航天尿收集装置现状与技术发展趋势

贺双喜，席林斌

（中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室，北京100094）

0 引言

航天员在载人飞船或空间站等载人航天器内需要小便时，可以在飞船或空间站内的“太空马桶”（大小便收集装置）解决。但在飞船发射、返回、交会对接阶段，航天员需要穿着舱内航天服，在进行出舱活动时需要穿着舱外航天服，并且数小时内不允许脱掉服装，因此，为了解决航天员穿着航天服小便的问题，需要为航天员研制尿收集装置（urine collection device，UCD）[1-2]。近些年，各国载人航天事业蓬勃发展，我国空间站也即将建成。随着人类探索宇宙的步伐越来越远，人类驻留太空的时间也越来越长，航天尿收集装置作为航天员必不可少的个人装备，在航天活动中必将发挥越来越重要的作用。本文对航天尿收集装置的发展过程进行综述，对航天尿收集装置的研制有很好的借鉴和指导作用。

1 国外航天尿收集装置的发展现状

目前，航天员使用的航天尿收集装置起源于纸尿裤。早在1942 年，瑞典人鲍里斯特尔姆发明了简陋的纸尿裤[3]。这是一种两件式的纸尿布，外层是塑料裤，内层是皱纹纸做成的吸收层。由于这种一次性的纸尿布很容易破，碎屑会沾满孩子的屁股，因此很长时间内并没有被广泛利用。1960 年，美国宝洁公司提出“翼式”纸尿裤设计方案，这种“翼式”纸尿裤使用无纺布和绒毛浆作为液体渗透层和吸收层，并用安全别针固定，这是纸尿裤真正意义上的雏形[4]。1961 年，美国《时代》周刊评选的20 世纪最伟大的100 项发明中就有纸尿裤[4]，但那时的纸尿裤吸收量较小，结构还不成熟，也没有高效吸收材料，无法应用于航天领域。因此，在载人航天飞行初期，由于没有航天员使用的尿收集装置，还发生了2 次小意外：1961 年4 月12 日，人类第一位太空英雄——苏联宇航员加加林在前往飞船的路上突感尿急，只好顺着航天服的管子向外排尿；同年，在迟迟不能发射的飞船里，美国航天员谢·泼德也遭遇了尿急，指挥官命令他在航天服里排尿[5]。

1961 年7 月，为了解决航天员小便收集的问题，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）科学家为航天员设计了双层橡胶裤+嵌入式储液器的服装，美国航天员维吉尔·格里森穿着这种服装执行了水星-红石4 号任务[6]。

在美国阿波罗计划实施期间，NASA 专门为收集航天员的大小便研制了废物管理系统，该系统由尿液子系统和粪便子系统组成，其中尿液子系统的主要组成部分包括尿液贮器组件（urine receptacle assembly，URA）、尿液传输系统（urine transfer system，UTS）、尿液收集与转移组件（urine collection and transfer assembly，UCTA）[7]。URA（如图1 所示）是一个可以手持的开放式圆柱形容器，通过快速断接头连接到排尿管路，而该管路又通过快速断接头连接到废物管理控制台。URA 的最大尿流量为40 mL/s，虽然贮器的容量仅为480 mL，但是连同排尿管的有效容量可达700 mL[7]。UTS（如图2 所示）由1 个尿套、1 个接收器、1 个带歧管的阀门、1 个收集袋和1 个快速断接头组成。尿套类似于避孕套，用于连接人体与接收器/阀门。尿套连接的接收器是1 个短管，包含1 个低压差速止回阀（262 N/m2）和1 个旁通阀。UTS 有2种使用模式：（1）UTS 收集袋在排空时连接到舱外排放系统，直接向飞船外排放尿液；（2）尿液收集在UTS 收集袋中，收集袋再连接到舱外排放系统，将尿液排到舱外。UTS 收集袋的容量为1 200 mL。出于卫生原因，每位航天员都配置了专用的UTS[7]。UCTA（如图3 所示）包括1 个尿套和1 个戴在腰部的收集囊。飞船上的抽吸设备将尿液通过一个安装在服装右裤腿上的专用外部断接器抽走。UCTA 中的尿液可以在乘组人员穿着航天服时排出，也可以脱掉航天服后再将尿液输送软管连接到废物管理面板后排出。UCTA 的最大流量为30 mL/s，最大存储容积为950 mL[7-9]。除此之外，NASA 为了存储尿液和收集样本，也设计了一系列UCD，如图4所示[10]。

图1 尿液贮器组件（URA）[7]

图2 尿液传输系统（UTS）[7]

图3 尿液收集与转移组件（UCTA）[7]

图4 尿液收集装置（UCD）[10]

20 世纪80 年代，美国太空总署的一位华人工程师唐鑫源为解决航天员排尿问题，利用高分子吸水树脂材料（主要成分为聚丙烯酸钠），发明了吸水量为1 400 mL 的纸尿裤，解决了航天员太空排尿的难题，为现代纸尿裤的结构形态奠定了基础[11]。后来，为了解决女性航天员穿着航天服排尿的问题，科学家们研制了一次性吸收短裤（disposable absorption containment trunk，DACT），如图5 所示，由塑料底膜、木浆、高分子吸水树脂、无纺布层和内层组成。由于DACT 使用方便，舒适性、防漏性好，后来男性航天员也开始使用DACT。1983年，在美国挑战者号的载人航天飞行中，航天员第一次使用这种DACT[12-14]。

图5 一次性吸收短裤（DACT）[14]

1988 年，科学家对DACT 进行了改进，又发明了更加舒适的“最大化吸收服装”（maximum absorbency garment，MAG），如图6 所示。MAG 的尿液吸收量可达到2 L，可以满足航天员一次性长时间使用的要求[15-17]。目前，NASA 航天员在发射、返回和舱外活动时都穿着这种一次性的尿收集装置。因此，即使在航天技术发达的今天，这种一次性便携式的航天尿收集装置仍是航天员必备的重要装备。

图6 最大化吸收服装（MAG）[16]

在载人登月任务中，若是发生严重的座舱失压情况，则航天员穿着航天服返回地球需要大约6 d[18]，而MAG 的使用时间不得超过12 h。因此，为了解决长期压力应急飞行过程中大小便收集的难题，2016年10 月，NASA 发起了一项“太空大便挑战赛”[19]，该项挑战赛要求参赛者设计一套穿着航天服长达6 d（144 h）的排泄物处理系统，最终评选出3 项获奖方案，其中获得第1 名的是美国的一名空军外科医生Thacher Cardon 提供的会阴通道和厕所系统（MACES perineal access&toileting system，M-PATS），如图7所示。Thacher Cardon 在航天服的裆部设计了一个小气闸，通过气闸口可以将充气便盆和尿液收集装置等物品送到指定位置再进行展开；由电池供电的“通用抽吸装置”可将废物抽入便盆或尿液收集器，并最终进入废物收集袋中[20]。

图7 会阴通道和厕所系统（M-PATS）[20]

2019 年，NASA 公布了由“Artemis”载人登月计划研制的猎户座舱内航天服，并且设计了能满足6 d失压的应急废物管理（off-nominal waste management，ONWM）系统，其中应急尿液排出装置（contingency urine device，CUD）充分考虑了阿波罗计划中尿液收集和传输装置的诸多不足，如图8 所示[21]。该装置由快速断接器、管路、尿液容器和舱壁上的排出接口组成，排尿的动力依然来自于航天服与舱外的压差。CUD与之前的尿液排出装置的最大区别在于不直接与真空相连，而是在航天服与真空环境之间设置一个尿液容器，通过内部的隔膜分成2 个区域来防止系统直接与真空相连，从而在使用者和真空环境之间产生一个可控的屏障[22-23]。

图8 猎户座舱内航天服用应急尿液排出装置（CUD）[21]

2 国内航天尿收集装置的发展现状

我国最早是在20 世纪60 年代的“曙光”1 号舱内航天服研制任务中开始进行尿液收集与排出装置的关键技术研究。随着1992 年载人航天工程的启动，我国开始了目前使用的舱内航天服的研制[24]，航天尿收集装置的研制也随之提上日程。到2003年执行神舟五号任务时，我国科技工作者们成功研制出了中国的航天尿收集装置，如图9 所示。航天英雄杨利伟穿着尿收集装置圆满完成了首次载人飞行任务。该航天尿收集装置由航天医学工程研究所（现中国航天员中心）联合中国纺织大学（现东华大学）于1997 年开始进行攻关研制[25]，在当时国内成人纸尿裤技术基础薄弱、成人纸尿裤生产线缺乏的情况下，经过技术攻关，采用半自动化半手工的方式制作完成了航天尿收集装置，解决了大吸收量、低回渗和抗菌除臭的技术难题，助力中国首次载人航天飞行任务圆满完成。到2005 年执行神舟六号任务时，在广东百顺纸品有限公司（现广东茵茵股份有限公司）的支持下，经过反复试制和设备调试，实现了航天尿收集装置的全部机械化生产，大大提高了产品的品质和生产效率[26]。在2012 年执行神舟九号任务时，为了满足女性航天员的参试要求，根据女性体型和生理特点，又成功研制出女性航天尿收集装置，在航天尿收集装置的腰围、腿围和吸收芯体分布位置等方面进行了针对性设计，满足了女性航天员在太空中穿着航天服排尿的任务需求，如图10 所示。近年来，在中国航天员中心和相关单位的联合研制下，航天尿收集装置产品更新换代，实现了产品的多功能、系列化、轻量化，产品品质持续提升，保障了神舟五号到神舟十三号历次载人飞行任务的圆满成功。

图9 国内航天尿收集装置

图10 国内女性专用航天尿收集装置

3 航天尿收集装置的主要工作模式及要求

综合国内外航天尿收集装置的发展情况，载人飞行任务中的航天尿收集装置主要在穿着舱内航天服和穿着舱外航天服时使用，其主要的工作模式及要求如下。

3.1 密闭狭小空间使用

航天尿收集装置主要用于舱外航天服和舱内航天服的密闭狭小环境中，并且外部有多层服装束缚。在航天尿收集装置外面还要穿着内衣（出舱活动时还要穿液冷服）和航天服，透气性差，容易滋生细菌，因此对航天尿收集装置原材料的卫生学要求比较高。航天员生活在密闭环境中，需要控制逸出气态污染物含量[27]，因此航天尿收集装置使用的原材料还需要满足控制逸出气态污染物的要求。

3.2 长时间穿着使用

目前，航天员每次穿着航天尿收集装置的时间在8 h 以上，在未来载人登月和有人火星探测等深空探测活动中穿着时间会更长，这就要求航天尿收集装置与人体接触的材料对皮肤刺激性小，且具有抗菌、除臭的功能以及快速、高效地吸收尿液的能力，并具有较低的回渗量，从而保持皮肤的干爽。

3.3 失重和超重

航天尿收集装置在太空飞行阶段和出舱活动时处于失重状态，在飞船上升段和返回时又处于超重状态[28]，这就需要航天尿收集装置有更强的吸收性能、更快的吸收速度和更低的回渗量。

3.4 质量和体积约束

由于飞船空间和载荷有限，航天尿收集装置在设计时要在保证性能的前提下尽量减小其质量和体积，做到轻薄、舒适、适体。

3.5 垃圾长期存放

空间站建成后，航天尿收集装置使用后形成的垃圾要在太空存放3 个月到半年以上，需要有可靠的垃圾封装方式，保证长时间存放的垃圾不向飞船内部环境散发异味。

4 航天尿收集装置的技术发展趋势

4.1 高吸收和低回渗

航天尿收集装置在吸收量、回渗量等方面的要求比普通成人纸尿裤高，而高吸收与低回渗是一对矛盾体，如何解决这个矛盾并保持两者的平衡，是未来航天尿收集装置需要着力解决的问题。目前，解决这个问题主要是从面层材料和吸收芯体2 个方面着手。一方面，对于面层材料，要求快速下渗保证表面干爽，同时也要阻止吸收芯体的水分在一定压力下反渗。目前，面层材料主要采用纺粘、SMS 或热风粘合非织造布，在这些材料的基础上研制特殊结构的面层材料，满足干爽和舒适的要求是非常重要的。另一方面，尿收集装置的吸收芯体需要进一步研究。吸收芯体是尿收集装置的核心部分，吸收芯体目前经历了3 代，第1 代是20 世纪60 年代，使用非织造布与绒毛浆作为液体渗透层和吸收层；第2 代是20 世纪80年代，应用高分子吸收树脂作为吸收芯体的主要材料；第3 代是2012 年左右国产厂商推出的复合芯体，其主要由无尘纸、无纺布和高分子吸水树脂组成，最大的优点就是轻薄、不易断层，吸水后整体膨胀，平整不起坨[29]。目前吸收芯体已发展到第4代，为了增强芯体吸收量，设计人员使用更精细化的分层技术，使芯体达到7 层，使高分子吸水树脂含量达到70%以上，并保证芯体的轻薄、柔软、透气和低回渗[30]。但花王等品牌的纸尿裤目前还有很大一部分在用传统的木浆加高分子树脂芯体，用户体验评价比国内的这种复合芯体还要好。目前，国内很多厂家都在开展复合芯体的生产，但真正把复合芯体结构的优势发挥到最大，还需要深入研究复合芯体各层的材料特性和结构组成方式。

我国航天尿收集装置目前仍然采用传统木浆加高分子树脂的芯体结构形式，因为这种芯体结构虽然较厚，但是吸液后透气性较好[31]，反渗较低。未来，结合轻薄、舒适的发展趋势，研究大吸收量、低回渗的复合芯体是航天尿收集装置的一个重要研究方向。

4.2 舒适性

舒适性主要体现在人穿着尿收集装置的过程中，形成了与外界环境隔绝的人体-尿收集装置-环境微气候[32]。这个内部微气候内温湿度的变化对人体的热舒适度具有很大的影响，尤其对于航天员来说，穿着尿收集装置的时间较长，多次排尿后微环境内温湿度发生很大变化，严重影响尿收集装置微气候内热舒适度；而且多次排尿后尿收集装置的吸液能力下降，回渗量有所增加，残留在尿收集装置面层的尿液会刺激人体的皮肤，严重时会造成尿布疹[33-34]。舒适性还体现在尿收集装置的腿围和防侧漏隔边的结构设计以及底膜的设计中。腿围和防侧漏隔边需要较好地贴合人体，并具有一定的束紧功能，然而尿收集装置在束紧的同时会加大对人体的压力，可能导致血液受阻，压力不适也会加剧接触刺激性[35]；尿收集装置的底膜用于防止尿液渗出，可起到隔离的作用[36]，同时需要具有良好的透湿防水和一定的抗撕裂性能，且能够及时排出微气候内的湿气。

航天尿收集装置的适体性与舒适性也密切相关，且航天尿收集装置在这方面要求更高。航天员穿着尿收集装置后还要穿着内衣、液冷服、梯度加压裤和航天服等，外面的服装对尿收集装置的压力和束缚比正常人穿着纸尿裤要大很多，因此穿着适体性也是航天尿收集装置需要考虑的方面。有学者从水分管理能力、接触舒适性、热湿舒适性、适体舒适性4 个方面的相互关系阐述了纸尿裤整体服用性能测评的研究进展，并且提出了纸尿裤多层结构间热湿传递机制的研究、专业实验平台和测量仪器的搭建、纸尿裤舒适性评价体系的构建等方面的研究建议[37]，这对航天尿收集装置服用舒适性方面的深入研究有很好的指导作用。目前，市场上销售的成人拉拉裤比现在的航天尿收集装置轻薄、舒适，但吸收量低，无法满足航天任务高吸收量的要求。因此，需要在现有成人拉拉裤的基础上进行升级改造，提高吸收性能，满足航天尿收集装置高吸收性能和舒适性的要求。

4.3 抗菌与除臭

相比普通成人纸尿裤，航天尿收集装置的抗菌除臭功能显得尤为重要。一方面，航天员穿着尿收集装置的时间较长，外部服装的束缚较多，而且在飞船座椅内的姿势比较固定，因此形成尿布疹的概率较大；另一方面，载人飞行器内部空间较小，航天员尿液中挥发的氨气等异味会污染舱内环境，对航天员的身体健康不利。因此，航天尿收集装置的抗菌除臭功能是必须要考虑的。目前，航天尿收集装置的面层进行了抗菌处理，同时在尿收集装置内部添加了碳布以吸附异味，起到了很好的抗菌除臭效果。尿收集装置内部不止面层可以进行抗菌处理，导流层、绒毛浆和高吸水树脂（super absorbent polymer，SAP）等都可以进行抗菌处理，已经有不少学者和厂家在这方面进行了研发[38-42]。另外，可以借鉴中医药理论，深入挖掘中医药宝库的精华，把绿色、天然的抑菌材料应用到尿收集装置中，降低尿布疹的发生概率。在除臭方面，目前使用的碳布吸附量偏小，使用活性炭颗粒会提高异味的吸附效果，但需要做好包覆，防止活性炭颗粒逸出。

4.4 安全性

随着生活水平的提高，人们对纸尿裤的品质要求也越来越高，对产品的安全性也越来越关注，安全性已成为纸尿裤设计的关键因素[43]。航天尿收集装置对安全性更是高度关注，对原材料的使用控制比普通纸尿裤更严格。考虑到太空飞行中航天员的身体健康因素以及航天器密闭环境对气体成分和含量的控制要求，原材料中不能含有重金属等有毒有害物质和有害挥发性物质。

我国现行GB/T 28004—2011《纸尿裤（片、垫）》对甲醛含量、可迁移性荧光物质、重金属含量和可分解致癌芳香胺染料等安全性指标都没有具体要求。2017 年10 月，由中卫安（北京）认证中心牵头起草的T/NAHIEM 001—2017《医护级婴幼儿纸尿裤（片）》和T/NAHIEM 002—2017《医护级成人纸尿裤（片、垫）》顺利通过了国家审查并正式出台，2018 年6 月国家发布了GB/T 36420—2018《生活用纸和纸制品化学品及原料安全评价管理体系》，这些标准对原材料中重金属含量、甲醛含量、可迁移性荧光物质、增塑剂、微生物和包装等都提出了具体要求。2021年发布的GB/T 28004.1—2021《纸尿裤 第1 部分：婴儿纸尿裤》增加了甲醛含量、可迁移性荧光物质、重金属含量和可分解致癌芳香胺染料等安全性指标要求，GB/T 28004.2—2021《纸尿裤 第2 部分：成人纸尿裤》也增加了甲醛含量、可迁移性荧光物质等安全性指标，可以看出人们越来越重视纸尿裤原材料的安全性。

航天尿收集装置不仅要满足上述标准的要求，还必须满足航天相关卫生学要求，如密闭环境下非金属材料需满足逸出气态污染物要求。2018 年出台的Q/TKKJ 01—2018《航天级纸尿裤》标准，就对逸出气态污染物提出了具体要求。尿收集装置使用的抗菌剂也应为非溶出性或微溶出性，以减少抗菌剂对皮肤微生物环境的影响。空间站对微生物控制的要求更严格，因为空间站内的工作、生活物资种类繁多，而且长期有人居住，微生物直接威胁到航天员的健康和空间站的运行安全[44]，所以必须严格控制。因此，航天尿收集装置必须从原材料源头严格把关，选用天然、绿色、无毒无害和环保的原材料，采用有效的微生物控制措施，减少对人体的损害和对环境的污染。

4.5 轻量化

轻量化对于航天产品设计尤为重要，飞船空间和火箭发射载荷均有限，减轻质量对于航天发射具有重要意义。因此，航天尿收集装置也要在原材料、结构方面进行优化，用尽可能少的资源实现尿液收集的功能。

4.6 可靠垃圾封装技术

随着我国空间站的建成，未来单次任务飞行时间越来越长，可达6 个月甚至1 a 以上，航天尿收集装置使用后的垃圾处理方式也需要着重关注。载人飞行器内的空气流通不如地面通畅，航天员吃、穿、用、大小便等产生的垃圾如果封装处理做不好，长时间存放就会产生大量异味且会滋生细菌，严重影响航天员的生活环境和身体健康，这就需要从包装材料、封装方式、处理方法等方面进行研究，并评估效果，以制订出封装可靠、简便、可长时间存放且无异味、占用资源小的垃圾封装方案。

4.7 超长时间重复使用技术

在未来载人登月和深空探测等复杂的航天任务中，可能会遇到穿着航天服几天内不能脱掉的情况，目前的航天尿收集装置不能解决长时间穿着时大、小便的问题，需要在航天尿收集装置的基础上进行改进，增加收集容量，设置大小便隔离区，针对大小便干湿属性的不同进行收集，并具备处理废弃物所产生的异味的能力，满足未来不同任务的需求。

5 结语

航天尿收集装置是航天员穿着航天服时必不可少的个人装备，对保障航天员安全、高效地开展工作具有重要作用。当前的航天尿收集装置基本能够满足8 h 左右的使用要求，但在舒适性、轻量化、使用后存放等方面还存在不足。载人航天事业的深度发展对航天尿收集装置提出了更高的要求：（1）需要通过改进结构和优化吸收芯体材料提高吸收性能，同时保证多次重复使用后仍保持较低的回渗量；（2）需要通过优化结构和材料提高舒适性，同时开展舒适性评价设备的研发，建立航天尿收集装置系统的舒适性评价方法；（3）需要在安全、天然、高效的抗菌与除臭技术方面开展深入研究；（4）航天尿收集装置使用后的长期存放方式需要进一步提升，处理方式应简单、可靠，并开展深入的试验验证；（5）6 d 以上超长时间穿着航天尿收集装置非常具有挑战性，当前的尿收集装置无法满足要求，可靠性、人体舒适性和耐受性需要重点考虑，需要与航天服的结构有很好的匹配性。未来，在任务需求推动下，大量新材料、新工艺、新设备、新技术一定会推动航天尿收集装置的提升与发展。