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神舟13号航天员将在太空呆6个月,如厕问题怎么解决?技术含量高

  神舟13号乘组有3名航天员:翟志刚、王亚平、叶光富,其中王亚平还是一位女航天员。他们要在空间站里呆上6个月,比神舟12号的3名航天员长一倍。如此长的在轨时间,也让大家对航天员的生理问题非常关注,例如女性如何解决生理期等。
  神舟十三号的3名航天员
  不过,女性生理期可以想办法推迟或暂停,但人有三急,"屎尿屁"可不能憋着。这些在地球很好解决的事情,在太空中竟然成了棘手问题,用上了相当有技术含量的高科技。为什么会这样呢?咱们先来看看如何排泄的问题,这个在地球上再正常不过的动作,在空间站却成了难题,罪魁祸首就是失重的环境。
  空间站处于微重力环境
  在地球上无论是排便还是排尿,都会受到重力的作用,排泄物会自然下落。只要马桶开口够大,稍加瞄准就可轻松搞定,不会把周围弄脏一点点儿。但在太空的微重力环境下,便便和尿液会不受控制的到处乱飞,这可不仅仅是无法命中目标的问题,搞不好会酿成一场大灾难。乱飞的排泄物会沾染空间站的环境,令人作呕,还有可能造成设备故障。
  在人类载人航天的早期探索阶段,由于航天员不会在太空常驻,往往只是在天上转几圈就下来,所以经常采用低残渣饮食、发射前清洁肠道等方法来避免在任务期间排便。排尿则可以用收集袋来解决。到了60年代后期,阿波罗登月计划实施,航天员的任务时间长达8天以上,拉屎排尿的问题就无法回避了。
  尿液收集袋
  但在狭小的阿波罗飞船上不可能建一个厕所,于是美国人使用了粪便收集袋,这种袋子有个漏斗状的圆形开口,使用时用胶布将收集袋开口粘在屁股上排泄,用完之后还要把杀菌剂倒入袋中密封,并揉搓均匀,否则粪便会产生气体,有可能把袋子爆掉。
  阿波罗飞船的粪便收集袋以及使用方法
  这种袋子想想就很麻烦,而且很容易出"飞翔事故"。在阿波罗10号任务被解密的通讯记录中,就出现了下面一段著名对话:
  塞尔南:那玩意儿是从哪里来的?
  斯塔福德:快给我张纸!这是一坨"屎",就要从我眼前飘过了!
  杨:这不是我拉的,我拉的不是这个形状!
  塞尔南:我也不认为这是我拉的!
  斯塔福德:也不是我!我的有点粘。赶紧把它丢掉!
  杨:万能的上帝!
  然后就传来了地面人员的笑声,阿波罗10号因此成为第一艘被大便袭击的载人飞船。后来的登月过程中,宇航员纷纷把装有粪便的袋子扔到了月球上。以现在的眼光来看,这种行为严重地污染了月球环境!
  污染月球环境有实锤
  阿波罗登月之后,人类探索太空的脚步并未停止,随着空间站的建设,航天员在天上呆的时间越来越长,粪便收集袋、尿液收集袋,以及后来由华人唐鑫源博士发明的超强尿不湿,都已经满足不了需求,是时候认真考虑一下厕所的问题了!于是太空马桶应运而生。
  太空马桶的首要目的就是在失重条件下控制住便便和尿液,让它们不要到处"飞翔"。要实现这一目的,目前能想到的最好办法就是利用气流,通过负压等方法在收集口形成的强大向内气流,可将排泄物吸进去并储存起来。原理很简单,但是实现起来并不容易。
  美国航天飞机使用的太空马桶
  为了确保密封性,收集便便的开口相当小,美国曾使用的某款太空厕所的开口仅10厘米,要想对准实属不易,以至于美国人还开发了一套摄像系统,宇航员可以实时监控自己屁屁的位置,通过这种训练来提高如厕"精度"。而小便则通过一根管子来收集,男性比较方便,对女性就不太友好了。
  在如厕时,宇航员还要注意固定住自己的身体,否则在方便时飘走了就尴尬了,还得保证把臀部紧紧地贴在开口上,否则仍有"飞翔"的可能。早期的太空抽气马桶十分难用,例如美国"天空实验室"上的马桶,据说有位仁兄上去后干脆不吃饭,以避免使用该马桶,但由于人不吃饭也不能保证不排泄,最后也没能幸免。
  国际空间站上的马桶开口大小
  别看这种太空抽气马桶如此不好使,内部结构可是相当复杂,属于高科技产品。随着技术的不断改进,太空马桶还配备了尿液分流器、粪便压缩干燥器、臭味抑制器和细菌过滤器等设备, 技术含量很高。现在据说还出现了能够在如厕后吹干屁股的吹风机,考虑的算是相当周到了。
  不仅仅是大小便,航天员的另一种排泄物:气体,也需要用太空马桶解决。由于屁的成分中含有甲烷、氢气等可燃气体,如果直接排到空间站的空气中,不仅味道难闻,积聚起来还有爆炸风险。因此,航天员如果想要释放气体,也得使用抽气马桶。
  国际空间站上的俄制厕所
  在太空马桶领域,俄罗斯的技术在相当长的时间里都比美国好,以至于国际空间站上的厕所就是俄罗斯建造的,价钱高达1900万美元。后来NASA自己开发了一套马桶UWMS送了上云,使用更方便,更耐腐蚀,对女性也更加友好。据说在研制过程中特意研究了女性志愿者的如厕过程,以便达到最佳的人体工程学效果。但这套马桶比俄国货还贵,价格达到了2300万美元。
  新式太空马桶UWMS
  我国在神舟5号首次载人上太空时,由于逗留时间短,航天服里配备的还是类似尿不湿的小便收集装置,到了神舟6号就有了类似太空抽气马桶的大小便收集器。现在,我国空间站也配备了自主研制的专属太空马桶,根据男女航天员的不同生理结构特点设计,可以在风机作用下,产生稳定、可靠的气体流场,从而在微重力环境下实现排泄物的收集,这说明我们在"太空如厕技术"方面已经达到了国际先进水平。
  解决了如何如厕的问题并不算完,还得考虑如何处理排泄物。神舟13号的3名航天员将在太空中呆上6个月,这期间产生的排泄物总量还是相当大的!
  一般来说,人每天平均需要排便150~200克,排尿1500~2000毫升。咱们取个中值,按每天排便175克,排尿1750毫升计算,3名航天员在6个月时间里总的排便量将达到94.5公斤,排尿量更是达到了964公斤(尿比重按1.02)。即便考虑到航天员吃的可能是低残渣饮食,排便量较少,但尿液是不太可能能减少的,排泄物总量还是大概率会超过1000公斤,十分惊人。
  这么大的量,能不能像在地球上一样,建一个化粪池来储存呢?在寸土寸金的空间站上显然不能,而且储存这么多排泄物也没多大用处。因此,粪便会进行真空干燥处理,排出其中的水分,剩下的固体物质将被带回地球,或是由货运飞船在返回时在大气层中烧毁,化作流星般的烟火。
  货运飞船在返回大气层时烧毁
  不过除了便便之外,尿液也是个大问题!根据前面的计算,在6个月的时间里3位航天员的排尿量达到900多公斤,接近1吨,这么多的尿液会占据相当大的体积,不可能一直储存在空间站上。因此,早期的太空厕所会将其直接排出舱外。尿液一到外面就会先沸腾,然后再凝华,形成云状的尿晶体,闪闪发光十分漂亮。
  然而在观赏完美景后,这些冰晶就会带来很大的麻烦。1986年发射的和平号空间站就使用了排出式的浴室和厕所,经过多年运行之后,太阳能电池板被洗澡水和尿液形成的冰块层层包裹,发电效率损失了40%,运动的冰块还会撞击电池板造成损坏。
  和平号空间站
  因此,现在空间站里的太空马桶已经不再向太空直排,而是会先对尿液进行处理。由于尿的成分绝大部分都是水,而水在太空中是一种宝贵的资源。用火箭和货运飞船向空间站运送1吨水,代价是非常高昂的,因此,尿里的水分就被科学家看中了。
  我国空间站就配备了尿处理子系统和净水器,在经过蒸馏和深度净化等复杂的处理工艺后,尿液中的水分会被回收,纯净程度达到了可以饮用的水平。航天员不仅可以喝这些水,还能够拿来制氧。这样一来,空间站就实现了水的循环利用,极大地减轻了物资运送的负担和成本。
  现在,三急的问题都解决了,大家可以放心了吧!
  我国空间站
  #科普有料#

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