10月，中国太空第一人杨利伟乘坐神舟五号上天。由于只需在太空飞行近一天，他携带的是“尿不湿”，通过吸水材料把小便变成絮状的固态物。2005年上天的神舟六号载人飞船要在太空飞行5天，于是厕所成了太空生活必备品。当时，神舟六号在轨道舱里安装了一个大小便收集器，它吸收了俄罗斯“联盟”系列飞船废物收集系统的技术经验，采用半自动废物收集和处理系统，由废物收集桶、尿液贮箱、收集装置、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。为了使排泄物不易泄露，大便器直径约为10厘米，小便器直径在5厘米左右。太空中的飞船处于失重环境，任何没有密闭的东西都有可能四处漂浮，因此如厕前要先打开位于整套装置最末端的抽风机。这样一来，整个装置会保持向内抽风的状态，排泄物一旦和人体分离，就会立即向下运动，而不会因失重散落到装置外。

　　2021年，我国空间站的第一个舱——天和核心舱上天，舱内配备了我国首个真正意义上的太空厕所。2022年发射的问天实验舱也配备了相同的太空厕所。我国太空厕所采用的都是抽气马桶，据悉，其大便器即坐便器的支架采用钛合金材料，收集装置配有以橡胶材质为主的一次性垃圾收集袋，具有良好的耐用性和密封性；小便器分为男用、女用两款。收集后的固体排泄物会由天舟货运飞船统一运回地球，其中大部分随着飞船进入地球大气层被抛弃烧毁，少数会被带回地面进行评估。而尿液等液体废物被输送到再生式生命保障系统，在太空实现循环再利用，净化后的尿液可用于饮用和制氧。

　　中国空间站的太空厕所采用了先进气流抽吸技术，能够在微重力环境下精准、高效地收集固体和液体排泄物，尿液处理系统能将90%左右的尿液转化为可循环利用的水，这一指标已达到国际先进水平。除此之外，太空厕所通过可闭合帘子等设计，为航天员提供了相对独立的私密空间；其关键部件采用的钛合金等高品质材料具有良好的耐用性和稳定性，有助于厕所系统在长期太空任务中稳定运行；厕所系统还做了冗余设计，以确保即使某个部件出现故障，也能保证基本功能正常，从而降低因设备故障而影响任务的风险。

　　总体上看，目前中国空间站的太空厕所技术已处于国际先进水平，不仅具备多重安全保障，还配备了先进的智能控制系统。特别是一些操作过程已实现自动化，如排泄物的收集、密封和输送等，航天员减少手动操作，可降低出现操作失误的可能性，从而提高工作效率。随着世界航天技术的发展，相信未来会有更适合太空环境的厕所系统被研发出来，助力人类更安全、稳定、舒适地执行长期太空任务。

　　（作者庞之浩 为全国空间探测技术首席科学传播专家）