登月任務(wù)中壓力應(yīng)急狀態(tài)下廢棄物收集與排出系統(tǒng)發(fā)展研究

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(jìn)

(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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，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(xiǎn)程度最高、危害最嚴(yán)重的故障，在嚴(yán)重的失壓故障下，航天員只能借助航天服進(jìn)行6～7天的生命保障，直至航天器返回地球。在如此長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)實(shí)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(zhǎng)期工作問(wèn)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(wèn)題。NASA相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)于穿著航天服長(zhǎng)達(dá)24 h以上的任務(wù)需要考慮應(yīng)急廢棄物排出的問(wèn)題，其中尿液收集量應(yīng)按照每人6次/天設(shè)計(jì)，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(dāng)兼顧每人75 g/天及每人75 mL/天的需求。

在早期的航天長(zhǎng)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(jìn)行吸收，但是舒適度較低，難以長(zhǎng)時(shí)間工作。在水星計(jì)劃、雙子星計(jì)劃中，NASA開(kāi)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(jì)劃中，NASA設(shè)計(jì)了尿液收集裝置(Urine Collection/Transfer Assembly，UCTA)，用于進(jìn)行壓力應(yīng)急狀態(tài)的尿液儲(chǔ)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(shí)驗(yàn)室、航天飛機(jī)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(jì)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(zhǎng)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(mén)等組成，可以實(shí)現(xiàn)航天員穿著航天服6天內(nèi)的尿液排出問(wèn)題。

本文針對(duì)未來(lái)登月任務(wù)中的尿液、糞便的收集、排出問(wèn)題，系統(tǒng)整理、歸納了近50年間國(guó)外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，為未來(lái)中國(guó)相關(guān)型號(hào)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(jì)劃和雙子星計(jì)劃

在1963年水星-阿特拉斯9號(hào)(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(guò)手動(dòng)泵的方式將尿液輸送至尿液儲(chǔ)袋中，如圖1所示。

圖1 水星-奧特利阿斯9號(hào)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(gè)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(dòng)泵、管路、快速斷接器、尿液儲(chǔ)袋。在使用該系統(tǒng)時(shí)，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(guò)手動(dòng)泵將尿液抽出并儲(chǔ)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(guò)泵難以操作、管路泄漏等問(wèn)題。

在1965年的雙子星載人任務(wù)中，由于飛行時(shí)間更長(zhǎng)，對(duì)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(gè)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(shí)進(jìn)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(jì)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(hào)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(guò)向頂部的充氣套管進(jìn)行增壓以實(shí)現(xiàn)氣密，防止尿液漏出(圖4)；②可伸縮尿液儲(chǔ)袋，通過(guò)拉伸波紋管形的可伸縮尿液儲(chǔ)袋，可在尿液收集器、管路內(nèi)形成負(fù)壓，對(duì)尿液進(jìn)行捕獲。隨后通過(guò)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(chǔ)袋[8]Fig.5 Extendable urine bag[8]

在實(shí)際使用中，該尿液排出系統(tǒng)主要問(wèn)題在于可伸縮尿液儲(chǔ)袋由另一名航天員手動(dòng)控制，伸長(zhǎng)速度必須與航天員排尿速度成正比，以形成負(fù)壓對(duì)尿液進(jìn)行收集，這樣需要航天員精準(zhǔn)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(jì)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(gè)可卷曲的乳膠套管進(jìn)行尿液收集，并防止尿液漏出。尿液收集器和尿液儲(chǔ)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(chǔ)存袋[8]Fig.7 Urine receiver assembly and collection bag for Gemini missions V～Ⅻ[8]

相對(duì)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(dòng)，即每次排尿后通過(guò)閥門(mén)控制800 mL尿液儲(chǔ)袋與真空直接相連。在下次使用時(shí)，尿液即可直接吸入尿液儲(chǔ)袋中，同時(shí)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(jìn)行后續(xù)分析。綜上，雙子星計(jì)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(dòng)的排出方案，但系統(tǒng)尚存諸多問(wèn)題，使用較為困難。

2.2 阿波羅計(jì)劃和航天飛機(jī)

在20世紀(jì)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(hào)至阿波羅11號(hào)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(hào)～阿波羅17號(hào)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(dòng)力，其中尿液轉(zhuǎn)移裝置由可卷薄壁乳膠管、1.2 L尿液儲(chǔ)袋、閥門(mén)、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(gè)人消耗品，使用5～6次后需進(jìn)行更換。航天員可以通過(guò)可卷薄壁乳膠管向尿液收集袋中排尿，隨后將尿液儲(chǔ)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(gè)手持的圓柱形容器，使用時(shí)直接與艙外的真空環(huán)境相連，透過(guò)內(nèi)部的蜂窩結(jié)構(gòu)親水膜對(duì)尿液進(jìn)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(dá)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?jiǎng)恿θ匀粊?lái)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(shí)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(shí)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(dòng)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(dòng)時(shí)穿著登月服、失壓長(zhǎng)期生保時(shí)穿著艙內(nèi)服等場(chǎng)景。阿波羅計(jì)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(jìn)行尿液收集與排出。該系統(tǒng)由1個(gè)可卷薄壁乳膠管和腰間的尿液儲(chǔ)袋組成。收集的尿液可以在乘員穿著航天服時(shí)排出，也可以在脫下航天服后，通過(guò)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(hào)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(hào)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(jì)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(shí)驗(yàn)室及1981年開(kāi)始的載人航天飛機(jī)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(jìn)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(hào)，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(duì)航天員每天的尿液樣本進(jìn)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(jì)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(shí)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(shí)為了防止使用者的皮膚和糞便長(zhǎng)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(jì)劃-航天飛機(jī)任務(wù)中，設(shè)計(jì)上已經(jīng)考慮了長(zhǎng)期穿著壓力服生保狀態(tài)時(shí)的尿液、糞便處理問(wèn)題，其中尿液排出方式已經(jīng)較為成熟可靠，具有長(zhǎng)期使用的能力，但糞便依然以儲(chǔ)存為主，難以支撐長(zhǎng)期使用。

2.3 空間站方案

對(duì)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(dòng)自主返航程序，因此基本不需要考慮長(zhǎng)時(shí)間穿著艙內(nèi)航天服時(shí)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(guó)際空間站中水再生系統(tǒng)(Water Recovery System，WRS)對(duì)尿液中水的回收比例高達(dá)85%。盡管更高的水利用率能滿足更長(zhǎng)期飛行的需求，但目前該類(lèi)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(duì)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(lái)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(jì)劃開(kāi)始于2017年，旨在將美國(guó)航天員在2024年左右送往月球，并在未來(lái)登陸更遙遠(yuǎn)的火星。在Artemis計(jì)劃中，獵戶座乘員生存系統(tǒng)(Orion Crew Survival Systems，OCSS)提供了長(zhǎng)達(dá)6天的失壓防護(hù)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(hù)手段，具備了短期、長(zhǎng)期的生保能力。原型系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)真空有人測(cè)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(jì)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(duì)廢棄物進(jìn)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(jì)劃中尿液收集和傳輸裝置的諸多不足，其主要設(shè)計(jì)要求包括:

1)使用壽命內(nèi)應(yīng)至少達(dá)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(duì)尿液排出過(guò)程有直觀感覺(jué)，以判斷系統(tǒng)可靠運(yùn)行；

3)設(shè)計(jì)滿足穿著航天服操作，由于穿著航天服后航天員活動(dòng)性較差，觸覺(jué)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(lái)驗(yàn)證；

4)在艙內(nèi)發(fā)生失壓時(shí)，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(shí)間應(yīng)收納于航天器內(nèi)部。

為了滿足設(shè)計(jì)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(yùn)行的主要?jiǎng)恿σ廊粸楹教旆团撏獾膲翰睿到y(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(guò)1個(gè)彈性隔膜分隔成A、B 2個(gè)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(shí)不阻礙壓力的傳遞。通過(guò)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(gè)端口分別連接至尿儲(chǔ)容器A區(qū)域、艙外排出管路、尿儲(chǔ)容器B區(qū)域、航天服管路。通過(guò)扳動(dòng)四通換向閥可以實(shí)現(xiàn)尿儲(chǔ)容器A/B區(qū)域交替進(jìn)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(guò)程中手動(dòng)交替切換四通換向閥實(shí)現(xiàn)對(duì)尿液的連續(xù)捕獲、排出；③尿液全部排出后，斷開(kāi)快速斷接器。

目前獵戶座應(yīng)急尿液排出裝置已經(jīng)通過(guò)壓力循環(huán)試驗(yàn)、尿液浸泡試驗(yàn)及穿著航天服測(cè)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(duì)獵戶座應(yīng)急尿液排出裝置進(jìn)行評(píng)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(jì)要求，未來(lái)的研制工作主要考慮微重力條件下的氣液混合流動(dòng)以及出口溫度、壓力的影響。

圖19 穿著航天服對(duì)獵戶座應(yīng)急尿液排出裝置進(jìn)行評(píng)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(duì)于登月任務(wù)中失壓后長(zhǎng)期生保環(huán)境下的糞便收集、處理問(wèn)題，目前尚無(wú)成熟解決方案，只能通過(guò)在失壓發(fā)生后供給流質(zhì)、少殘?jiān)澄镆詼p少?gòu)U棄物的產(chǎn)生，同時(shí)通過(guò)應(yīng)急糞便收集系統(tǒng)對(duì)少量糞便進(jìn)行收集，并儲(chǔ)存于航天服內(nèi)部，該種方式系統(tǒng)簡(jiǎn)單，但存在清理困難，舒適度較差等問(wèn)題。針對(duì)未來(lái)以載人登月為代表的長(zhǎng)期有人深空探測(cè)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(jiǎng)方案，如圖20所示。

圖20 Space poop challenge獲獎(jiǎng)方案[27]Fig.20 Space poop challenge winners[27]

為了在失重環(huán)境下對(duì)尿液、糞便進(jìn)行收集、排出，3種方案均使用氣流攜帶的方式對(duì)廢棄物進(jìn)行吹除，但具體實(shí)現(xiàn)方式存在差異。其中新一代艙內(nèi)服用會(huì)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(jī)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(huì)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(shí)對(duì)壓力服內(nèi)部進(jìn)行密封；②硬質(zhì)套管在需要使用時(shí)穿過(guò)航天服的單向常閉閥，將充氣展開(kāi)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(shí)現(xiàn)內(nèi)部管路的連接；③軟管用于實(shí)現(xiàn)尿液、糞便的傳輸；④廢棄物收集袋用于對(duì)廢棄物進(jìn)行收集、過(guò)濾，防止其進(jìn)入抽氣泵；⑤抽氣泵用于提供系統(tǒng)的主要驅(qū)動(dòng)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(kāi)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(duì)于尿液廢棄物排出，目前對(duì)于長(zhǎng)期生保狀態(tài)下的糞便排出尚無(wú)成熟方案，目前國(guó)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(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)的特點(diǎn)，應(yīng)考慮排出過(guò)程中盡可能減小氣流損失，即優(yōu)化各個(gè)連接部位閥門(mén)等組件，降低流阻，以提高糞便輸送效率，同時(shí)考慮將氣流進(jìn)行回收。

4 小結(jié)

本文針對(duì)載人登月過(guò)程中壓力應(yīng)急狀態(tài)下的廢棄物處理問(wèn)題，對(duì)國(guó)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(jìn)行了整理，并根據(jù)航天產(chǎn)品技術(shù)成熟度等級(jí)的定義對(duì)其技術(shù)成熟度等級(jí)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，如表2所示，其中TRL(Technology Readiness Level)為技術(shù)成熟度等級(jí)。

表2 國(guó)外廢棄物收集、排出技術(shù)對(duì)比Table 2 Comparison of waste collection and transfer technology

對(duì)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(guó)外針對(duì)穿著航天服狀態(tài)尿液的處理已經(jīng)較為成熟，對(duì)于穿著艙內(nèi)服、艙外服狀態(tài)均有相應(yīng)的型號(hào)應(yīng)用，在中國(guó)型號(hào)研制中應(yīng)充分參考國(guó)外的成熟方案和設(shè)計(jì)理念；

2)在技術(shù)指標(biāo)上，應(yīng)急尿液廢棄物排出系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命應(yīng)至少達(dá)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(dá)到50 mL/s的要求；

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

4)對(duì)于尿液排出裝置的驗(yàn)證，除了在地面進(jìn)行壓差模擬、壓力循環(huán)、尿液浸泡等特殊試驗(yàn)外，還應(yīng)當(dāng)考慮通過(guò)在軌試驗(yàn)對(duì)其微重力下的流動(dòng)特性進(jìn)行測(cè)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(duì)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(wú)成熟應(yīng)用的案例，通過(guò)對(duì)國(guó)外方案設(shè)計(jì)的調(diào)研，得到了如下結(jié)論:

1)使用氣流對(duì)糞便進(jìn)行輸送是目前最為可行的方法，驅(qū)動(dòng)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(dá)到每人75 g/天及75 mL/天的要求；

3)相對(duì)于尿液排出系統(tǒng)，糞便收、排出系統(tǒng)應(yīng)考慮盡可能對(duì)氣體進(jìn)行回收，即通過(guò)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(shí)際應(yīng)用距離較大，建議開(kāi)展相應(yīng)預(yù)研工作。