Виновата физика: почему ломается туалет на самых дальних рубежах и как его чинят на «Орионе»

Как устроен туалет «Ориона»

На корабле Orion установлена система UWMS — компактный высокотехнологичный агрегат, на разработку которого потратили рекордные $23 млн. Внешне устройство напоминает привычный унитаз, но с очень узким стульчаком и сложной внутренней начинкой. Чтобы в невесомости тело астронавта не смещалось, человеку приходится фиксировать ноги в специальных подножках и держаться за поручни.

Вместо смыва здесь используется принцип пылесоса: мощные вентиляторы создают поток воздуха, который втягивает отходы внутрь. Там они попадают в титановый корпус сепаратора (часть его деталей напечатали на 3D-принтере), который отделяет жидкость от воздуха и блокирует запахи. Санузел расположен в зоне с высоким фоновым шумом от систем жизнеобеспечения корабля, а работа самой системы только добавляет децибел, поэтому находящиеся на борту вынуждены использовать беруши или наушники.

Куда уходят отходы и что происходит с мочой

Система UWMS разделяет отходы. Твердые фракции через узкий стульчак попадают в одноразовые мешки, которые после использования герметично закрывают и прессуют в контейнере. Их хранят на борту до самого возвращения и утилизируют уже на Земле. Мочу же собирают через индивидуальные воронки, соединенные с гибким шлангом.

В отличие от МКС, на корабле Orion жидкость не перерабатывают в питьевую воду. Ее накапливают в баке и периодически выбрасывают за борт через специальный клапан. Принцип напоминает работу туалетов в старых поездах, только слив идет не на рельсы, а прямиком в открытый космос. Экипаж может наблюдать этот процесс через иллюминатор.

В вакууме моча одновременно закипает и замерзает, превращаясь в сверкающее облако ледяных кристаллов. Теоретически, со временем они могут осесть на поверхности Луны или войти в состав какого-нибудь астероида, изрядно озадачив инопланетных астробиологов будущего.

Почему система отказывала в полете

За первые пять дней полета дорогостоящий туалет выходил из строя дважды. Первый инцидент произошел 1 апреля, спустя всего несколько часов после старта: заклинило всасывающий вентилятор сепаратора. Второй сбой зафиксировали 4 апреля, на полпути к Луне.

Основная сложность связана с коварной физикой процессов в вакууме, где одновременно работают два фактора. Отверстие, через которое моча удаляется за борт, находится на корпусе корабля. Когда эта часть Orion оказывается в тени, металл сильно остывает.

Второй процесс включается, как только клапан открывается: жидкость попадает в безвоздушное пространство и начинает бурно кипеть из-за отсутствия давления. При этом происходит мгновенное испарительное охлаждение: пар стремительно забирает тепло у оставшейся влаги. Сочетание ледяного металла и потери энергии на испарение приводит к тому, что жидкость моментально превращается в лед прямо в выходном отверстии. В результате образуется ледяная пробка, которая блокирует систему и не позволяет использовать основной шланг.

Как астронавты чинят туалет

Чтобы растопить лед в клапане, экипаж меняет ориентацию корабля так, чтобы солнечные лучи падали на замерзшее сливное отверстие. Когда металл нагревается, пробка тает, и система снова начинает работать.

На время ремонта или при поломке вентилятора люди на борту используют аварийные сборники CCU. Это многослойные пластиковые пакеты, каждый вмещает около литра жидкости. В случае необходимости их можно напрямую подключить к переходнику порта сброса, чтобы принудительно вытолкнуть содержимое за борт и избежать дискомфорта внутри кабины. Однако чаще их используют как временное хранилище, пока система UWMS снова не придет в норму.

Такие проблемы были и в прошлом

Проблемы с выбросом жидкости в космос возникали и раньше. В сентябре 1984 года во время первого полета шаттла «Дискавери» система сброса сточных вод дала сбой. Моча не распылялась в вакууме, а замерзала прямо на сопле. На корпусе корабля выросла ледяная сосулька длиной почти 60 сантиметров.

Это создавало угрозу для теплозащитных плиток: при входе в атмосферу лед мог оторваться и повредить обшивку. Командир Генри Хартсфилд решил проблему с помощью манипулятора Canadarm. Он управлял роборукой из кабины и ювелирным движением буквально сбрил сосульку, аккуратно надавив на ее основание захватом манипулятора. Глыба отвалилась от борта, не повредив обшивку. За эту операцию экипаж прозвали «Охотниками за льдом» (Icebusters), по аналогии с популярным тогда фильмом «Охотники за привидениями».

Подробнее о траектории «Ориона» и быте экипажа рассказали в этом материале.