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，英國宇航員蒂姆·皮克（Tim Peake）在國際空間站呆了大半年終于返回了地球。回來第三天，他就沒忍住跟記者吐槽說：“當你剛返回地球時，重新感受重力的過程特別糟糕，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。”

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

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

作為被選中的第一位進入太空的美國人——謝潑德在凌晨5點15分被固定在他的“自由7號”飛船中，艙門在他身后已被鎖死。原定在7點20分發射，但由于卡納維拉爾角上空的云層以及各種技術故障導致的一系列延遲，讓謝潑德整整坐在他的“紅石”（Redstone）火箭頂部超過三個小時。

很快，一種不舒適的感覺開始在謝潑德體內蔓延，并隨著時間流逝變得愈發煎熬。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太空艙通信器發出求救信號：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。根本沒有人考慮過謝潑德該如何解決生理需求；畢竟，他的亞軌道任務預計只持續15分鐘。這是一個自那以后一直困擾宇航員的問題，促使工程師們開發出各種奇怪、美妙，有時甚至令人作嘔的——解決方案。

在太空競賽之前，人們幾乎從沒考慮過宇航員在任務期間將如何排泄。第一個用于長時間飛行中排尿的系統誕生于1955年，是為洛克希德U-2偵察機飛行員研發的。這些飛行員飛行高度超過21,000米，為了生存必須穿著部分加壓服。該系統是一種留置導尿管，即一根小塑料管從飛行員的尿道插入膀胱，自動通過軟管將尿液吸入一個收集袋。可以想象，這個系統極其不舒服，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，人們開發了外置系統，使用一個類似避孕套的乳膠套裹在飛行員的陰莖上。盡管比導尿管舒適得多，這種“尿液收集裝置”（UCD）也并非沒有問題。實際上，在2010年對駐加州比爾空軍基地的U-2飛行員進行的一項調查中，60%的受訪者報告稱他們的UCD出現過問題，包括貼合不良、泄漏以及因長時間接觸尿液導致的皮膚刺激。

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

此外，由于中央情報局掌控著U-2項目，其保密程度極高，外置UCD技術沒有與NASA共享。雖然1957年一群英國發明家為類似裝置申請了專利，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，其設計是將尿液引入一袋吸收材料中，但這一設計似乎同樣沒有進入NASA的規劃視野。

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

1958 年“水星計劃”（美國首個載人航天計劃）啟動后，美國空軍贊助了一項關于航天器中人體排泄物收集的研究。當時計劃中的水星任務時長較短，因此糞便收集被認為沒有必要，但尿液收集則很可能是必需的。該研究檢查了當時市場上的尿液收集裝置，并得出結論：軍用飛機上使用的設計由于泄漏嚴重而不適用于太空——這一問題在微重力環境下只會更加嚴重。最終報告建議使用醫院中用于臥床男性患者的商業UCD，它們能在陰莖周圍形成緊密密封并設有單向閥防止回流。

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

尊敬的先生：

在我們的科學課上我們正在討論第一位將進入太空的人，我們想知道，當他們在太空中沒有重力時，他們會去哪里上廁所。

您真誠的，

布倫達·肯默勒（Brenda Kemmerer）

NASA生命科學項目辦公室的弗里曼·H·昆比（Freeman H. Quimby）博士回復說：“……第一位進入太空的人預計不需要‘小便’。”由于最初的太空任務只有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，根本無法使用。讓謝潑德出來使用常規廁所則需要地面工作人員費力地卸下固定艙門的70個螺栓，這將進一步推遲發射。

謝潑德再也忍不住了，請求允許在宇航服里小便。起初，地面控制中心拒絕了，擔心尿液會使監測謝潑德生命體征的生物傳感器短路。但當謝潑德建議他們直接關閉傳感器時，他們終于同意了，如釋重負的謝潑德這才得以……小便。由于謝潑德當時呈仰臥、雙腿抬高的姿勢，尿液積聚在他的腰部，浸透了他的連體羊毛內衣，但宇航服內流動的冷卻純氧迅速將其烘干。

危機得以解除，倒計時繼續進行，上午9點34分謝潑德沖向湛藍天空，抵達了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。盡管不如一個月前蘇聯宇航員尤里·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”的飛行讓美國在太空競賽中站穩了腳跟。

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·謝潑德的尷尬經歷，促使NASA在下一次水星任務之前開發出實用的UCD設計——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”飛行。一則廣為流傳的說法稱，水星七號宇航員護士“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UCD。實際上，格里森穿的是兩層橡膠失禁短褲，這樣尿液會被收集在兩層之間。他還被禁止喝晨間咖啡——眾所周知，咖啡是一種利尿劑。事實上，格里森最終根本沒有排尿的需求。

與此同時，NASA指派詹姆斯·麥克巴倫（James McBarron）負責監督B.F.古德里奇公司（B.F. Goodrich）的相關工作——這家公司生產“水星計劃”宇航員使用的海軍Mk.IV太空服——以便為后續的太空飛行研發一款標準化的UCD。由于該公司無法制造出令人滿意且不會泄漏的系統，麥克巴倫與NASA載人航天中心太空服實驗室的阿爾·羅奇福德（Al Rochford）和喬·施密特（Joe Schmitt）不得不親自解決這個問題。

麥克巴倫從多家商業制造商那里購買了安全套，測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的夾子，以及一個扁平的聚乙烯收集袋。整個組件由一套緊身內衣固定在適當的位置。

與早期美國航天計劃相關的另一個廣為流傳的傳說是：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方面的廣泛工作而被稱為“沖水博士”（Dr. Flush）。他在2008年科學頻道紀錄片系列《月球機器》（Moon Machines）中說：

“在尿液收集組件內部，我們稱之為‘尿袋’，里面有一個一升的袋子。與身體連接的部分是一個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、中號和大號。但無論他們的真實尺寸如何，很少有宇航員愿意接受自己不是大號。于是我們把名稱改成了大號、特大號和巨無霸號。”

阿波羅11號宇航員邁克爾·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

“……然后就要穿上一個三角形的黃色塑料尿袋，把陰莖插入其內置的橡膠接入口。接入口有三種尺寸（小、中、大），但它們總是以更英雄的說法來稱呼：大號、特大號和巨無霸號。”

實際上，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。事實上，無論他們的成見或不安如何，宇航員們很快就從經驗中學會應該使用哪種尺寸的套管，正如阿波羅9號宇航員拉塞爾·“拉斯蒂”·施韋卡特（Russell “Rusty” Schweickart）后來回憶的那樣：

“在太空服里活動時，總有可能把安全套弄掉，而且我們有三種直徑的套管，不過，選擇哪一種總會帶有一點自尊問題。 當然，聰明的人會選擇正確的尺寸，因為這非常重要。 但如果你選得太小，它會實際壓住尿流，你會憋得臉色發黃，因為根本尿不出來；而如果你因為自尊而選了大號，但你本來應該用中號，那么你第一次排尿時，結果就是一半的尿液不在袋子里，而是在你身上。而那會是你最后一次犯這種錯誤。所以這算是個挺有趣的小教訓。”

無論如何，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”任務中，在這次任務中，宇航員約翰·格倫（John Glenn）成為首位繞地球軌道飛行的美國人。在整個三圈軌道飛行中，格倫使用過一次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——這是微重力對人體生理產生奇怪影響的結果。通常，重力會將尿液拉向膀胱底部，使膀胱壁逐漸擴張。當膀胱約三分之二滿時，神經會開始感知這種擴張，并向身體發出排尿信號。然而在微重力環境中，尿液傾向于聚成一個球狀，直到膀胱遠超常規容量時才開始壓迫膀胱壁。所以從某種意義上說，約翰·格倫的軌道排尿是航天系統工程的一個里程碑——這大概就是為什么自1970年起，他的UCD一直在華盛頓特區國家航空航天博物館公開展出的原因。

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

雖然如果尺寸不合適或安裝不當，有時容易漏尿，但詹姆斯·麥克巴倫設計的UCD最終成為NASA在水星、雙子星和阿波羅計劃期間的標準裝備。在前往月球及返回地球的飛行中，阿波羅宇航員可以通過一根軟管將UCD與“尿液轉移系統”（Urine Transfer System, UTS）連接，將尿液收集到機載儲罐中。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，以便任務結束后由飛行醫生進行分析。當宇航員在月球表面活動時，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號任務中，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，他解決了這個生理需求，這也成為他的一個“首次”。奧爾德林后來曾說：“每個人在月球上都有自己的第一次，而這個沒有人對它提出異議。”

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號登月任務結束后，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期更輕——登月艙的著陸架壓縮得比預期少——所以當奧爾德林跳下梯子踏上月球表面時，他落下的距離比預想中要高，隨之受到的沖擊損壞了他的UCD，使得尿液沒有排進正確的收集袋，而是進到了奧爾德林的太空靴里。沒錯：在那次歷史性的2小時31分鐘月球艙外活動期間，巴茲·奧爾德林就這樣一邊走，一邊腳上的太空靴里晃動著尿液。我們誰都不會愿意遇上那種情況，巴茲……

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

UCD一直被使用到早期航天飛機計劃期間，后來它被一次性吸收型收納褲（Disposable Absorption Containment Trunk，簡稱DACT）所取代。DACT的本質就是一套經過升級的成人紙尿褲。1978年，NASA向女性航天員開放宇航員隊伍，這些女性的生理結構與原有的UCD不兼容，促使了DACT的研發。1983年4月4日，首批成人紙尿褲在航天飛機“挑戰者號”STS-任務中由僅男性機組成員首次帶入太空；兩個月后的6月18日，美國第一位女性宇航員莎莉·萊德（Sally Ride）在STS-7任務期間也穿戴了這種設備。

然而，NASA很快意識到定制的DACT成本過高，從1988年起改為采購商業現成的成人尿布，稱為最高吸收量服裝（Maximum Absorbency Garments，簡稱MAGs）。這些尿布內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。美國宇航員至今在發射和重返大氣層階段穿戴這些MAGs，其它時間在執行艙外活動（太空行走）時也穿戴在他們的艙外活動服裝（Extravehicular Mobility Units, EMUs）之下。

此時，你很可能注意到我們到目前為止忽略了一個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的設計者和工程師對固體廢物管理問題幾乎不做考慮，并選擇完全回避這個問題。畢竟，當時的水星任務預計最多持續一天。不過，為了避免意外，在任務前幾天，宇航員們會被要求食用一種“低殘渣”飲食——高蛋白、低纖維，比如牛排和雞蛋，這也后來成為美國宇航員傳統的飛行前早餐。這種飲食同樣能最大程度減少腸道氣體產生，因為在航天器艙內減壓環境下，這些氣體會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“聯盟號”飛船通常只需數小時便抵達國際空間站，但視軌道機動情況，有時也會在對接前在軌道上停留數天。而盡管“聯盟號”配備了一個簡易的太空廁所（稍后我們會詳細談到）宇航員們通常不愿使用它，他們會將“低殘渣飲食”與飛行前腸道灌腸結合，以徹底清空腸道。

不過，這種策略對水星任務來說尚能湊合，但當NASA轉向較長航程的雙子星與阿波羅任務時，大便的收集問題已無法再被忽視。最終他們設計出的糞便收集裝置——糞便收集組件（Fecal Collection Assembly，簡稱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是為阿波羅計劃宇航員配備的個人衛生系統的一部分。然而，這款收集袋并未隨飛船執行任務。? National Air and Space Museum

該裝置由家電公司惠而浦（Whirlpool Corporation）制造，結構是一個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，在地球上排便時重力會使糞便從肛門下落，但在太空的微重力環境中，這種情況不會發生。于是，FCA的側壁設計了一個小袋或“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”完成，FCA里會附帶幾張衛生紙和濕巾，供宇航員清潔自身，清潔用品會連同宇航員的……排泄物一起丟棄在密封袋里。

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如果你覺得這已經非常糟糕——尤其是在狹小的航天器空間里當著其他人的面進行——做好心理準備，因為更糟糕的還在后面。不同于尿液，這些裝滿排泄物的FCA并不能扔出艙外，而必須留在飛船內儲存。若不進一步處理，這些充滿細菌的排泄物會很快發酵，產生甲烷等氣體，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，以確保所有產氣細菌被殺死。

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：

“排泄物收集系統呈現出一套更加令人厭惡的問題。收集過程需要極高的技巧，才能防止糞便從收集袋中逃逸，導致污物沾上機組成員、他們的衣物或艙內表面。而且，由于該系統使用起來的困難程度，排便收集過程也極為耗時。阿波羅7號的一名宇航員估計，正確完成整個過程需要45分鐘。糞袋難以準確放置；這更因防護服背部的開口太小而變得復雜，這個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。? NASA

此外，不當使用FCA會造成很惡心的情況，正如阿波羅10號（阿波羅11號登月前的彩排任務）的機組人員在1969年5月發現的那樣：

登月艙駕駛員尤金·塞爾南：“那東西從哪來的？”

指令長湯姆·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：“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：“天哪。”（笑）

塞爾南：“又來一坨該死的屎。你們到底怎么回事？來，把——”

（揚與斯塔福德笑）

斯塔福德：“它就這么飄來飄去嗎？”

塞爾南：“是的。”

斯塔福德（笑）：“我的比那更黏。”

揚：“我的也更黏。它撞到那個袋子了——”

塞爾南：“我不知道這是誰的。我既不能承認也不能否認（笑聲）。”

揚：“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……

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

缺乏合適的廢棄物處理方式使得雙子星5號宇航員勒羅伊“戈登”庫珀（Leroy “Gordon” Cooper）和查爾斯“皮特”康拉德（Charles “Pete” Conrad），將他們1965年8月的任務稱為“垃圾桶里的八天”。雙子星7號宇航員弗蘭克·博爾曼（Frank Borman）和吉姆·洛弗爾（Jim Lovell）的情況更糟，他們在與大眾甲殼蟲前座大小差不多的空間里環繞地球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使用，以防國際空間站的太空廁所故障。

聯盟號上的廁所裝置。? Wikimedia Commons

到了1960年代末，很明顯，如果宇航員要在太空中長期駐留，他們就需要一種更舒適、也更體面的方式來解決生理需求。蘇聯率先發明了真正的太空廁所，自1967年聯盟號首次飛行起便成為標準設備。這個廁所之所以可以安裝，是因為聯盟號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，聯盟號的設施由兩個主要部分組成：一個帶漏斗的吸引軟管，用于收集尿液，并將其吸入鋪有吸收泡沫的腔室；以及一個坐便裝置，使用風扇和氣流將糞便吸入塑料袋，然后封好并存儲在船上。

與此同時，美國第一套太空廁所被安裝在“天空實驗室”空間站上，它在1973年5月至1974年2月間接待了三批機組人員。與聯盟號相似，天空實驗室的廁所使用風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干燥排泄物，以防止發酵和污染空間站空氣。尿液則通過一根獨立的吸引軟管收集。作為衛生設施的補充，天空實驗室是唯一一個配備微重力淋浴的航天器。淋浴被一個伸縮式圓筒簾幕包圍，配有腳部固定裝置、一個裝在柔性軟管上的噴水噴嘴，以及一個排走廢水的真空系統。宇航員擁有420條毛巾，并按宇航員各自的顏色編碼。如今，國際空間站上的宇航員通過濕巾、免洗洗發水等方式保持清潔。

“天空實驗室”空間站的淋浴設備。? Museum of Flight

對于航天運輸系統（STS）——更為人熟知的航天飛機計劃——NASA開發了一個新的、更復雜的太空廁所，稱為廢物收集系統（WCS）。與早期系統一樣，WCS使用真空軟管收集尿液，不過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并防止吸力過大。收集的尿液隨后被排放到艙外。對于大便，WCS使用一個特殊座椅，配有腳撐、手把、安全帶以及類似過山車的大腿固定器，以確保宇航員固定在原位。

廢物收集系統（WCS）各部分組件示意圖。? wikipedi

設計早期版本配備了一個高速旋轉的“甩投/粉碎機”機制，用于粉碎糞便并引導至收集罐壁上；不過宇航員對將一個巨型垃圾粉碎機放在自己私密部位附近這件事提出了合理反對，因此設計改回使用風扇吸力，如同之前的太空廁所。風扇會把排泄物分布在圓柱形收集罐的壁面上；完成后，宇航員會打開一個閥門，將收集罐暴露在太空真空下，使內容物瞬間冷凍干燥，防止產生異味。廁紙、濕巾和其他衛生用品則被放入密封塑料袋，扔進另一個隔間。

為了確保密封并減少泄漏，WCS座圈的洞僅100毫米，直徑遠小于常規廁所。因此用戶身體的精確定位至關重要，宇航員在飛行前會在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行大量訓練——是的，真的有這種訓練。

由于太空馬桶的孔洞實在有點小，宇航員在任務準備時期就需要練習與馬桶的對接。? NASA

模擬器配有燈指示訓練者是否處于正確位置，還有一個內部攝像頭供教官檢查訓練者的對準情況（你以為你入職體檢很尷尬？）。由于每個人的身體不同，每位宇航員都會很快學會適合自己的姿勢。正如美國資深宇航員邁克·馬西米諾（Mike Massimo）所說：“我想到《逍遙騎士》里的彼得·方達。那姿勢對我來說剛剛好。”

更尷尬的是，航天飛機上真正的廁所還裝有麥克風，以便地面飛行醫生監聽宇航員的腸道聲音，評估他們的整體消化健康。這反過來造就了太空探索史上最乏味的工作。在航天飛機計劃早期，NASA經常受美國軍方委托，將絕密偵察衛星從軌艙部署到軌道。軍方擔心WCS的麥克風可能意外錄到關于機密載荷的對話，于是某位可憐的軍官被指派連續數天監聽宇航員排便的聲音，以確保不會泄露國家機密。現在你的無聊日常工作是不是看起來好很多了？唯一的安慰是，雖然飛行醫生能聽見宇航員的每個聲音，但他們的隊友聽不見。盡管WCS與艙內其他部分僅由一層薄簾隔開，但泵和其他機載系統的噪音足夠大，讓宇航員在相對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并非毫無缺陷，航天飛機30年服役期間發生過多次重大故障。1982年3月的航天飛機第三次飛行STS-3中，WCS在首次使用時就失效，迫使兩人機組——指令長杰克·盧斯馬（Jack Lousma）與飛行員 C·戈登·富勒頓（C. Gordon Fullerton）——在接下8天任務中使用FCA。1984年9月3日，在發現號航天飛機的首飛STS-41D任務中，液體排放系統故障導致機體外形成了一根60厘米長的冷凍“尿柱”。幸運的是，第二天任務指令長亨利·哈茨菲爾德成功使用航天飛機的遙控機械臂將障礙物敲掉。WCS還有一個更根本的缺陷：有時冷凍干燥的糞便碎片會從收集罐壁上剝落，通過馬桶飄入艙內，污染空氣……

但WCS最嚴重的故障發生在1989年11月23日感恩節執行STS-33任務中，即發現號的第九次飛行。當天清晨，指令長弗雷德·格雷戈里（Fred Gregory）醒來使用廁所。起初一切順利，但當他試圖封閉并抽空收集罐時，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閉。突然之間，機艙——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，用于補充航天飛機艙內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，航天飛機寶貴的空氣呼嘯著掠過他最脆弱的部位，而且還被冰冷的、剛剛液化的氧氣淋了個透。

警報器立刻響起，格雷戈里的隊友沖過來救援。任務專家斯托里·馬斯格雷（Story Musgrave）成功設法將卡住的滑閥關上，救出了感激涕零、渾身發抖的格雷戈里，但STS-33的機組面臨一個不愉快的難題：如果他們無法修理該閥門，他們將不得不在剩下5天的任務中使用令人恐懼的FCA。不出意料，機組成員一致投票希望取消任務并提前返回地球，以免遭受此噩夢。然而，這將迫使航天飛機降落在非洲的備用著陸點，因為它不在返回肯尼迪航天中心的正常軌道上。

幸運的是，在與地面控制中心協商后，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，他們就能繼續安全使用這個太空廁所——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。危機解除后，機組人員安心享用火雞、土豆和西蘭花組成的感恩節晚餐，并順利完成任務。

2000年，NASA為國際空間站推出了新型廁所ISS，當時空間站剛開始建造兩年。雖然總體上與航天飛機的WCS類似，但ISS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，但不允許液體或固體通過，使廁所風扇得以將廢物拉向袋底。袋子裝滿后，容器會被密封，并與空間站其他垃圾一起裝載到無人供給飛船（如諾斯羅普·格魯曼的“天鵝座”和俄國的“進步號”）上，最終在大氣層中燒毀。所以現在你知道了：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。

盡管設計有所改進，使用ISS的廁所仍遠稱不上愉快，大多數宇航員都把上廁所列為太空飛行中最不喜歡的經歷。NASA的資深宇航員佩吉·惠特森（Peggy Whitson）——她保持著NASA最長累計太空時間紀錄（665天）——解釋道：

“當（收集袋）開始變滿時，你必須戴上橡膠手套，把它壓實。”

資深宇航員佩吉·惠特森。? BBC

與此同時，尿液的收集方式與幾十年來一樣：使用一根帶有男女適配器的獨立真空軟管。不過，由于水資源在太空中極其寶貴，并且將其運送到軌道成本極高，尿液不像以前那樣被排放到艙外，而是通過名為“水處理組件”（WPA）的高科技回收系統，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。我們試圖模仿地球自然水循環的某些環節，從空氣中回收水。而在ISS上，我們的尿會成為明天的咖啡！”

宇航員杰西卡·梅爾。? NASA

與以往太空計劃相同，一些宇航員的廢物會被儲存并返回地球，由飛行醫生分析。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，存放在一個名為“國際空間站零下八十度實驗冷凍柜”（MELFI）的特殊艙室中，隨后由聯盟號或龍飛船帶回地球。

截至目前，固體排泄物還不會被處理以提取水分，不過NASA正在努力解決這一問題。2021年，NASA也向ISS發送了一個鹽水處理單元，以回收WPA無法處理的剩余水分。目標是在向火星派遣首批人類之前，實現至少98%的水回收率。所以對于所有《沙丘》粉絲來說，這是個好消息：現實中的蒸餾服可能就在不遠的將來！

目前，ISS上有三個廁所，分別位于“曙光號”、“科學號”和“寧靜號”艙段。與之前的航天飛機WCS一樣，這些廁所也不總是完美工作，其中最嚴重的一次故障發生在2008年5月21日，當時唯一的ISS廁所的液體廢物抽吸泵壞掉了。當時，ISS上只有一個廁所，迫使宇航員使用袋子或停靠在ISS上的聯盟號廁所來收集尿液。固體廢物系統未受影響。幸運的是，STS-124的發射已定于10天后進行，因此一個替換泵被裝入外交郵袋，從俄羅斯隔夜送達肯尼迪航天中心，并于6月2日成功送至ISS。據估計，ISS上的三個廁所大約每月會發生一次故障——所幸幾乎總是小問題。 但隨著NASA正準備將宇航員重新送上月球，并最終送往火星，即便是ISS上相對先進的廁所也已不夠。

NASA的通用廢物管理系統。? NASA

因此，2018年NASA推出了下一代太空廢物處理系統：通用廢物管理系統（UWMS）。該系統研發成本2300萬美元，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將執行阿耳忒彌斯登月任務的獵戶座飛船中。當安裝在ISS或前往火星的飛船上時，UWMS將連接到船上的水回收系統；而在像阿耳忒彌斯這樣的短期任務中，廢物只需存放在儲罐中等待后續處理。UWMS也更加重視舒適性與人體工學，配有傾斜、貼合的座椅，以及一個加長的一體化漏斗，讓宇航員可以同時排尿和排便。新的設計也大幅提升了男女皆可方便使用的程度。

雖然UWMS代表當今太空廁所設計的最先進水平，仍有一個主要問題尚未解決：如何在宇航服內部妥善管理廢物。目前，這依靠最大吸收服——也就是成人紙尿褲——來完成，但這只適用于持續數小時的現有艙外活動（EVA）。未來月球或火星任務中遇到的長時間EVA則完全是另一回事。尿液收集相對簡單，但僅適用于男性。女性的解剖結構特性，包括生殖區域形狀、陰毛以及月經的現實，使得問題大大復雜化。

盡管NASA可以通過讓女宇航員剃掉陰毛、服用避孕藥以調節月經來緩解部分問題，但這超出了NASA對宇航員的合理要求。因此，該機構尋求完全基于硬件的解決方案。例如，1981年NASA申請了一項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致感染。但此類系統尚未成功集成到任何實用宇航服中。

薩切爾·卡登設計的宇航服廢物管理系統。? KHOU

固體廢物的處理問題更加棘手，因為密封更加困難，而且糞便比液體廢物更難自動處理。因此，2016年NASA發起了名字極其精彩的“太空排便挑戰賽”（Space Poop Challenge），向任何能提出實用宇航服廢物管理系統的人提供1.5萬美元獎金。最終獲勝者是飛行醫生兼家庭醫療師薩切爾·卡登（Thatcher Cardon）博士，他在晚上和周末在家人幫助下開發了他的原型系統。該系統在宇航服襠部集成了一個小型通道，可連接各種袋子和軟管以移除固體與液體廢物。根據卡登所說，這個通道還可用于進行腹部緊急手術等醫療程序。然而盡管創新，該系統距離真正用于太空還有很長距離，截至目前，宇航服內長期廢物管理的問題尚未解決。

不過隨著NASA在這一問題上不斷努力，我們可以放心，當第一名宇航員在火星上排出一坨便便時，這將由人類所能構想出的最佳技術協助完成。

文/Gilles Messier

譯/tim

校對/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/

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