宇航員如何在太空解決生理需求

? the United Nations

利維坦按：

2016年6月，英國(guó)宇航員蒂姆·皮克（Tim Peake）在國(guó)際空間站呆了大半年終于返回了地球。回來(lái)第三天，他就沒忍住跟記者吐槽說(shuō)：“當(dāng)你剛返回地球時(shí)，重新感受重力的過(guò)程特別糟糕，但幾種情況例外——比如上廁所。此刻重力變成了你的朋友，這是我們宇航員都盼望的事情。”

不過(guò)和在空間站有廁所的生活相比，在空間站出現(xiàn)前的早期人類太空探索中，那些宇航員的屎尿問(wèn)題可就沒有這么簡(jiǎn)單了。

1961年5月5日上午8點(diǎn)15分，宇航員艾倫·巴特利特·謝潑德（Alan Bartlett Shepard）正面臨一場(chǎng)意想不到的危機(jī)。

作為被選中的第一位進(jìn)入太空的美國(guó)人——謝潑德在凌晨5點(diǎn)15分被固定在他的“自由7號(hào)”飛船中，艙門在他身后已被鎖死。原定在7點(diǎn)20分發(fā)射，但由于卡納維拉爾角上空的云層以及各種技術(shù)故障導(dǎo)致的一系列延遲，讓謝潑德整整坐在他的“紅石”（Redstone）火箭頂部超過(guò)三個(gè)小時(shí)。

很快，一種不舒適的感覺開始在謝潑德體內(nèi)蔓延，并隨著時(shí)間流逝變得愈發(fā)煎熬。起初他試圖忽略它，但最終這感覺變得難以忍受，迫使謝潑德不得不通過(guò)太空艙通信器發(fā)出求救信號(hào)：他，急需小便。

1961年5月5日，被固定在火箭頂部的宇航員艾倫·巴特利特·謝潑德。? NASA

地面控制中心震驚了。根本沒有人考慮過(guò)謝潑德該如何解決生理需求；畢竟，他的亞軌道任務(wù)預(yù)計(jì)只持續(xù)15分鐘。這是一個(gè)自那以后一直困擾宇航員的問(wèn)題，促使工程師們開發(fā)出各種奇怪、美妙，有時(shí)甚至令人作嘔的——解決方案。

在太空競(jìng)賽之前，人們幾乎從沒考慮過(guò)宇航員在任務(wù)期間將如何排泄。第一個(gè)用于長(zhǎng)時(shí)間飛行中排尿的系統(tǒng)誕生于1955年，是為洛克希德U-2偵察機(jī)飛行員研發(fā)的。這些飛行員飛行高度超過(guò)21,000米，為了生存必須穿著部分加壓服。該系統(tǒng)是一種留置導(dǎo)尿管，即一根小塑料管從飛行員的尿道插入膀胱，自動(dòng)通過(guò)軟管將尿液吸入一個(gè)收集袋。可以想象，這個(gè)系統(tǒng)極其不舒服，并且完全不受飛行員歡迎。它還可能刺激或損傷尿道壁并引起泌尿道感染。后來(lái)，人們開發(fā)了外置系統(tǒng)，使用一個(gè)類似避孕套的乳膠套裹在飛行員的陰莖上。盡管比導(dǎo)尿管舒適得多，這種“尿液收集裝置”（UCD）也并非沒有問(wèn)題。實(shí)際上，在2010年對(duì)駐加州比爾空軍基地的U-2飛行員進(jìn)行的一項(xiàng)調(diào)查中，60%的受訪者報(bào)告稱他們的UCD出現(xiàn)過(guò)問(wèn)題，包括貼合不良、泄漏以及因長(zhǎng)時(shí)間接觸尿液導(dǎo)致的皮膚刺激。

上世紀(jì)60年代的尿液收集裝置（UCD）。? National Air and Space Museum

此外，由于中央情報(bào)局掌控著U-2項(xiàng)目，其保密程度極高，外置UCD技術(shù)沒有與NASA共享。雖然1957年一群英國(guó)發(fā)明家為類似裝置申請(qǐng)了專利，擬用于“壓力服或身體束縛使正常排尿極為不便或不可能”的情況，其設(shè)計(jì)是將尿液引入一袋吸收材料中，但這一設(shè)計(jì)似乎同樣沒有進(jìn)入NASA的規(guī)劃視野。

這款UCD由CR Bard公司制造，該公司是尿道導(dǎo)管設(shè)備的制造商，曾與NASA簽訂合同，而這只是其中一個(gè)研發(fā)方案。考慮到年代久遠(yuǎn)，這件裝置從未被使用過(guò)，保存狀況相當(dāng)不錯(cuò)（除了乳膠有些老化）。? AGENT GALLERY CHICAGO

1958 年“水星計(jì)劃”（美國(guó)首個(gè)載人航天計(jì)劃）啟動(dòng)后，美國(guó)空軍贊助了一項(xiàng)關(guān)于航天器中人體排泄物收集的研究。當(dāng)時(shí)計(jì)劃中的水星任務(wù)時(shí)長(zhǎng)較短，因此糞便收集被認(rèn)為沒有必要，但尿液收集則很可能是必需的。該研究檢查了當(dāng)時(shí)市場(chǎng)上的尿液收集裝置，并得出結(jié)論：軍用飛機(jī)上使用的設(shè)計(jì)由于泄漏嚴(yán)重而不適用于太空——這一問(wèn)題在微重力環(huán)境下只會(huì)更加嚴(yán)重。最終報(bào)告建議使用醫(yī)院中用于臥床男性患者的商業(yè)UCD，它們能在陰莖周圍形成緊密密封并設(shè)有單向閥防止回流。

然而奇怪的是，NASA似乎忽略了這一研究及類似研究，水星七號(hào)宇航員的訓(xùn)練、水星飛船測(cè)試以及海軍Mk.IV航天服測(cè)試都完全沒有使用任何形式的UCD。事實(shí)上，在1961年2月，一位來(lái)自賓夕法尼亞州的12歲女學(xué)生寫信給NASA詢問(wèn)：

尊敬的先生：

在我們的科學(xué)課上我們正在討論第一位將進(jìn)入太空的人，我們想知道，當(dāng)他們?cè)谔罩袥]有重力時(shí)，他們會(huì)去哪里上廁所。

您真誠(chéng)的，

布倫達(dá)·肯默勒（Brenda Kemmerer）

NASA生命科學(xué)項(xiàng)目辦公室的弗里曼·H·昆比（Freeman H. Quimby）博士回復(fù)說(shuō)：“……第一位進(jìn)入太空的人預(yù)計(jì)不需要‘小便’。”由于最初的太空任務(wù)只有15分鐘，宇航員只需“憋住”，直到被回收船接上。

讓我們還是回到1961年5月5日的那個(gè)早晨，回到艾倫·謝潑德尷尬的飛行前困境。NASA的記錄表明在艙門附近安裝了一個(gè)尿液收集容器，但謝潑德被緊緊綁在貼身的飛行座椅上，根本無(wú)法使用。讓謝潑德出來(lái)使用常規(guī)廁所則需要地面工作人員費(fèi)力地卸下固定艙門的70個(gè)螺栓，這將進(jìn)一步推遲發(fā)射。

謝潑德再也忍不住了，請(qǐng)求允許在宇航服里小便。起初，地面控制中心拒絕了，擔(dān)心尿液會(huì)使監(jiān)測(cè)謝潑德生命體征的生物傳感器短路。但當(dāng)謝潑德建議他們直接關(guān)閉傳感器時(shí)，他們終于同意了，如釋重負(fù)的謝潑德這才得以……小便。由于謝潑德當(dāng)時(shí)呈仰臥、雙腿抬高的姿勢(shì)，尿液積聚在他的腰部，浸透了他的連體羊毛內(nèi)衣，但宇航服內(nèi)流動(dòng)的冷卻純氧迅速將其烘干。

危機(jī)得以解除，倒計(jì)時(shí)繼續(xù)進(jìn)行，上午9點(diǎn)34分謝潑德沖向湛藍(lán)天空，抵達(dá)了187.5公里的高度，隨后再返回大氣層，并在卡納維拉爾角以東487公里處落在大西洋中。盡管不如一個(gè)月前蘇聯(lián)宇航員尤里·加加林完成的地球軌道飛行那么令人震撼，但“水星-紅石3號(hào)”的飛行讓美國(guó)在太空競(jìng)賽中站穩(wěn)了腳跟。

1961年5月5日，順利從太空返回后的宇航員艾倫·謝潑德。? MPI / Getty Images

艾倫·謝潑德的尷尬經(jīng)歷，促使NASA在下一次水星任務(wù)之前開發(fā)出實(shí)用的UCD設(shè)計(jì)——也就是1961年7月21日宇航員古斯·格里森（Gus Grissom）的“水星-紅石4號(hào)”飛行。一則廣為流傳的說(shuō)法稱，水星七號(hào)宇航員護(hù)士“迪”·歐哈拉（Dee O’Hara）在格里森飛行前夜用避孕套和女性束腰帶拼湊出了第一個(gè)UCD。實(shí)際上，格里森穿的是兩層橡膠失禁短褲，這樣尿液會(huì)被收集在兩層之間。他還被禁止喝晨間咖啡——眾所周知，咖啡是一種利尿劑。事實(shí)上，格里森最終根本沒有排尿的需求。

與此同時(shí)，NASA指派詹姆斯·麥克巴倫（James McBarron）負(fù)責(zé)監(jiān)督B.F.古德里奇公司（B.F. Goodrich）的相關(guān)工作——這家公司生產(chǎn)“水星計(jì)劃”宇航員使用的海軍Mk.IV太空服——以便為后續(xù)的太空飛行研發(fā)一款標(biāo)準(zhǔn)化的UCD。由于該公司無(wú)法制造出令人滿意且不會(huì)泄漏的系統(tǒng)，麥克巴倫與NASA載人航天中心太空服實(shí)驗(yàn)室的阿爾·羅奇福德（Al Rochford）和喬·施密特（Joe Schmitt）不得不親自解決這個(gè)問(wèn)題。

麥克巴倫從多家商業(yè)制造商那里購(gòu)買了安全套，測(cè)試其貼合度和耐用性，直到找到理想的品牌，然后與該制造商合作開發(fā)UCD。最終版UCD包括一條穿在宇航員太空服下的彈性腰帶，其上連接著乳膠套管、一段短橡膠管、防止逆流的單向閥、太空艙落下后用于封閉系統(tǒng)的夾子，以及一個(gè)扁平的聚乙烯收集袋。整個(gè)組件由一套緊身內(nèi)衣固定在適當(dāng)?shù)奈恢谩?/p>

與早期美國(guó)航天計(jì)劃相關(guān)的另一個(gè)廣為流傳的傳說(shuō)是：為了迎合宇航員傳奇般的自尊心，NASA不得不更改UCD的尺寸分類。這一說(shuō)法似乎源自工程師唐納德·里泰克（Donald Retake）——由于他在宇航員排泄收集系統(tǒng)方面的廣泛工作而被稱為“沖水博士”（Dr. Flush）。他在2008年科學(xué)頻道紀(jì)錄片系列《月球機(jī)器》（Moon Machines）中說(shuō)：

“在尿液收集組件內(nèi)部，我們稱之為‘尿袋’，里面有一個(gè)一升的袋子。與身體連接的部分是一個(gè)末端帶有軟管的安全套，允許尿液自由流入袋中。安全套最初有三種尺寸：小號(hào)、中號(hào)和大號(hào)。但無(wú)論他們的真實(shí)尺寸如何，很少有宇航員愿意接受自己不是大號(hào)。于是我們把名稱改成了大號(hào)、特大號(hào)和巨無(wú)霸號(hào)。”

阿波羅11號(hào)宇航員邁克爾·柯林斯（Michael Collins）在1974年的自傳 《攜火者：一名宇航員的旅程》（

Carrying the Fire: an Astronaut’s Journeys

“……然后就要穿上一個(gè)三角形的黃色塑料尿袋，把陰莖插入其內(nèi)置的橡膠接入口。接入口有三種尺寸（小、中、大），但它們總是以更英雄的說(shuō)法來(lái)稱呼：大號(hào)、特大號(hào)和巨無(wú)霸號(hào)。”

實(shí)際上，這種尺寸分類更像是宇航員之間的非正式玩笑，而不是NASA玩的心理把戲。事實(shí)上，無(wú)論他們的成見或不安如何，宇航員們很快就從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)會(huì)應(yīng)該使用哪種尺寸的套管，正如阿波羅9號(hào)宇航員拉塞爾·“拉斯蒂”·施韋卡特（Russell “Rusty” Schweickart）后來(lái)回憶的那樣：

“在太空服里活動(dòng)時(shí)，總有可能把安全套弄掉，而且我們有三種直徑的套管，不過(guò)，選擇哪一種總會(huì)帶有一點(diǎn)自尊問(wèn)題。 當(dāng)然，聰明的人會(huì)選擇正確的尺寸，因?yàn)檫@非常重要。 但如果你選得太小，它會(huì)實(shí)際壓住尿流，你會(huì)憋得臉色發(fā)黃，因?yàn)楦灸虿怀鰜?lái)；而如果你因?yàn)樽宰鸲x了大號(hào)，但你本來(lái)應(yīng)該用中號(hào)，那么你第一次排尿時(shí)，結(jié)果就是一半的尿液不在袋子里，而是在你身上。而那會(huì)是你最后一次犯這種錯(cuò)誤。所以這算是個(gè)挺有趣的小教訓(xùn)。”

無(wú)論如何，麥克巴倫的UCD首次使用是在1962年2月20日的“水星-阿特拉斯6號(hào)”任務(wù)中，在這次任務(wù)中，宇航員約翰·格倫（John Glenn）成為首位繞地球軌道飛行的美國(guó)人。在整個(gè)三圈軌道飛行中，格倫使用過(guò)一次UCD，將756毫升尿液排入收集袋。令人驚訝的是，這比普通男性膀胱容量大出了30%以上——這是微重力對(duì)人體生理產(chǎn)生奇怪影響的結(jié)果。通常，重力會(huì)將尿液拉向膀胱底部，使膀胱壁逐漸擴(kuò)張。當(dāng)膀胱約三分之二滿時(shí)，神經(jīng)會(huì)開始感知這種擴(kuò)張，并向身體發(fā)出排尿信號(hào)。然而在微重力環(huán)境中，尿液傾向于聚成一個(gè)球狀，直到膀胱遠(yuǎn)超常規(guī)容量時(shí)才開始?jí)浩劝螂妆凇?/strong>所以從某種意義上說(shuō)，約翰·格倫的軌道排尿是航天系統(tǒng)工程的一個(gè)里程碑——這大概就是為什么自1970年起，他的UCD一直在華盛頓特區(qū)國(guó)家航空航天博物館公開展出的原因。

“尿液轉(zhuǎn)移系統(tǒng)”（UTS）。? National Air and Space Museum

雖然如果尺寸不合適或安裝不當(dāng)，有時(shí)容易漏尿，但詹姆斯·麥克巴倫設(shè)計(jì)的UCD最終成為NASA在水星、雙子星和阿波羅計(jì)劃期間的標(biāo)準(zhǔn)裝備。在前往月球及返回地球的飛行中，阿波羅宇航員可以通過(guò)一根軟管將UCD與“尿液轉(zhuǎn)移系統(tǒng)”（Urine Transfer System, UTS）連接，將尿液收集到機(jī)載儲(chǔ)罐中。大部分尿液隨后被排放到太空艙外，但有一部分則被保留下來(lái)，以便任務(wù)結(jié)束后由飛行醫(yī)生進(jìn)行分析。當(dāng)宇航員在月球表面活動(dòng)時(shí)，尿液則排入他們太空服下穿戴的聚乙烯袋中。

有趣的是，在阿波羅11號(hào)任務(wù)中，阿波羅宇航員埃德溫·“巴茲”·奧爾德林（Edwin “Buzz” Aldrin）成為歷史上第一個(gè)在月球上“方便”的人。就在他從登月艙梯子上走下月球表面之前，他解決了這個(gè)生理需求，這也成為他的一個(gè)“首次”。奧爾德林后來(lái)曾說(shuō)：“每個(gè)人在月球上都有自己的第一次，而這個(gè)沒有人對(duì)它提出異議。”

太空靴里灌滿尿液的月球漫步：圖為1969年7月20日，阿波羅11號(hào)登月任務(wù)結(jié)束后，登月艙駕駛員、宇航員埃德溫·奧爾德林站在月球表面。照片背景中可以看到登月艙。? NASA

不幸的是，這次經(jīng)歷比奧爾德林可能期望的要混亂。由于登月艙著陸的程度比預(yù)期更輕——登月艙的著陸架壓縮得比預(yù)期少——所以當(dāng)奧爾德林跳下梯子踏上月球表面時(shí)，他落下的距離比預(yù)想中要高，隨之受到的沖擊損壞了他的UCD，使得尿液沒有排進(jìn)正確的收集袋，而是進(jìn)到了奧爾德林的太空靴里。沒錯(cuò)：在那次歷史性的2小時(shí)31分鐘月球艙外活動(dòng)期間，巴茲·奧爾德林就這樣一邊走，一邊腳上的太空靴里晃動(dòng)著尿液。我們誰(shuí)都不會(huì)愿意遇上那種情況，巴茲……

NASA的一次性吸收型收納褲（DACT）：DACT是為早期航天飛機(jī)任務(wù)中的女性宇航員開發(fā)的，用于發(fā)射或太空行走期間無(wú)法使用廁所的情況。? NASA

UCD一直被使用到早期航天飛機(jī)計(jì)劃期間，后來(lái)它被一次性吸收型收納褲（Disposable Absorption Containment Trunk，簡(jiǎn)稱DACT）所取代。DACT的本質(zhì)就是一套經(jīng)過(guò)升級(jí)的成人紙尿褲。1978年，NASA向女性航天員開放宇航員隊(duì)伍，這些女性的生理結(jié)構(gòu)與原有的UCD不兼容，促使了DACT的研發(fā)。1983年4月4日，首批成人紙尿褲在航天飛機(jī)“挑戰(zhàn)者號(hào)”STS-任務(wù)中由僅男性機(jī)組成員首次帶入太空；兩個(gè)月后的6月18日，美國(guó)第一位女性宇航員莎莉·萊德（Sally Ride）在STS-7任務(wù)期間也穿戴了這種設(shè)備。

然而，NASA很快意識(shí)到定制的DACT成本過(guò)高，從1988年起改為采購(gòu)商業(yè)現(xiàn)成的成人尿布，稱為最高吸收量服裝（Maximum Absorbency Garments，簡(jiǎn)稱MAGs）。這些尿布內(nèi)部含有足夠量的聚丙烯酸鈉材料，能夠吸收兩升尿液或其他體液。美國(guó)宇航員至今在發(fā)射和重返大氣層階段穿戴這些MAGs，其它時(shí)間在執(zhí)行艙外活動(dòng)（太空行走）時(shí)也穿戴在他們的艙外活動(dòng)服裝（Extravehicular Mobility Units, EMUs）之下。

此時(shí)，你很可能注意到我們到目前為止忽略了一個(gè)廢棄物處理方案中非常重要的部分。也就是——大便。比起尿液收集，早期NASA的設(shè)計(jì)者和工程師對(duì)固體廢物管理問(wèn)題幾乎不做考慮，并選擇完全回避這個(gè)問(wèn)題。畢竟，當(dāng)時(shí)的水星任務(wù)預(yù)計(jì)最多持續(xù)一天。不過(guò)，為了避免意外，在任務(wù)前幾天，宇航員們會(huì)被要求食用一種“低殘?jiān)憋嬍场叩鞍住⒌屠w維，比如牛排和雞蛋，這也后來(lái)成為美國(guó)宇航員傳統(tǒng)的飛行前早餐。這種飲食同樣能最大程度減少腸道氣體產(chǎn)生，因?yàn)樵诤教炱髋搩?nèi)減壓環(huán)境下，這些氣體會(huì)膨脹并引起劇烈疼痛。

即便放到今天，俄羅斯宇航員仍遵循類似做法。雖然他們的“聯(lián)盟號(hào)”飛船通常只需數(shù)小時(shí)便抵達(dá)國(guó)際空間站，但視軌道機(jī)動(dòng)情況，有時(shí)也會(huì)在對(duì)接前在軌道上停留數(shù)天。而盡管“聯(lián)盟號(hào)”配備了一個(gè)簡(jiǎn)易的太空廁所（稍后我們會(huì)詳細(xì)談到）宇航員們通常不愿使用它，他們會(huì)將“低殘?jiān)嬍场迸c飛行前腸道灌腸結(jié)合，以徹底清空腸道。

不過(guò)，這種策略對(duì)水星任務(wù)來(lái)說(shuō)尚能湊合，但當(dāng)NASA轉(zhuǎn)向較長(zhǎng)航程的雙子星與阿波羅任務(wù)時(shí)，大便的收集問(wèn)題已無(wú)法再被忽視。最終他們?cè)O(shè)計(jì)出的糞便收集裝置——糞便收集組件（Fecal Collection Assembly，簡(jiǎn)稱FCA）——卻成為太空飛行歷史上最令人厭惡的硬件之一。

糞便收集組件（FCA）：惠而浦的這款FCA是為阿波羅計(jì)劃宇航員配備的個(gè)人衛(wèi)生系統(tǒng)的一部分。然而，這款收集袋并未隨飛船執(zhí)行任務(wù)。? National Air and Space Museum

該裝置由家電公司惠而浦（Whirlpool Corporation）制造，結(jié)構(gòu)是一個(gè)帶有粘性墊圈的小透明塑料袋，用以密封宇航員裸露的臀部開口。正常情況下，在地球上排便時(shí)重力會(huì)使糞便從肛門下落，但在太空的微重力環(huán)境中，這種情況不會(huì)發(fā)生。于是，F(xiàn)CA的側(cè)壁設(shè)計(jì)了一個(gè)小袋或“窩”，宇航員需將手指伸入其中幫助將固體糞便從肛門處“挑出”……美妙吧（下圖所示）。一旦“事務(wù)”完成，F(xiàn)CA里會(huì)附帶幾張衛(wèi)生紙和濕巾，供宇航員清潔自身，清潔用品會(huì)連同宇航員的……排泄物一起丟棄在密封袋里。

? Facebook

如果你覺得這已經(jīng)非常糟糕——尤其是在狹小的航天器空間里當(dāng)著其他人的面進(jìn)行——做好心理準(zhǔn)備，因?yàn)楦愀獾倪€在后面。不同于尿液，這些裝滿排泄物的FCA并不能扔出艙外，而必須留在飛船內(nèi)儲(chǔ)存。若不進(jìn)一步處理，這些充滿細(xì)菌的排泄物會(huì)很快發(fā)酵，產(chǎn)生甲烷等氣體，使袋子膨脹甚至破裂——這將成為“最字面意義上”的“糞便爆炸”。因此，每一個(gè)FCA都配有一包殺菌液，宇航員需在封袋前將這包殺菌液擠破，將藥液徹底揉入糞便中，以確保所有產(chǎn)氣細(xì)菌被殺死。

正如你可以想象的那樣，宇航員們非常討厭使用FCA，并會(huì)盡一切可能避免排便，比如干脆憋著，或只吃分配餐食的一半。而事實(shí)上，你也不能怪他們。正如NASA自己的官方歷史所述：

“排泄物收集系統(tǒng)呈現(xiàn)出一套更加令人厭惡的問(wèn)題。收集過(guò)程需要極高的技巧，才能防止糞便從收集袋中逃逸，導(dǎo)致污物沾上機(jī)組成員、他們的衣物或艙內(nèi)表面。而且，由于該系統(tǒng)使用起來(lái)的困難程度，排便收集過(guò)程也極為耗時(shí)。阿波羅7號(hào)的一名宇航員估計(jì)，正確完成整個(gè)過(guò)程需要45分鐘。糞袋難以準(zhǔn)確放置；這更因防護(hù)服背部的開口太小而變得復(fù)雜，這個(gè)開口讓袋子的放置更加困難。”

左起：尤金·塞爾南、湯姆·斯塔福德、約翰·揚(yáng)。? NASA

此外，不當(dāng)使用FCA會(huì)造成很惡心的情況，正如阿波羅10號(hào)（阿波羅11號(hào)登月前的彩排任務(wù)）的機(jī)組人員在1969年5月發(fā)現(xiàn)的那樣：

登月艙駕駛員尤金·塞爾南：“那東西從哪來(lái)的？”

指令長(zhǎng)湯姆·斯塔福德：“快給我一張紙巾，空氣里飄著一坨屎。”

指令艙駕駛員約翰·揚(yáng)：“不是我干的。這不是我的。”

塞爾南：“我也覺得這不是我的。”

斯塔福德：“我的比那坨更黏一些。把它扔掉。”

揚(yáng)：“天哪。”（笑）

塞爾南：“又來(lái)一坨該死的屎。你們到底怎么回事？來(lái)，把——”

（揚(yáng)與斯塔福德笑）

斯塔福德：“它就這么飄來(lái)飄去嗎？”

塞爾南：“是的。”

斯塔福德（笑）：“我的比那更黏。”

揚(yáng)：“我的也更黏。它撞到那個(gè)袋子了——”

塞爾南：“我不知道這是誰(shuí)的。我既不能承認(rèn)也不能否認(rèn)（笑聲）。”

揚(yáng)：“這到底是怎么回事？”

雖然漂浮大便歷史上確有其事，但這張圖很可能只是惡搞圖片……

是誰(shuí)造成了這次“糞便近距離接觸事件”至今仍是個(gè)謎……即便廢物安全地留在袋子里，鑒于雙子星和阿波羅艙內(nèi)空間極其有限，找到地方存放用過(guò)的袋子和其他垃圾也很快成為挑戰(zhàn)。

缺乏合適的廢棄物處理方式使得雙子星5號(hào)宇航員勒羅伊“戈登”庫(kù)珀（Leroy “Gordon” Cooper）和查爾斯“皮特”康拉德（Charles “Pete” Conrad），將他們1965年8月的任務(wù)稱為“垃圾桶里的八天”。雙子星7號(hào)宇航員弗蘭克·博爾曼（Frank Borman）和吉姆·洛弗爾（Jim Lovell）的情況更糟，他們?cè)谂c大眾甲殼蟲前座大小差不多的空間里環(huán)繞地球14天，卻沒有合適的方法處理垃圾。盡管FCA因臭名昭著而廣為人知，但它們至今仍作為備用系統(tǒng)使用，以防國(guó)際空間站的太空廁所故障。

聯(lián)盟號(hào)上的廁所裝置。? Wikimedia Commons

到了1960年代末，很明顯，如果宇航員要在太空中長(zhǎng)期駐留，他們就需要一種更舒適、也更體面的方式來(lái)解決生理需求。蘇聯(lián)率先發(fā)明了真正的太空廁所，自1967年聯(lián)盟號(hào)首次飛行起便成為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。這個(gè)廁所之所以可以安裝，是因?yàn)槁?lián)盟號(hào)有大型橢圓形軌道艙，它位于鐘形返回艙之上，并在返回大氣層前被拋棄。像此后幾乎所有太空廁所一樣，聯(lián)盟號(hào)的設(shè)施由兩個(gè)主要部分組成：一個(gè)帶漏斗的吸引軟管，用于收集尿液，并將其吸入鋪有吸收泡沫的腔室；以及一個(gè)坐便裝置，使用風(fēng)扇和氣流將糞便吸入塑料袋，然后封好并存儲(chǔ)在船上。

與此同時(shí)，美國(guó)第一套太空廁所被安裝在“天空實(shí)驗(yàn)室”空間站上，它在1973年5月至1974年2月間接待了三批機(jī)組人員。與聯(lián)盟號(hào)相似，天空實(shí)驗(yàn)室的廁所使用風(fēng)扇將糞便吸入塑料袋。然后宇航員使用電加熱器和外部真空來(lái)干燥排泄物，以防止發(fā)酵和污染空間站空氣。尿液則通過(guò)一根獨(dú)立的吸引軟管收集。作為衛(wèi)生設(shè)施的補(bǔ)充，天空實(shí)驗(yàn)室是唯一一個(gè)配備微重力淋浴的航天器。淋浴被一個(gè)伸縮式圓筒簾幕包圍，配有腳部固定裝置、一個(gè)裝在柔性軟管上的噴水噴嘴，以及一個(gè)排走廢水的真空系統(tǒng)。宇航員擁有420條毛巾，并按宇航員各自的顏色編碼。如今，國(guó)際空間站上的宇航員通過(guò)濕巾、免洗洗發(fā)水等方式保持清潔。

“天空實(shí)驗(yàn)室”空間站的淋浴設(shè)備。? Museum of Flight

對(duì)于航天運(yùn)輸系統(tǒng)（STS）——更為人熟知的航天飛機(jī)計(jì)劃——NASA開發(fā)了一個(gè)新的、更復(fù)雜的太空廁所，稱為廢物收集系統(tǒng)（WCS）。與早期系統(tǒng)一樣，WCS使用真空軟管收集尿液，不過(guò)它配有兩種可拆卸的接口，分別供男性和女性宇航員使用。男性接口呈漏斗形，女性接口呈橢圓形，邊緣有小孔以允許氣流通過(guò)并防止吸力過(guò)大。收集的尿液隨后被排放到艙外。對(duì)于大便，WCS使用一個(gè)特殊座椅，配有腳撐、手把、安全帶以及類似過(guò)山車的大腿固定器，以確保宇航員固定在原位。

廢物收集系統(tǒng)（WCS）各部分組件示意圖。? wikipedi

設(shè)計(jì)早期版本配備了一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的“甩投/粉碎機(jī)”機(jī)制，用于粉碎糞便并引導(dǎo)至收集罐壁上；不過(guò)宇航員對(duì)將一個(gè)巨型垃圾粉碎機(jī)放在自己私密部位附近這件事提出了合理反對(duì)，因此設(shè)計(jì)改回使用風(fēng)扇吸力，如同之前的太空廁所。風(fēng)扇會(huì)把排泄物分布在圓柱形收集罐的壁面上；完成后，宇航員會(huì)打開一個(gè)閥門，將收集罐暴露在太空真空下，使內(nèi)容物瞬間冷凍干燥，防止產(chǎn)生異味。廁紙、濕巾和其他衛(wèi)生用品則被放入密封塑料袋，扔進(jìn)另一個(gè)隔間。

為了確保密封并減少泄漏，WCS座圈的洞僅100毫米，直徑遠(yuǎn)小于常規(guī)廁所。因此用戶身體的精確定位至關(guān)重要，宇航員在飛行前會(huì)在NASA位于德州休斯頓的約翰遜航天中心使用太空廁所模擬器進(jìn)行大量訓(xùn)練——是的，真的有這種訓(xùn)練。

由于太空馬桶的孔洞實(shí)在有點(diǎn)小，宇航員在任務(wù)準(zhǔn)備時(shí)期就需要練習(xí)與馬桶的對(duì)接。? NASA

模擬器配有燈指示訓(xùn)練者是否處于正確位置，還有一個(gè)內(nèi)部攝像頭供教官檢查訓(xùn)練者的對(duì)準(zhǔn)情況（你以為你入職體檢很尷尬？）。由于每個(gè)人的身體不同，每位宇航員都會(huì)很快學(xué)會(huì)適合自己的姿勢(shì)。正如美國(guó)資深宇航員邁克·馬西米諾（Mike Massimo）所說(shuō)：“我想到《逍遙騎士》里的彼得·方達(dá)。那姿勢(shì)對(duì)我來(lái)說(shuō)剛剛好。”

更尷尬的是，航天飛機(jī)上真正的廁所還裝有麥克風(fēng)，以便地面飛行醫(yī)生監(jiān)聽宇航員的腸道聲音，評(píng)估他們的整體消化健康。這反過(guò)來(lái)造就了太空探索史上最乏味的工作。在航天飛機(jī)計(jì)劃早期，NASA經(jīng)常受美國(guó)軍方委托，將絕密偵察衛(wèi)星從軌艙部署到軌道。軍方擔(dān)心WCS的麥克風(fēng)可能意外錄到關(guān)于機(jī)密載荷的對(duì)話，于是某位可憐的軍官被指派連續(xù)數(shù)天監(jiān)聽宇航員排便的聲音，以確保不會(huì)泄露國(guó)家機(jī)密。現(xiàn)在你的無(wú)聊日常工作是不是看起來(lái)好很多了？唯一的安慰是，雖然飛行醫(yī)生能聽見宇航員的每個(gè)聲音，但他們的隊(duì)友聽不見。盡管WCS與艙內(nèi)其他部分僅由一層薄簾隔開，但泵和其他機(jī)載系統(tǒng)的噪音足夠大，讓宇航員在相對(duì)的聲音隱私中完成排泄。

盡管比被痛恨的阿波羅FCA好得多，WCS并非毫無(wú)缺陷，航天飛機(jī)30年服役期間發(fā)生過(guò)多次重大故障。1982年3月的航天飛機(jī)第三次飛行STS-3中，WCS在首次使用時(shí)就失效，迫使兩人機(jī)組——指令長(zhǎng)杰克·盧斯馬（Jack Lousma）與飛行員 C·戈登·富勒頓（C. Gordon Fullerton）——在接下8天任務(wù)中使用FCA。1984年9月3日，在發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)的首飛STS-41D任務(wù)中，液體排放系統(tǒng)故障導(dǎo)致機(jī)體外形成了一根60厘米長(zhǎng)的冷凍“尿柱”。幸運(yùn)的是，第二天任務(wù)指令長(zhǎng)亨利·哈茨菲爾德成功使用航天飛機(jī)的遙控機(jī)械臂將障礙物敲掉。WCS還有一個(gè)更根本的缺陷：有時(shí)冷凍干燥的糞便碎片會(huì)從收集罐壁上剝落，通過(guò)馬桶飄入艙內(nèi)，污染空氣……

但WCS最嚴(yán)重的故障發(fā)生在1989年11月23日感恩節(jié)執(zhí)行STS-33任務(wù)中，即發(fā)現(xiàn)號(hào)的第九次飛行。當(dāng)天清晨，指令長(zhǎng)弗雷德·格雷戈里（Fred Gregory）醒來(lái)使用廁所。起初一切順利，但當(dāng)他試圖封閉并抽空收集罐時(shí)，連接收集罐與外部的閥門打開了，但連接收集罐與馬桶的滑閥卻未能關(guān)閉。突然之間，機(jī)艙——以及格雷戈里的后半身——暴露在太空真空中，將他死死吸在座位上。更糟的是，用于補(bǔ)充航天飛機(jī)艙內(nèi)新鮮氧氣的通氣口恰好位于WCS上方。因此格雷戈里不僅被吸住，航天飛機(jī)寶貴的空氣呼嘯著掠過(guò)他最脆弱的部位，而且還被冰冷的、剛剛液化的氧氣淋了個(gè)透。

警報(bào)器立刻響起，格雷戈里的隊(duì)友沖過(guò)來(lái)救援。任務(wù)專家斯托里·馬斯格雷（Story Musgrave）成功設(shè)法將卡住的滑閥關(guān)上，救出了感激涕零、渾身發(fā)抖的格雷戈里，但STS-33的機(jī)組面臨一個(gè)不愉快的難題：如果他們無(wú)法修理該閥門，他們將不得不在剩下5天的任務(wù)中使用令人恐懼的FCA。不出意料，機(jī)組成員一致投票希望取消任務(wù)并提前返回地球，以免遭受此噩夢(mèng)。然而，這將迫使航天飛機(jī)降落在非洲的備用著陸點(diǎn)，因?yàn)樗辉诜祷乜夏岬虾教熘行牡恼＼壍郎稀?/p>

幸運(yùn)的是，在與地面控制中心協(xié)商后，宇航員確定，只要撕下WCS前蓋，并用一把老虎鉗夾住滑閥的杠桿，他們就能繼續(xù)安全使用這個(gè)太空廁所——這證明了克林特·伊斯特伍德在《老爺車》中的名言：有膠帶、WD-40和老虎鉗，就能修好任何東西。危機(jī)解除后，機(jī)組人員安心享用火雞、土豆和西蘭花組成的感恩節(jié)晚餐，并順利完成任務(wù)。

2000年，NASA為國(guó)際空間站推出了新型廁所ISS，當(dāng)時(shí)空間站剛開始建造兩年。雖然總體上與航天飛機(jī)的WCS類似，但I(xiàn)SS不再使用單一收集罐，而是使用裝在鋁罐中的20升微孔塑料袋。微孔允許空氣通過(guò)，但不允許液體或固體通過(guò)，使廁所風(fēng)扇得以將廢物拉向袋底。袋子裝滿后，容器會(huì)被密封，并與空間站其他垃圾一起裝載到無(wú)人供給飛船（如諾斯羅普·格魯曼的“天鵝座”和俄國(guó)的“進(jìn)步號(hào)”）上，最終在大氣層中燒毀。所以現(xiàn)在你知道了：如果你在夜空看到格外明亮的流星，很可能那是燃燒的……宇航員糞便。

盡管設(shè)計(jì)有所改進(jìn)，使用ISS的廁所仍遠(yuǎn)稱不上愉快，大多數(shù)宇航員都把上廁所列為太空飛行中最不喜歡的經(jīng)歷。NASA的資深宇航員佩吉·惠特森（Peggy Whitson）——她保持著NASA最長(zhǎng)累計(jì)太空時(shí)間紀(jì)錄（665天）——解釋道：

“當(dāng)（收集袋）開始變滿時(shí)，你必須戴上橡膠手套，把它壓實(shí)。”

資深宇航員佩吉·惠特森。? BBC

與此同時(shí)，尿液的收集方式與幾十年來(lái)一樣：使用一根帶有男女適配器的獨(dú)立真空軟管。不過(guò)，由于水資源在太空中極其寶貴，并且將其運(yùn)送到軌道成本極高，尿液不像以前那樣被排放到艙外，而是通過(guò)名為“水處理組件”（WPA）的高科技回收系統(tǒng)，利用一系列微濾器和催化床去除并中和污染物，將尿液回收為可飲用水。正如NASA宇航員杰西卡·梅爾（Jessica Muir）所解釋：

“在空間站上，我們回收大約90%的所有基于水的液體，包括尿液和汗水。我們?cè)噲D模仿地球自然水循環(huán)的某些環(huán)節(jié)，從空氣中回收水。而在ISS上，我們的尿會(huì)成為明天的咖啡！”

宇航員杰西卡·梅爾。? NASA

與以往太空計(jì)劃相同，一些宇航員的廢物會(huì)被儲(chǔ)存并返回地球，由飛行醫(yī)生分析。尿液首先被收集在與水星、雙子星和阿波羅宇航員使用的尿液收集裝置非常相似的塑料袋中。隨后用注射器抽取樣本，存放在一個(gè)名為“國(guó)際空間站零下八十度實(shí)驗(yàn)冷凍柜”（MELFI）的特殊艙室中，隨后由聯(lián)盟號(hào)或龍飛船帶回地球。

截至目前，固體排泄物還不會(huì)被處理以提取水分，不過(guò)NASA正在努力解決這一問(wèn)題。2021年，NASA也向ISS發(fā)送了一個(gè)鹽水處理單元，以回收WPA無(wú)法處理的剩余水分。目標(biāo)是在向火星派遣首批人類之前，實(shí)現(xiàn)至少98%的水回收率。所以對(duì)于所有《沙丘》粉絲來(lái)說(shuō)，這是個(gè)好消息：現(xiàn)實(shí)中的蒸餾服可能就在不遠(yuǎn)的將來(lái)！

目前，ISS上有三個(gè)廁所，分別位于“曙光號(hào)”、“科學(xué)號(hào)”和“寧?kù)o號(hào)”艙段。與之前的航天飛機(jī)WCS一樣，這些廁所也不總是完美工作，其中最嚴(yán)重的一次故障發(fā)生在2008年5月21日，當(dāng)時(shí)唯一的ISS廁所的液體廢物抽吸泵壞掉了。當(dāng)時(shí)，ISS上只有一個(gè)廁所，迫使宇航員使用袋子或停靠在ISS上的聯(lián)盟號(hào)廁所來(lái)收集尿液。固體廢物系統(tǒng)未受影響。幸運(yùn)的是，STS-124的發(fā)射已定于10天后進(jìn)行，因此一個(gè)替換泵被裝入外交郵袋，從俄羅斯隔夜送達(dá)肯尼迪航天中心，并于6月2日成功送至ISS。據(jù)估計(jì)，ISS上的三個(gè)廁所大約每月會(huì)發(fā)生一次故障——所幸?guī)缀蹩偸切?wèn)題。 但隨著NASA正準(zhǔn)備將宇航員重新送上月球，并最終送往火星，即便是ISS上相對(duì)先進(jìn)的廁所也已不夠。

NASA的通用廢物管理系統(tǒng)。? NASA

因此，2018年NASA推出了下一代太空廢物處理系統(tǒng)：通用廢物管理系統(tǒng)（UWMS）。該系統(tǒng)研發(fā)成本2300萬(wàn)美元，重量減輕40%，體積縮小65%，并且能效顯著提高，使其更容易集成到未來(lái)將執(zhí)行阿耳忒彌斯登月任務(wù)的獵戶座飛船中。當(dāng)安裝在ISS或前往火星的飛船上時(shí)，UWMS將連接到船上的水回收系統(tǒng)；而在像阿耳忒彌斯這樣的短期任務(wù)中，廢物只需存放在儲(chǔ)罐中等待后續(xù)處理。UWMS也更加重視舒適性與人體工學(xué)，配有傾斜、貼合的座椅，以及一個(gè)加長(zhǎng)的一體化漏斗，讓宇航員可以同時(shí)排尿和排便。新的設(shè)計(jì)也大幅提升了男女皆可方便使用的程度。

雖然UWMS代表當(dāng)今太空廁所設(shè)計(jì)的最先進(jìn)水平，仍有一個(gè)主要問(wèn)題尚未解決：如何在宇航服內(nèi)部妥善管理廢物。目前，這依靠最大吸收服——也就是成人紙尿褲——來(lái)完成，但這只適用于持續(xù)數(shù)小時(shí)的現(xiàn)有艙外活動(dòng)（EVA）。未來(lái)月球或火星任務(wù)中遇到的長(zhǎng)時(shí)間EVA則完全是另一回事。尿液收集相對(duì)簡(jiǎn)單，但僅適用于男性。女性的解剖結(jié)構(gòu)特性，包括生殖區(qū)域形狀、陰毛以及月經(jīng)的現(xiàn)實(shí)，使得問(wèn)題大大復(fù)雜化。

盡管NASA可以通過(guò)讓女宇航員剃掉陰毛、服用避孕藥以調(diào)節(jié)月經(jīng)來(lái)緩解部分問(wèn)題，但這超出了NASA對(duì)宇航員的合理要求。因此，該機(jī)構(gòu)尋求完全基于硬件的解決方案。例如，1981年NASA申請(qǐng)了一項(xiàng)女性尿液收集裝置專利，帶有陰道插入部件，以防止尿液飛滴或糞便顆粒飄入陰道導(dǎo)致感染。但此類系統(tǒng)尚未成功集成到任何實(shí)用宇航服中。

薩切爾·卡登設(shè)計(jì)的宇航服廢物管理系統(tǒng)。? KHOU

固體廢物的處理問(wèn)題更加棘手，因?yàn)槊芊飧永щy，而且糞便比液體廢物更難自動(dòng)處理。因此，2016年NASA發(fā)起了名字極其精彩的“太空排便挑戰(zhàn)賽”（Space Poop Challenge），向任何能提出實(shí)用宇航服廢物管理系統(tǒng)的人提供1.5萬(wàn)美元獎(jiǎng)金。最終獲勝者是飛行醫(yī)生兼家庭醫(yī)療師薩切爾·卡登（Thatcher Cardon）博士，他在晚上和周末在家人幫助下開發(fā)了他的原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)在宇航服襠部集成了一個(gè)小型通道，可連接各種袋子和軟管以移除固體與液體廢物。根據(jù)卡登所說(shuō)，這個(gè)通道還可用于進(jìn)行腹部緊急手術(shù)等醫(yī)療程序。然而盡管創(chuàng)新，該系統(tǒng)距離真正用于太空還有很長(zhǎng)距離，截至目前，宇航服內(nèi)長(zhǎng)期廢物管理的問(wèn)題尚未解決。

不過(guò)隨著NASA在這一問(wèn)題上不斷努力，我們可以放心，當(dāng)?shù)谝幻詈絾T在火星上排出一坨便便時(shí)，這將由人類所能構(gòu)想出的最佳技術(shù)協(xié)助完成。

文/Gilles Messier

譯/tim

校對(duì)/tamiya2

原文/www.todayifoundout.com/index.php/2024/12/to-boldly-go-where-no-one-has-gone-before-how-do-astronauts-answer-the-call-of-nature-in-space/

本文基于創(chuàng)作共享協(xié)議（BY-NC），由tim在利維坦發(fā)布

文章僅為作者觀點(diǎn)，未必代表利維坦立場(chǎng)