王云英 ，李西園 2，3，王 晶 2，4，侯雅琴 2，方明元 2，王 磊 2，馬 進

(1.空軍軍醫(yī)大學(xué)，西安 710032；2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；3.北京航空航天大學(xué)，北京 100191；4.可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點實驗室，北京 100094)

1 引言

載人登月具有飛行剖面復(fù)雜、航天器構(gòu)型多變、任務(wù)環(huán)境極端等特點，是復(fù)雜程度最高的系統(tǒng)工程之一。在登月任務(wù)中，航天器失壓是風(fēng)險程度最高、危害最嚴重的故障，在嚴重的失壓故障下，航天員只能借助航天服進行6～7天的生命保障，直至航天器返回地球。在如此長的時間內(nèi)實現(xiàn)航天員的生命保障，一方面需要解決艙內(nèi)航天服，即應(yīng)急壓力服的長期工作問題；另一方面，在不影響航天服氣密性的前提下，將人體產(chǎn)生的尿液、糞便等廢棄物排出至航天服外也是必須要考慮的問題。NASA相關(guān)標準規(guī)定，對于穿著航天服長達24 h以上的任務(wù)需要考慮應(yīng)急廢棄物排出的問題，其中尿液收集量應(yīng)按照每人6次/天設(shè)計，單次最大收集量不應(yīng)低于500 mL，最大收集速率應(yīng)滿足50 mL/s，糞便收集則應(yīng)當兼顧每人75 g/天及每人75 mL/天的需求。

在早期的航天長期飛行任務(wù)中，一般采用位于航天服襯底內(nèi)的吸水材料進行吸收，但是舒適度較低，難以長時間工作。在水星計劃、雙子星計劃中，NASA開始發(fā)展用于穿著航天服狀態(tài)使用的尿液排出裝置；在阿波羅計劃中，NASA設(shè)計了尿液收集裝置(Urine Collection/Transfer Assembly，UCTA)，用于進行壓力應(yīng)急狀態(tài)的尿液儲存與傳輸，具有多天連續(xù)工作能力，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了空間實驗室、航天飛機用的應(yīng)急尿液收集裝置，兼顧了男、女航天員的使用需求；在Artemis計劃中，NASA提出了獵戶座乘員生存系統(tǒng)(Orion Crew Survival Systems，OCSS)的概念，作為長期(登月任務(wù)返回)生保系統(tǒng)的組成，主要依托NASA新型艙內(nèi)航天服，其中應(yīng)急尿液排出裝置(Contingency Urine Device，CUD)是應(yīng)急尿液排出的關(guān)鍵硬件，由快速斷接器、管路、尿液容器、閥門等組成，可以實現(xiàn)航天員穿著航天服6天內(nèi)的尿液排出問題。

本文針對未來登月任務(wù)中的尿液、糞便的收集、排出問題，系統(tǒng)整理、歸納了近50年間國外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，為未來中國相關(guān)型號研制提供數(shù)據(jù)支撐。

2 以往任務(wù)廢棄物收集排出方案

2.1 水星計劃和雙子星計劃

在1963年水星-阿特拉斯9號(MA-9)任務(wù)中，NASA首次提出了廢棄物管理系統(tǒng)的概念，通過手動泵的方式將尿液輸送至尿液儲袋中，如圖1所示。

圖1 水星-奧特利阿斯9號的尿液排出系統(tǒng)[8]Fig.1 Mercury-Atlas 9(MA-9)urination system[8]

圖中系統(tǒng)由2個主要組件組成:①穿著于航天服內(nèi)的尿液收集器；②艙內(nèi)的手動泵、管路、快速斷接器、尿液儲袋。在使用該系統(tǒng)時，航天員首先將尿排放至航天服內(nèi)的尿液收集器中，并連接快速斷接器，將兩部分連通，通過手動泵將尿液抽出并儲存在艙內(nèi)的容器中。在后續(xù)飛行任務(wù)中，該系統(tǒng)可靠性較差，曾出現(xiàn)過泵難以操作、管路泄漏等問題。

在1965年的雙子星載人任務(wù)中，由于飛行時間更長，對于廢棄物管理系統(tǒng)提出了更高的要求。排尿系統(tǒng)被分為2個不同功能的子系統(tǒng):應(yīng)急排尿系統(tǒng)(用于在穿著艙內(nèi)航天服時進行排尿的系統(tǒng))和飛行中排尿系統(tǒng)。其中應(yīng)急排尿系統(tǒng)繼承水星計劃相關(guān)技術(shù)，由航天服內(nèi)的尿液收集器和航天服外的排尿管路組成。圖2為航天服內(nèi)部的尿液收集器，圖3為雙子星Ⅲ、Ⅳ號使用的飛行中尿液排出系統(tǒng)。

圖2 航天服內(nèi)尿液收集器[8]Fig.2 In-suit urine-collection device[8]

圖3 雙子星Ⅲ、Ⅳ任務(wù)飛行中的尿液排出系統(tǒng)[8]Fig.3 Inflight disposal of urine for Gemini missions III and IV[8]

圖3所示系統(tǒng)的主要組件包括:①尿液收集器為圓柱形結(jié)構(gòu)，通過向頂部的充氣套管進行增壓以實現(xiàn)氣密，防止尿液漏出(圖4)；②可伸縮尿液儲袋，通過拉伸波紋管形的可伸縮尿液儲袋，可在尿液收集器、管路內(nèi)形成負壓，對尿液進行捕獲。隨后通過艙內(nèi)外的壓差，可將尿液排放至航天器外(圖5)。

圖4 尿液接收器組合體[8]Fig.4 Receiver-line assembly[8]

圖5 可伸縮尿液儲袋[8]Fig.5 Extendable urine bag[8]

在實際使用中，該尿液排出系統(tǒng)主要問題在于可伸縮尿液儲袋由另一名航天員手動控制，伸長速度必須與航天員排尿速度成正比，以形成負壓對尿液進行收集，這樣需要航天員精準配合操作，否則導(dǎo)致尿液漏出。隨后在1965年的雙子星V～Ⅻ任務(wù)中，NASA重新設(shè)計了廢棄物管理系統(tǒng)。其主要結(jié)構(gòu)如圖6所示，其中尿液收集器使用1個可卷曲的乳膠套管進行尿液收集，并防止尿液漏出。尿液收集器和尿液儲袋如圖7所示。

圖6 雙子星V～Ⅻ任務(wù)飛行中的尿液排出系統(tǒng)[8]Fig.6 Inflight disposal of urine for Gemini missions V～Ⅻ[8]

圖7 雙子星V～Ⅻ任務(wù)尿液接收器及儲存袋[8]Fig.7 Urine receiver assembly and collection bag for Gemini missions V～Ⅻ[8]

相對于雙子星Ⅲ、Ⅳ任務(wù)中的飛行中尿液排出系統(tǒng)，新系統(tǒng)主要使用艙內(nèi)、艙外壓差驅(qū)動，即每次排尿后通過閥門控制800 mL尿液儲袋與真空直接相連。在下次使用時，尿液即可直接吸入尿液儲袋中，同時管路上也設(shè)置了止回閥，以防止倒流。此外，在雙子星Ⅶ～Ⅸ任務(wù)中，管路上還有采樣閥用于保存尿液樣本進行后續(xù)分析。綜上，雙子星計劃中已經(jīng)初步將尿液收集、排出系統(tǒng)分為正常飛行用系統(tǒng)和應(yīng)急用系統(tǒng)，并明確使用壓差作為尿液驅(qū)動的排出方案，但系統(tǒng)尚存諸多問題，使用較為困難。

2.2 阿波羅計劃和航天飛機

在20世紀60年代的阿波羅載人登月任務(wù)中，廢棄物管理系統(tǒng)由尿液收集與排出系統(tǒng)和糞便廢棄物收集系統(tǒng)組成。其中尿液收集與排出系統(tǒng)的主要組成部分是尿液接收裝置(Urine Rseceptacle Assembly，URA)、尿液轉(zhuǎn)移裝置(Urine Transfer System，UTS)、尿液收集和傳輸裝置(Urine Collection and Transfer Assembly，UCTA)，在其中幾次飛行任務(wù)中，還包括樣本采集裝置等。1968～1969年間的阿波羅7號至阿波羅11號飛行任務(wù)中，未穿著航天服的航天員使用尿液轉(zhuǎn)移裝置排尿。1969～1972年的阿波羅12號～阿波羅17號飛行任務(wù)中，未穿著航天服的航天員主要使用尿液接收裝置，尿液轉(zhuǎn)移裝置作為備用，其中尿液接收裝置和尿液轉(zhuǎn)移裝置的原理如圖8所示。

圖8 尿液接收裝置和尿液轉(zhuǎn)移裝置[10]Fig.8 URA and UTS[10]

圖8所示的尿液接收裝置和尿液轉(zhuǎn)移裝置均使用航天器艙內(nèi)外的壓差作為尿液收集的驅(qū)動力，其中尿液轉(zhuǎn)移裝置由可卷薄壁乳膠管、1.2 L尿液儲袋、閥門、快速斷接器、管路等組件構(gòu)成。處于安全及衛(wèi)生考慮，可卷薄壁乳膠管為個人消耗品，使用5～6次后需進行更換。航天員可以通過可卷薄壁乳膠管向尿液收集袋中排尿，隨后將尿液儲袋與管路相連，完成向艙外的排出，也可以選擇同步完成排尿/尿液排出操作。尿液接收裝置為1個手持的圓柱形容器，使用時直接與艙外的真空環(huán)境相連，透過內(nèi)部的蜂窩結(jié)構(gòu)親水膜對尿液進行捕獲并排出。其內(nèi)部容積為480 mL，使用中的最大排尿速率可達40 mL/s。此外，系統(tǒng)的外部管路還具有電加熱器，用于防止冰堵。但是，該系統(tǒng)收集尿液的主要動力仍然來源于尿液自身的速度，圓柱形容器內(nèi)的空氣流速較慢，因此系統(tǒng)只能作為輔助收集，較難適用于女性航天員。

在實際使用中，尿液轉(zhuǎn)移裝置較為復(fù)雜，使用舒適度不高，尿液接收裝置每次需要額外的60 s吹干時間，操作步驟較為繁瑣，每次損耗艙內(nèi)氧氣量較大。

在發(fā)射階段、艙外活動和應(yīng)急模式下則使用航天服內(nèi)部的尿液收集和傳輸裝置，如艙外活動時穿著登月服、失壓長期生保時穿著艙內(nèi)服等場景。阿波羅計劃中艙內(nèi)服、艙外服均基于A7L系列壓力服組件，支持使用尿液收集和傳輸裝置進行尿液收集與排出。該系統(tǒng)由1個可卷薄壁乳膠管和腰間的尿液儲袋組成。收集的尿液可以在乘員穿著航天服時排出，也可以在脫下航天服后，通過管路連接到航天器廢棄物管理面板上排出。圖9為航天員穿著尿液收集和傳輸組件，圖10為阿波羅16號使用的尿液收集和傳輸裝置的連接關(guān)系圖。

圖9 尿液收集和傳輸裝置[10]Fig.9 Urine collection and transfer assembly[10]

圖10 阿波羅16號尿液收集和傳輸裝置連接關(guān)系[10]Fig.10 Connection relationship of Apollo 16 urine collection and transfer assembly[10]

阿波羅計劃中尿液收集和傳輸裝置主要供男性航天員使用，女性航天員則以材料吸收的方式為主。

在1973年的空間實驗室及1981年開始的載人航天飛機任務(wù)中，除具有固定的尿液收集裝置外，航天服內(nèi)也具有改進的尿液收集和傳輸裝置，可替換的尿收集適配器組件(Urine Collection Device Adapter)提供了女性航天員可用的型號，圖11、圖12分別為男性、女性航天員使用的尿收集適配器組件。

圖11 尿收集適配器(男)[14]Fig.11 Urine collection device adapter(Male)[14]

圖12 尿收集適配器(女)[14]Fig.12 Urine collection device adapter(Female)[14]

此外，優(yōu)化后的尿液收集和傳輸組件還具有尿收集適配器快速斷接器、樣本收集袋等組件，用于返回地面后對航天員每天的尿液樣本進行分析，具體如圖13、圖14所示。

圖13 尿收集器快速斷接器[14]Fig.13 Urine Collection Device(UCD)quick disconnect[14]

圖14 采樣袋[14]Fig.14 Urine sample storage bag[14]

阿波羅計劃中的糞便收集系統(tǒng)包括糞便收集裝置(Fecal Collection Assembly)、糞便袋(Fecal Bag)、糞便控制裝置(Fecal Containment System)，其中糞便收集裝置和糞便袋主要用于飛行中的糞便收集，圖15所示的糞便袋僅能用于正常飛行中，不能用于穿著航天服的狀態(tài)。

圖15 糞便袋[10]Fig.15 Fecal bag[10]

糞便控制裝置(Fecal Containment System)是穿著航天服情況下的應(yīng)急糞便收集裝置，其穿著于液冷服或常用服(Constant Wear Garment，CWG)內(nèi)部，可用于在壓力應(yīng)急狀態(tài)下的糞便收集，能容納1 L左右的糞便，如圖16所示。其主要結(jié)構(gòu)為貼身彈性的短襯褲和貼在臀部的吸收材料，在實際使用中，尿液、糞便中的濕氣被填充材料吸收，并逐漸揮發(fā)到服裝氣體中，最終被排風(fēng)系統(tǒng)吹除。同時為了防止使用者的皮膚和糞便長期接觸，穿戴之前需要涂抹特制軟膏。

圖16 糞便控制裝置[10]Fig.16 Fecal containment system[10]

阿波羅計劃-航天飛機任務(wù)中，設(shè)計上已經(jīng)考慮了長期穿著壓力服生保狀態(tài)時的尿液、糞便處理問題，其中尿液排出方式已經(jīng)較為成熟可靠，具有長期使用的能力，但糞便依然以儲存為主，難以支撐長期使用。

2.3 空間站方案

對于空間站而言，即使發(fā)生失壓事故，也可以快速返回飛船，啟動自主返航程序，因此基本不需要考慮長時間穿著艙內(nèi)航天服時的排尿需求，其尿液處理系統(tǒng)主要為固定于艙內(nèi)的廁所。

與應(yīng)急狀態(tài)的尿液處理理念不同，空間站尿液處理更注重物質(zhì)、能量的閉合度，目前國際空間站中水再生系統(tǒng)(Water Recovery System，WRS)對尿液中水的回收比例高達85%。盡管更高的水利用率能滿足更長期飛行的需求，但目前該類設(shè)備質(zhì)量和體積一般難以滿足登月任務(wù)要求。因此，在目前技術(shù)水平下，對于應(yīng)急狀態(tài)的尿液處理，仍應(yīng)選擇直接排出的方式，這樣具有最低的成本和最可靠的結(jié)構(gòu)。

3 未來登月任務(wù)中的應(yīng)急廢棄物收集與排出

3.1 應(yīng)急尿液收集與排出方案

Artemis計劃開始于2017年，旨在將美國航天員在2024年左右送往月球，并在未來登陸更遙遠的火星。在Artemis計劃中，獵戶座乘員生存系統(tǒng)(Orion Crew Survival Systems，OCSS)提供了長達6天的失壓防護能力。新型雙壓力制度艙內(nèi)航天服是獵戶座飛船中的主要壓力防護手段，具備了短期、長期的生保能力。原型系統(tǒng)已經(jīng)通過真空有人測試，但目前頭盔、液冷服、手套、廢棄物收集及排出系統(tǒng)等輔助單元仍在設(shè)計階段。獵戶座乘員生存系統(tǒng)中的應(yīng)急廢棄物管理(Off-Nominal Waste Management，ONWM)是在壓力應(yīng)急模式下對廢棄物進行收集、排出的重要系統(tǒng)之一，其中應(yīng)急尿液排出裝置(Contingency Urine Device，CUD)充分考慮了阿波羅計劃中尿液收集和傳輸裝置的諸多不足，其主要設(shè)計要求包括:

1)使用壽命內(nèi)應(yīng)至少達到24 L排出量，即4人6天的排尿需求；

2)盡可能使用透明材料，使航天員對尿液排出過程有直觀感覺，以判斷系統(tǒng)可靠運行；

3)設(shè)計滿足穿著航天服操作，由于穿著航天服后航天員活動性較差，觸覺感受能力較低，任何操作都應(yīng)該由穿著壓力服的受試者來驗證；

4)在艙內(nèi)發(fā)生失壓時，航天服外的系統(tǒng)應(yīng)由4名乘員共用；

5)材料應(yīng)能承受6天的真空暴露和尿液暴露；

6)系統(tǒng)僅用于壓力應(yīng)急狀態(tài)，正常飛行時間應(yīng)收納于航天器內(nèi)部。

為了滿足設(shè)計要求，應(yīng)急尿液排出裝置由快速斷接器、管路、尿液容器和艙壁上的排出接口組成，裝置運行的主要動力依然為航天服和艙外的壓差，系統(tǒng)連接如圖17所示。

圖17 獵戶座應(yīng)急尿液排出裝置[24]Fig.17 Orion contingency urine device[24]

獵戶座應(yīng)急尿液排出裝置與之前的尿液排出裝置的最大區(qū)別在于不直接與真空相連，尿液容器通過1個彈性隔膜分隔成A、B 2個區(qū)域，各500 mL，隔膜的作用在于防止系統(tǒng)直接與真空相連，同時不阻礙壓力的傳遞。通過選擇不同的隔膜厚度，可調(diào)整管路內(nèi)部壓力，提升舒適度。其原理如圖18所示。

圖18 獵戶座應(yīng)急尿液排出裝置原理圖[24]Fig.18 Schematic diagram of Orion contingency urine device[24]

獵戶座應(yīng)急尿液排出裝置中四通換向閥的4個端口分別連接至尿儲容器A區(qū)域、艙外排出管路、尿儲容器B區(qū)域、航天服管路。通過扳動四通換向閥可以實現(xiàn)尿儲容器A/B區(qū)域交替進行尿液收集、排出。航天員使用步驟如下:①連接快速斷接器；②在排尿過程中手動交替切換四通換向閥實現(xiàn)對尿液的連續(xù)捕獲、排出；③尿液全部排出后，斷開快速斷接器。

目前獵戶座應(yīng)急尿液排出裝置已經(jīng)通過壓力循環(huán)試驗、尿液浸泡試驗及穿著航天服測試。圖19所示模擬環(huán)境和航天服間的壓差，航天員穿著航天服對獵戶座應(yīng)急尿液排出裝置進行評估。裝置硬件已經(jīng)迭代至V2版本，其性能、使用壽命等均可以滿足設(shè)計要求，未來的研制工作主要考慮微重力條件下的氣液混合流動以及出口溫度、壓力的影響。

圖19 穿著航天服對獵戶座應(yīng)急尿液排出裝置進行評估[25]Fig.19 Pressurized,suited OCSS CUD functionality evaluation[25]

3.2 壓力應(yīng)急狀態(tài)下的糞便排出方案

對于登月任務(wù)中失壓后長期生保環(huán)境下的糞便收集、處理問題，目前尚無成熟解決方案，只能通過在失壓發(fā)生后供給流質(zhì)、少殘渣食物以減少廢棄物的產(chǎn)生，同時通過應(yīng)急糞便收集系統(tǒng)對少量糞便進行收集，并儲存于航天服內(nèi)部，該種方式系統(tǒng)簡單，但存在清理困難，舒適度較差等問題。針對未來以載人登月為代表的長期有人深空探測任務(wù)，NASA在2016年向公眾征集用于艙內(nèi)服的廢棄物排出方案，旨在尋找一種可用于失壓生保狀態(tài)下6天可用的兼顧尿液、糞便廢棄物的排出方案，并于2017年2月選擇了3種獲獎方案，如圖20所示。

圖20 Space poop challenge獲獎方案[27]Fig.20 Space poop challenge winners[27]

為了在失重環(huán)境下對尿液、糞便進行收集、排出，3種方案均使用氣流攜帶的方式對廢棄物進行吹除，但具體實現(xiàn)方式存在差異。其中新一代艙內(nèi)服用會陰接入的如廁系統(tǒng)(MACES Perineal Access＆Toileting System，M-PATS)是唯一具有演示樣機的方案，也是目前可行性最高的方案，其原理圖如圖21所示。

圖21 M-PATS原理圖[28]Fig.21 Schematic diagram of M-PATS[28]

新一代艙內(nèi)服用會陰接入的如廁系統(tǒng)主要包括:①航天服上的單向常閉閥用于在非使用時對壓力服內(nèi)部進行密封；②硬質(zhì)套管在需要使用時穿過航天服的單向常閉閥，將充氣展開便盆、尿液收集器或清潔用品送入航天服內(nèi)部，并在保證氣密性的前提下實現(xiàn)內(nèi)部管路的連接；③軟管用于實現(xiàn)尿液、糞便的傳輸；④廢棄物收集袋用于對廢棄物進行收集、過濾，防止其進入抽氣泵；⑤抽氣泵用于提供系統(tǒng)的主要驅(qū)動力，并將抽出氣體輸送回航天服內(nèi)部，降低不必要的氣體損失。圖22為收納于硬質(zhì)套管內(nèi)部的可展開便盆、尿液收集組件及清潔裝置。

圖22 可充氣便盆、尿液收集組件及清潔用品Fig.22 Inflatable bedpan,urine-collection devices and cleaning devices

綜上所述，相對于尿液廢棄物排出，目前對于長期生保狀態(tài)下的糞便排出尚無成熟方案，目前國外的概念性方案中以氣體輸送糞便等廢棄物為主，由于其排出時間相對較長的特點，應(yīng)考慮排出過程中盡可能減小氣流損失，即優(yōu)化各個連接部位閥門等組件，降低流阻，以提高糞便輸送效率，同時考慮將氣流進行回收。

4 小結(jié)

本文針對載人登月過程中壓力應(yīng)急狀態(tài)下的廢棄物處理問題，對國外航天器中已經(jīng)應(yīng)用的和處于預(yù)研階段的壓力應(yīng)急狀態(tài)下尿液、糞便的收集、排出方案進行了整理，并根據(jù)航天產(chǎn)品技術(shù)成熟度等級的定義對其技術(shù)成熟度等級進行了評價，如表2所示，其中TRL(Technology Readiness Level)為技術(shù)成熟度等級。

表2 國外廢棄物收集、排出技術(shù)對比Table 2 Comparison of waste collection and transfer technology

對于穿著航天服狀態(tài)下尿液處理，得到了如下的結(jié)論:

1)目前國外針對穿著航天服狀態(tài)尿液的處理已經(jīng)較為成熟，對于穿著艙內(nèi)服、艙外服狀態(tài)均有相應(yīng)的型號應(yīng)用，在中國型號研制中應(yīng)充分參考國外的成熟方案和設(shè)計理念；

2)在技術(shù)指標上，應(yīng)急尿液廢棄物排出系統(tǒng)設(shè)計壽命應(yīng)至少達到滿足每人6次/天，尿液處理總量至少1 L/天，最大流量至少需要達到50 mL/s的要求；

3)對于尿液的驅(qū)動方式，應(yīng)首選壓差作為驅(qū)動方式，即利用航天服與空間真空背景間的壓差將尿液進行排出，但出于安全性、舒適性考慮，應(yīng)當避免系統(tǒng)與真空直接相連；

4)對于尿液排出裝置的驗證，除了在地面進行壓差模擬、壓力循環(huán)、尿液浸泡等特殊試驗外，還應(yīng)當考慮通過在軌試驗對其微重力下的流動特性進行測試；

5)穿戴式的尿液收集裝置應(yīng)具有不同的替換接口，滿足不同航天員的穿戴舒適性需求。

對于壓力應(yīng)急狀態(tài)下糞便的處理，目前只有收集方案較為成熟，排出方案目前尚無成熟應(yīng)用的案例，通過對國外方案設(shè)計的調(diào)研，得到了如下結(jié)論:

1)使用氣流對糞便進行輸送是目前最為可行的方法，驅(qū)動力可選擇泵、航天服-真空間的壓差等；

2)應(yīng)急狀態(tài)下糞便收集和處理系統(tǒng)的能力至少應(yīng)達到每人75 g/天及75 mL/天的要求；

3)相對于尿液排出系統(tǒng)，糞便收、排出系統(tǒng)應(yīng)考慮盡可能對氣體進行回收，即通過泵將抽出的氣體返回航天服或艙內(nèi)環(huán)控生保系統(tǒng)；

4)目前糞便排出系統(tǒng)成熟度較低，距離實際應(yīng)用距離較大，建議開展相應(yīng)預(yù)研工作。