航天廢物處理設備

航天廢物處理設備是在軌太空飛行器上收集、處理、輸送、排除所有固體和液體廢物的分系統，是環境控制和生命保障系統的重要組成部分，又可稱為航天廢物處理系統。

航天過程固體廢物包括大便,殘存的食物,食品和藥物包裝、果皮、嘔吐物 等。液體廢物包括小便、冷凝水、衛生洗滌水等，其中主要廢物還是大小便。在軌太空飛行器是一個特殊的環境，很容易因為垃圾問題導致環境污染、細菌滋生等問題。廢物收集與處理問題直接影響航天員健康，而航天員身體健康是順利完成一切任務的基礎。

載人航天中,由於微重力的影響,使航天員的大、小便及其它廢物的收 集和處理成為一 個難題。為此，各國都進行了很長時間的研究，取得了一定的成果。

基本介紹

• 中文名：航天廢物處理設備
• 外文名：Space waste disposal system
• 別稱：航天廢物處理系統

設備要求

載人太空飛行器上的廢物收集和處理系統，應結構簡單、操作簡便、符合人的行為準則和習慣，使航天員在生理上和心理上均可接受;要消除和控制臭味、剌激性氣味、細菌微生物和其他懸浮微粒進入座艙;要儘可能避免手動操作，確保系統工作的安全可靠。在生命保障系統中它是一項難度較大的關鍵技術。開展這項工作，涉及到微重力下人、機界面關係的理論研究和設計;涉及微重力下物質相行為變化的分析和相分離技術的理論研究，並要解決相應設計問題;需要建立基本的地面微重力模擬試驗條件，以開展必要的模擬試驗。

國外發展概況

隨著載人航天飛行時間的延長，人數的增多，座艙容積的擴大以及環境要求的提高，廢物收集和處理技術作了不斷的改進和發展。

美國載人太空飛行器的廢物收集和處理技術發展，大致可分為兩個階段:“水星”“雙子星座”“阿波羅”飛船為其第一階段;從“天空實驗室”空間站開始為其第二個階段。

第一階段，因飛行時間較短，座艙中容積較小採用較簡單的大、小便廢物收集和處理技術。

“水星”飛船為1人28小時的飛行任務，僅用一個附著在航天服內的小便收集系統，在整個飛行過程中一直是穿戴在身上的，靠直接接觸密封。要進行便溺時，航天員連線快速斷接器，操作手動排尿裝置，產生尿的輸送壓差，使尿從附著有服裝內層的收集袋輸送到貯存袋。小便完後，快速斷接器脫開，將尿袋放入貯存容器中，帶回地面。實際使用中發現，因手動操作產生壓差太大，在尿的輸送過程中產生泄漏現象。由於飛行時間短。沒有必要進行大便收集(一般在航天飛行前三天，航天員吃低殘渣食物）。但以防萬一，還是準備了一個大便收集袋。

“雙子星座”飛船的乘員為2人,最長飛行時間14天。其小便不能完全貯存帶回地面，要定期地排到艙外去。在飛船的發射和返回階段，採用了“水星”飛船上用過的辦法。“雙子星座”飛船Ⅱ、Ⅳ號的航天員排尿時，操作“皮老虎”，提供小便輸送負壓差，使小便進入“皮老虎”貯尿箱，然後排到艙外去。使用中發現，手動操作“皮老虎”的伸張與小便的速率不易協調一致，往往需要別的航天員幫助才能完成。同時系統還產生返流和泄漏現象。因此，從“雙子星座”飛船Ⅴ號開始進行了改進。在小便收集器上加上一個單向閥，防止尿的返流。小便時，尿通過手動控制閥進入容量為800ml收集袋。而後，關閉手動控制閥，接通快速斷接器，將尿排到艙外。最長飛行為14天，大便收集是必不可少的。採用一個軟塑膠收集袋，在袋的開口端表面有粘膠，以便在使用時保持良好的接觸密封。大便後，將袋口密封，把預先放在袋中殺菌劑搓和在大便中，存放在廢物箱中。

“阿波羅”飛船的大小便收集和“雙子星座”飛船基本一樣。其出艙活動和應急飛行時使用特製的大小便收集裝置。用來進行大便收集的彈性短褲的臀部處敷有吸濕良好的襯墊，它可吸收大便中的濕氣，臭氣進入航天服通風循環迴路後被消除。穿著這一短褲前，在臀部周圍塗摸油膏，防止大便與皮膚直接接觸。小便收集裝置的最大貯存容積為950ml。尿收集後，可通過右大腿處斷接器排到廢水箱。

上述三個型號飛船的大小便收集系統的顯著缺點是:收集裝置要與人體長期直接接觸;要手動操作，既費時間，又增加航天員的心理負擔，還容易污染座艙空氣。實際上，正是水星、雙子星座等飛船廢物收集系統所發現的問題和取得的經驗，促進了美國後續載人太空飛行器廢物收集和處理分系統的變在天空實驗室上採用了嶄新的廢物收集裝置。它與前面所介紹的方法幾乎沒有什麼聯繫，在使用上接近於地面的習慣方法。這就是它的第二個階段。

在天空實驗室上，首次採用氣流進行大、小便的輸送和離心式相分離方法。小便是用一個漏斗狀小便收集器(見圖1-a)收集，在收集時所形成的尿和空氣混合流體，在離心式氣、液分離器中進行分離。尿被送到廢水箱。空氣經殺菌、過濾後仍送回座艙。大便是在氣流作用下(見圖1-b)送入一個帶微孔的收集袋。氣體經袋壁微孔排出，過濾後，由風機送回到座艙，而固體和液體留在袋內。便後，手工將袋密封，經真空乾燥滅菌處理後，帶回地面。大小便的收集過程實現了半自動化。航天員消耗精力較少，使用是滿意的。

基於天空實驗室的技術和經驗，在太空梭上又進行了改進和完善,基本上實現了自動化操作。它除了能收集和處理男、女航天員的大小便外，還能收集從個人衛生設施來的洗滌水，從艙外活動裝置來的廢液，以及從垃圾筒來的濕汽。整個系統如概述圖所示。

航天員要進行大小便時，首先開動離心式液、氣分離風機，抽座艙氣體進入大小便收集器，在一定氣流作用下，使大小便與人體分離，並進行輸送。大便送入便桶後，在桶內轉動的拋擲裝置作用下，將大便及衛生紙等撕碎,並使其鋪平在桶內壁。從大便桶內出來的濕汽，以及從小便收集器來的液氣混合流體，進入離心式氣液分離器。氣、液被分離後，液體排到廢水箱，定期排到艙外;氣體經滅菌過濾後送回到座艙。在兩次大便之間,大便桶與艙外真空環境相通。使大便乾燥，抑制細菌微生物生長。

蘇聯在小狗上天的生物衛星上，就採用氣流輸送法進行狗的大、小便收集和處理。蘇聯第一代載人飛船——“東方號”只裝了尿收集系統。圖3是後續載人飛船上所用的大、小便收集結合在一起的廢物收集系統。它在尿的收集系統中加上大便收集桶，構成全套廢物收集系統。它的工作特點是:大、小便的收集均用氣流輸送;小便是用吸濕材料吸附，實現氣液分離，大便用透氣不透液體的收集袋收集並貯存。這是一種較為簡單而實用方法。

主要問題

太空飛行器是一個特殊的人造環境，在收集廢物過程中主要會受到以下三方面問題的影響。

微重力

在太空微重力條件下，液體的無界面流動會導致人的飲水和排出的小便不受控制，容易在空中形成液滴對環境造成污染，此外微重力還會導致排出的大便在空中飄浮、航天員在排便時無法固定到馬桶上等問題。

密閉環境

與地面實驗室環境不同，太空飛行器是一個完全密閉環境，地面實驗室環境可以通過與外界通風來解決發生異味、細菌滋生等問題，而太空飛行器雖然能夠對艙內空氣進行過濾和除菌處理，但處理能力十分有限，很容易發生污染。

物資供應受限

向在軌太空飛行器運送物資成本非常高，無法像地面實驗室一樣做到大量的物資和能源供應，所以在廢物收集和處理過程中水、衛生紙、除菌劑、電能等物資和能源供應都受限。

關鍵技術

大便收集處理

大便的收集和處理方法很多。經過分析和比較認為:真空乾燥處理法(見圖5)被認為是一種好的方案，它具有重量輕、體積小、功能省的優點。但在美國的太空梭上使用發現，後期桶內貯存的大便等廢物已較多，再次使用時，滑閥一打開，隨著桶內拋擲裝置的轉動，會使大使等乾燥廢物倒飛入艙內，污染座艙空氣。飛行結束後的地面維護工作也比較麻煩。所以，後來進行了改進;將桶內拋擲裝置去掉，增加壓實機構，在飛行到5-6天時，由外部驅動機構將內部的葉片(其一端固定，另一端可轉動)旋轉到30度角左右，壓緊桶中廢物。另外，在桶內還安放一個收集袋。回到地面後，打開側門，連同袋子將廢物取出。維護工作相當方便。還有一種方法是用一個襯套繞到一個可轉動的輪子上(見圖6)，在進行大便收集時，慢慢地轉動輪子，便實現大便的壓實收集。

上述幾種方法在每收集一次大便後，在進行真空乾燥處理時，桶內氣體被排放到空間而損失。為了適應長期飛行(如在空間站上)使用，美國的哈密爾頓標準部提出了三種辦法:即微波乾燥處理，半導體致冷處理，以及生物降解處理。

氣-液分離技術

廢物收集過程中所形成的氣液混合物(包括尿、冷凝水、衛生洗滌水等與氣體的混合)的分離。在微重力下有兩種分離技術:靜態分離和動態分離。靜態分離是利用液體的毛細力和表面張力原理進行氣-液間的分離。蘇聯載人太空飛行器上是採用這一種較為簡便的方法來進行尿、冷凝水與氣體之間的分離。動態分離是製造一個人工力（例如離心力)作用在氣、液混合流體上，利用氣、液間的密度不同，實現有效分離。

地面試驗

廢物收集和處理方案的選擇、設計及試驗驗證等各個階段，都離不開微重力模擬試驗。

地面的微重力試驗方法很多：中性浮力水槽、落管、落塔、飛機拋物線飛行等。其中，中性浮力水槽和飛機的拋物線飛行是較合適的廢物收集和處理技術研究的基本設備。據資料報導，美國為了驗證由通用電器公司提出的太空梭廢物收集和處理系統方案，用KC一135飛機，進行了242個拋物線飛行，獲得了累計兩小時的“零G”狀態，有12名女性、7名男性接受試驗，共收集45次小便和10次大便，全面評價這套系統。

兩種處理系統

水氧化廢物處理系統

水氧化方法是20世紀90年代廢物處理系統的最有希望的候選方案之一.根據它的溫度和壓力條件，可以分成4種，濕氧化、催化濕氧化.高溫超臨界水氧化和低溫超臨界水氧化.

與焚化比較，水氧化能從糊漿狀的有機廢物中產生對光合作用至關重要的C0₂.而焚化只對紙張、垃圾等含水量低的廢物有效處理，但對產生的含大量水的有機廢物處理，效果是不好的。如果用焚化的方法處理，必須首先使水蒸發.這需要大量能量.另外，為了回收損失的能量，需要安裝大容量的熱交換器，相反，用水氧化是在水壓力下的一個小閉環中進行，它可以使能量損失減到最小.，焚化需要的氧氣要比廢物完全氧化需氧量多出10〜50%.但是水氧化只需要按化學反應配比的氧氣.

與生物方法相比較的優點在於，水氧化不會再產生作為處理結果的生物量，而且它的時間為幾秒到幾小時，比生物處理過程短.另外，水氧化反沿器輸出產物中不含有細菌和病毒.

濕氧化不能使有機物質完全氧化，需要對排出氣體進行淨化.催化濕氧化和高溫超臨界水氧化使有物中的氮以氮氣形式氣化，它不能直接地被生命保障系統中培養的藻類和較髙等植物利用，如果使用這兩種方法，需用理化方法或生物方法固氮.如果能找到一種完全硝酸化的催化劑，催化濕氧化是很有希望的.在低溫超臨界水氧化情況下，大量氮以NH₃的形式存在於溶液中，它可以被藻類和較高等植物直接利用.超臨界水氧化的壓力太高，在空間使用不安全.

真空乾燥成固態廢物

多年來已研究過許多廢物轉換處理的方法，其中真空乾燥成固態廢物的處理途徑顯示出既簡化又有效的特點，現已被太空梭的軌道飛行段所選用。還將為許多未來的太空飛行器所採用。使用這種方法，一天只損耗90克/人本來可以回收的水。採用“冷凍-乾燥”法處理的固態廢物可使細菌活動受到抑制，因而能使儲存的廢物安全無害。對於較長時間、較高利用率的航行任務，可用高溫分解的方法，以便減經廢物處理箱。