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一个价值1.5亿元的马桶!详解新一代太空“通用废物办理体系”

价值 2300 万美元、3D 打印钛金属零件、男女通用,这些标签归于国际空间站行将设备的高科技产品:新一代太空马桶。

美国东部时刻 10 月 2 日晚上 9:16,美国航空航天局商业货运供给商诺斯罗普 · 格鲁曼公司向国际空间站发射补给使命,履行本次使命的天鹅座货运飞船载有约 3.6 吨的科研物资、机组人员补给和相关设备,其间最值得重视的使命之一,便是把这样一台 “史上最贵” 的太空马桶送到空间站,让宇航员们翻开测验。

这套马桶的官方称号,其实叫做通用废物办理体系(UWMS),它重 45 公斤,高 71 厘米,大约是现在空间站所运用俄制马桶的一半,此外,旧马桶更适合男性,而新马桶的规划也更多考虑到了女人航天员的需求。

NASA 方面标明,这仅仅晋级的一部分,在国际空间站上设备的新马桶不只能使空间站宇航员们的日子变得更好、更高效,该体系还将设备在新的猎户座飞船上进行测验,这是阿耳忒弥斯登月方案甚至火星登陆方案的一部分,新马桶将更适合在未来的深空勘探使命中运用。

图|新一代太空马桶:通用废物办理体系

隐藏黑科技,能让尿变水

宇航员们如安在太空中运用卫生间?这是人类步入太空时代以来的老问题。

由于重力缺失,人类最根本的分泌进程变得极具挑战性。而跟着下一次 SpaceX 的载人翱翔,空间站的人口将从 6 人增加到 7 人,商业载人航天也呈现出常态化趋势,太空马桶的运用频次随之增高,宇航员们在太空方案中一般要履行数十天甚至数月的使命,如厕问题是刚需中的刚需。

那么太空马桶是怎样作业的呢?冲水当然是不或许的,在没有重力的情况下,太空马桶运用的是微弱气流吸力,将尿液和粪便从身体中抽离并吸入恰当的容器中保存处理,防止满天“翱翔”。

UWMS 开发的一个新功用是翻开马桶盖时自启动吸力气流,这还有助于马桶气味操控。依据宇航员们的调研需求,它具有一个更契合人体工程学的规划,削减了整理和维护时刻,与现在的空间站马桶比较,它的体积小了 65%,重量轻了 40%,设备由柯林斯航空航天公司开发的 3D 打印钛金属双电扇分离器,发生强壮的气流替代重力,将宇航员的尿液和粪便吸进马桶,一同新材料足以反抗尿液预处理中一切的酸性物质,大幅提高马桶的耐腐蚀和耐用性,削减在预订方案之外进行维护的本钱。

图|科研人员展现导尿软管

宇航员可运用特别形状的漏斗和软管吸尿,漏斗能够便利地进行替换或取出进行消毒,并能运用坐便器进行排便。漏斗和坐便器能够一同运用,这满意了许多女航天员的需求,UWMS 的坐便器看起来口径很小,但在微重力条件下非常抱负,它供给了抱负的身体接触面,以保证全部尽在掌控之中。

由于每个人在如厕时的姿态都不相同,宇航员的共同反响标明传统的大腿绑带很费事,UWMS 配套设备还包含了脚束缚和把手设备,供宇航员运用,以防身体漂浮,别的,卫生纸、湿巾和手套会被搜集到防水袋中会集处理。

花在如厕上的时刻越少,宇航员们就有更多的时刻会集在科研和其他高度优先的太空使命上。

图|新式太空马桶的规划结构

最巨大上的改善是,UWMS 集成了最先进的尿液收回功用。是的,宇航员的尿液排出后,经过这个马桶过滤和处理,能够变为水。

美国宇航员杰西卡 · 梅尔解说说:“咱们收回了空间站 90% 的水基液体,包含尿液和汗液。咱们企图在空间站上做的是模仿地球天然水循环的元素,最大化收回水资源。提到咱们在国际空间站的尿液,今日的‘咖啡’或许便是明日的咖啡!”

UWMS 的中心规划理念是能够很容易地集成到不同的航天器和生命支撑体系中,在宇航员长时刻日子和作业的太空舱平台上,UWMS 装有尿液预处理剂量泵 / 预处理质量指示设备,能把经过预处理的尿液送入再生体系,收回水分供进一步运用。

其间应用到的一项黑科技为氨的电化学氧化技能,能将人类尿液中的尿素转化为氨,氨是由氮和氢组成的小分子,氧化反响则能够分化这些分子,氨氧化可用于太空中出产氮气、水和能量,是未来长时间太空使命的要害需求。

空间站上的再生生命支撑体系至关重要,它能够大大削减从地球上发射补给水的需求。未来的登月使命需求建立月球基地,并长时刻逗留,而往复火星的使命则需求大约两年时刻,并且简直没有机会弥补水源。UWMS 的规划方针是在人类初次登上火星履行使命之前到达 98% 的收回率,空间站是现在仅有一个验证长时间生命支撑和收回体系的太空实验地址。

图|新式太空马桶在约翰逊航天中心进行相关测验

NASA 官方标明,在太空中,水循环的每一部分都是生计的要害,而技能的前进能够对使命的功率和成功发生要害性的影响。当咱们预备让人类与阿耳特弥斯方案一同重返月球,并等待人类初次登陆火星之际,生命支撑体系将在坚持宇航员健康和安全方面发挥重要作用,由于他们日子、作业和学习的间隔比以往任何时候都要远。

现在,固体废物保存在独自的水密袋中,然后被紧缩在一个可移动的粪便储存罐里,少数的粪便紧缩样本会被送回地球进行评价研讨,大多数紧缩便便,则在回来地球大气层时焚烧殆尽,UWMS 体系针对粪便分泌物尚没有深度处理功用,但美国宇航局正在研讨这一才干。

现在国际空间站上美国太空仓的厕所仍是 1990 时代规划的,这种全新的 UWMS 体系将替换掉现已近 30 年的老太空马桶类型,直到空间站运用寿命完毕,期间将不断搜集功能和可靠性数据,为进一步改善做参阅。

图|作业人员测验检验 UWMS 体系

未来太空厕所的新样版

UWMS 太空马桶主要由 AES LR 项目供给资金,这是 NASA 先进勘探体系物流削减项目的子使命之一,其方针是开发一个紧凑的厕所体系,该体系未来可用于多种外太空翱翔器和栖息地。

UWMS 的集成和国际空间站项目规划始于 2015 年,并同步与国际空间站有效载荷办公室和猎户座方案深化协作,研制优化继续到 2020 年头,这么贵的马桶其实不只一台。

要在空间站上投入运用的是 UWMS 1 号;而 UWMS 2 号将被开发设备在猎户座飞船上参加登月使命,该飞船能够承载 4 名宇航员,是人类重返月球,并接着降服火星的要害航天器,UWMS 团队还将与猎户座方案的宇航服团队协作,开发应急尿液和粪便废物搜集体系,我们 UWMS 发生毛病,则能够运用 LEA 应急体系搜集分泌物。

两套 UWMS 设备的方案均已完结。UWMS 1 号于 2019 年 6 月革除,估量 2020 年末正式投入运用;2019 年 12 月,UWMS 2 号也已革除,相关测验也会在 2020 年晚些时候进行。就现在来看,UWMS 的革除、集成和测验方案都在按期推动。

图|NASA 的 “月球厕所挑战赛” 宣扬图

关于太空马桶的研讨,NASA 还在经过资金资助的办法寻求更多民间构思力气。2020 年 6 月份,NASA 启动了一项 “月球厕所挑战赛” 活动,其锦标赛实验室与一家名为 HeroX 的草创公司协作,组织了太空马桶规划 “众包” 活动。

NASA 呼吁国际社会提出更多紧凑轻便型马桶的新颖规划理念,寻觅一种更小、更高效且能够在微重力和月球重力下作业的下一代设备。

到 2024 年重返月球是一个雄心壮志的方针,“月球厕所挑战赛”旨在激起国际社会的主意,召唤不同范畴的太空探究者、工程师和科学家们,以不同于传统航空工程的思想办法来解决问题,总奖金为 3.5 万美元,将在提交 “技能” 类别中前三名规划的团队之间同享。

新一代太空马桶的规划应节水,并有助于坚持着陆器内的环境没有异味和其他污染物。完好的解决方案将能够为两名宇航员供给至少 14 天的支撑,一同操控气味,包容不同类型的废物和不同性别的运用者,尽管搜集吐逆物的首选办法是吐逆袋,可是能够搜集吐逆物且无需机组人员将头 “埋在” 厕所的规划将取得加分。

还有更多标准和功能规划细节要求,比方:

* 占用空间不大于 0.12 平方米;

* 耗费不到 70 瓦的功率;

* 低于 60 分贝的噪音水平操控;

* 可接受 58 至 77 英寸高,107 至 290 磅体重的用户;

* 可一同排尿和排便;

* 每次运用可搜集 1 升尿液,保证每位乘员每天均匀运用 6 次;

* 每次排便可包容 500 克粪便,保证每位船员每天均匀运用 2 次;

* 安稳分泌物,防止发生异味和微粒;

* 便利乘员运用厕所卫生用品,例如厕纸,湿巾和手套;

* 两次清洁之间的间隔时刻为 5 分钟或更短,便于清洁和维护;

此外,马桶将在标称航天器环境中运转,气压为 14.7 psia 或 8.2 psia,但其存储体系在舱外或许会遇到 0 psia的运转环境,在厕所体系呈现毛病的情况下,太空马桶体系的规划要保证搜集的一切废料均安全保存,机组人员没有露出于尿液、粪便或其他废物、气体以及真空之下,各项目标要求非常准确且苛刻。

图|太空马桶的要害组成部件

NASA 的“太空马桶自在”

新式太空马桶 UWMS 体系的革除,关于美国载人航天来讲算是一个不小的前进。

一方面,NASA 完成了 “太空马桶自在”。2007 年国际空间站美国舱段厕所呈现毛病,NASA 曾“斥巨资” 从俄罗斯订货了一台太空马桶,耗资约 1900 万美元,NASA 宣称,从俄罗斯买太空马桶比自己造更廉价。可是俄罗斯太空厕所模块中蠢笨的操作办法长时间以来困扰着美国宇航员,并且巨细毛病不断。

2008 年 5 月,美国购买的俄罗斯太空马桶气液分离器泵呈现毛病,机组人员无法修正相关部件,只能对其进行替换。所以,俄罗斯工程师将备用的气液分离器拼装泵,加急送往佛罗里达州 NASA 肯尼迪航天中心;在那里,它被装在发现号航天飞机上并发射到国际空间站;而在此期间,宇航员们只能运用手动形式进行尿液搜集,我们舱内卫生操控欠好,很或许进化出致病细菌,来回一折腾,本钱可就不止 1.3 亿元了。

2019 年 2 月,国际空间站美国舱段厕所再次呈现毛病,美国宇航员搜集了超越 10 升从卫生间流出的液体。而现在美国自主研制的 UWMS 体系,尽管一套价值 1.5 亿元,但 NASA 对全体的标准、质量和功能的要求都有比较全面的把控,长时间来看,能大幅下降维护本钱,脱节对国外的技能依靠。

另一方面,文明探究太空和外星球,不随地留下巨细便。依据 NASA 的官方记载,在 1969 年阿波罗 10 号翱翔使命中,一块便便的碎片逃脱并漂浮在狭隘的机舱中,给宇航员形成恐惧形象。在太空比赛时期,登月宇航员们不得不与臭名远扬的 “阿波罗粪便收留设备” 相伴,这是一个荣耀的便便袋,为了保证袋子不会胀大成充溢气体形成危险,宇航员们有必要增加特别的杀菌剂才干分化粪便和尿液。

在几回阿波罗翱翔使命中,宇航员在月球外表留下了 96 袋粪便、尿液和吐逆物。NASA 估量,未来履行火星使命需求办理至少约 600 磅的固体废物,将废物留在其他星球上存在污染的危险,科学家们忧虑,人类的废物或许终究对外星生态体系形成损坏,因此有一个新的太空马桶来保存处理至关重要。

NASA 为此还提出了 “行星维护” 的根本辅导准则。本质上,这个主意是将人类的细菌和废物留给人类自己,尤其是在未来太空游览变得习以为常的情况下。

到 2024 年,在月球上巨细便会是什么姿态?UWMS 体系或许会带来人类太空游览史上收回功率最高、也最卫生的如厕体会。

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