在阿波罗时代，宇航员需要将带有粘合边缘的塑料袋和导管固定在身上完成排泄，随后手动将杀菌剂袋混入密封的废物袋中。1971 年发布的一份 NASA 报告直言不讳地指出，当时的废物处理系统在宇航员满意度方面 “必须给予极差的评分”。阿波罗 10 号任务期间，甚至出现了粪便在舱内漂浮的尴尬场面。从塑料尿袋到功能完善的真空厕所，人类地外排泄经历了一场持续数十年的技术演进。2026 年随着 Artemis II 任务即将发射，NASA 的 Universal Waste Management System（UWMS）终于首次在地月转移轨道环境中接受真实机组测试，这一里程碑背后是微重力流体物理与严苛工程约束的深度博弈。
任务背景与系统定位
Artemis II 作为阿尔忒弥斯计划的首次载人飞行，将携带四名宇航员进行为期约十天的绕月飞行。与近地轨道任务不同，Orion 飞船必须在极端资源约束下运行：发射质量每增加一公斤都需要权衡火箭运载能力与任务经济性，飞船内部空间更是寸土寸金。这意味着安装在 Orion 内部的 UWMS 不能简单沿用国际空间站的版本，而需要在体积、重量、功能和可靠性之间找到新的平衡点。
Universal Waste Management System 由 Collins Aerospace 与 NASA 合作开发，项目始于 2015 年，首台飞行版本于 2020 年在国际空间站完成在轨测试，2021 年完成最终安装。而即将在 Artemis II 上使用的月球版本虽然基于同一技术平台，但针对 Orion 飞船的舱内布局和任务剖面进行了显著修改。根据项目负责人 Melissa McKinley 的说法，这套系统是 “任务关键” 设备 —— 一旦出现故障，整个任务都将陷入危险境地。
微重力流体物理的核心挑战
在微重力环境下排泄行为的工程实现远非安装一个带有抽吸功能的马桶那么简单。地表重力环境中，液体和固体废物会自然下落并与大气分离；而在失重条件下，表面张力成为主导流体行为的关键因素，液滴会悬浮并可能附着在任何接触表面上。尿液尤其棘手 —— 它不仅会产生飞溅，还可能在蒸发后形成有害的气溶胶颗粒。
UWMS 采用了真空辅助气流设计来解决这一问题。系统通过负压气流将尿液和粪便分别导入专用收集通道，这类似于在飞船内部建立一个精密的气液分离系统。但关键在于气流参数的精确控制：流速过高会导致飞溅和湍流，增加过滤器堵塞风险；流速过低则无法有效收集，反而会造成废物回流。根据已公开的技术资料，ISS 版本的 UWMS 采用双风扇气流架构，一路负责尿液收集后的预处理输送，另一路维持整个收集区域的负压环境。
粪便处理面临的挑战在于固体废物的压缩与存储。月球任务无法像空间站那样频繁倾倒废物，因此 Orion 版本的 UWMS 必须具备更高的废物浓缩能力。系统采用真空干燥技术通过降低收集腔内的压力使水分蒸发，显著减少废物总体积并抑制细菌滋生。这种设计需要在能耗、热量管理和废物稳定性之间取得平衡 —— 毕竟在密闭舱段内，废物处理系统的任何故障都可能影响空气质量甚至机组成员健康。
Orion 版本与 ISS 版本的设计权衡
国际空间站的 UWMS 面对的是完全不同的任务环境：近地轨道意味着地面补给相对频繁、能源供应充足、废物可以定期转移。但即便如此，ISS 版本的系统仍然面临诸多限制 —— 例如早期版本并未充分考虑女性解剖结构差异，尿粪收集也无法同时进行。
Artemis II 的 Orion 版本针对这些痛点进行了针对性改进。首先是同时收集能力的提升 —— 宇航员现在可以在同一时段使用排尿和排便功能，这对任务执行效率有实际意义。其次是性别包容性设计：为不同体型和生理特点的宇航员提供适配的尿液收集装置，同时保留通用性以降低后勤复杂度。第三是隐私层面的突破 ——Orion 版本首次配备了实体舱门，这在阿波罗时代是不可想象的功能，但确实改善了机组人员的心理状态和生活质量。
然而 Orion 版本的尺寸限制意味着系统必须在功能上做出取舍。相比 ISS 版本较为宽裕的舱内空间，Orion 的废物管理系统体积更小、重量更轻，这对材料的选用和内部机械布局提出了更高要求。系统主体采用 3D 打印钛合金结构，在减轻重量的同时保证强度和耐腐蚀性 —— 这本身就是制造工艺与材料工程的权衡结果。
另一个关键差异在于水回收策略。ISS 的 UWMS 与水处理系统深度集成，尿液经过预处理后送入 Urine Processor Assembly 最终转化为饮用水。但 Artemis II 任务的持续时间相对较短，任务规划中并不强制要求将废物转化为可用资源 —— 这一差异直接影响了系统的复杂度和能耗参数。月球任务的能源预算必须优先供给生命支持、推进和通信等核心系统，废物处理只能分配到有限的功率配额。
工程参数的实践意义
对于从事航天系统设计的工程师而言，UWMS 的工程实践提供了若干可量化的参考维度。在气流系统设计上，维持收集区域负压的真空泵功耗、系统响应时间以及故障检测阈值是关键指标 —— 这些参数直接影响机组人员的使用体验和系统可靠性。在废物存储方面，密封容器的容积限制、压力变化曲线和温度控制策略决定了任务可持续性。对于未来更长期的火星任务，系统设计还需要考虑辐射环境对电子设备的影响以及长期密闭环境下的微生物控制策略。
从系统集成角度看，UWMS 的模块化设计思路值得借鉴。其标准化接口意味着同一套硬件可以适配不同类型的航天器平台，降低了研发成本并提高了系统可靠性。这种设计哲学在商业航天快速发展的今天具有普遍意义 —— 当多家航天企业需要为不同飞行器开发生命支持系统时，模块化和可扩展性成为降低技术风险的关键手段。
Artemis II 任务的成功将为后续更远距离的载人飞行奠定基础。如果这次为期约十天的绕月飞行中 UWMS 能够稳定运行，将为阿尔忒弥斯计划的后续任务 —— 包括月球南极的长期驻留乃至最终的火星探测 —— 提供宝贵的设计验证数据。正如 McKinley 所言，任务返回后将获得 “更多信息”，这些数据将直接推动未来任务中废物管理系统的迭代方向。太空厕所的演进史，本质上也是人类地外生存能力不断突破的缩影。
资料来源
- Scientific American: "Artemis II's toilet is a moon mission milestone" (2026 年 4 月 1 日)
- NASA TechPort: UWMS 项目文档 (TechPort ID 93128)