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1、文献综述题目：航天员在失重状态下体重测量系统班级：12测控3班小组成员：汪其香 20122938 罗雨海 20122910 樊文清 20122915 李卓桓 20122916 郭琛琛 20122917 林志浩 20122919张全瑞 20122925欧阳玉平 20122936阳欣怡 20122937一、前言上世纪60年代在苏联成功实现载人环游后，载人航天事业就在各国迅速发展起来。随着飞船航行时间的增加和国际空间站的建立，航天员在太空的时间将会越来越长。而长期的载人飞行需要对航天员的生理状况进行有效监测，身体质量测量就显得尤为重要，必要性也日益突出。然而在太空失重环境下，重力作用几乎为零，身体质
2、量测量并不如地面测量那么轻松，利用静力学方法无法测得质量值。同时，对于测量仪器也提出了更高的要求，飞船空间有限，测量仪器在质量、尺寸、功耗上均受到严格限制。在这种情况下，要解决失重环境下的测量问题，就有必要使用新的测量方法，并努力提高测量精度。二、主题目前，在太空质量测量方面，西方国家早已开始了这方面的研究，如美国国家航天局、俄联邦航天局、日本宇航开发局等，他们基于太空的微重力环境，主要提出和研究三种方法来解决测量问题，取得了较多的研究成果，并在太空中进行了在轨验证，取得了比较大的成功。中国作为航空俱乐部的一员，将来也会在太空长期停留，研发有效的在轨质量测量方法十分必要。目前，中国在这一方面的
3、研究刚刚起步，也取得了一定的成果，实现了航天员质量的测量，但这还远远不够，仍有不断发展和提高的空间。2.1 国外研究现状自从航天员成功实现载人航天以来，国际上对于航天员质量测量的研究就从未间断。目前主要研究和使用的方法可以分为三类：一是利用振动原理，二是利用牛顿第二定律，三是利用动量守恒定理(1)。2.1.1 振动原理振动原理最早被人们所研究，也得到了最多的实际应用。由这种原理所设计出的仪器可以看成是一种无阻尼的弹簧振子系统，通过测量振荡的频率或周期，被测物的质量就可以通过与一个已知频率的参考质量进行对比的方法或者通过公式：m=kT 22(2-1)来测出(7)。如图2.1所示，美国“天空实验室
4、”上搭载的人体质量测量装置（BMMD）是最早的一款测量宇航员体重的仪器(1)(2)。该装置测量时，将人体固定在专用座椅上，座椅质量为m，通过施加激振力，使人和座椅一起做机械振荡，通过测量振荡周期T可以算出宇航员的质量为：M=k(T 2)2-m(2-2)同时，俄罗斯也基于振动原理研发出了一个可以同时适用于人体质量测量以及小质量测量的装置（见图2.2），该装置可以装到地板模块上，也可弯曲来节省空间。它将被测物与顶端振荡部件固结，通过装配不同的附件，可以测量人体，也可以测量较小的实验品，总的测量时间比较短。测量人体时，该设备的量程为50100 Kg，精度可达0.25Kg (1)。图2.1 人体质量测
5、量装置图2.2 人体质量及小质量测量装置所以，利用振动原理测量的好处在于它提供了一个短的测量时间。但是这种方法还存在以下问题：（1）当加速度既不匀速也不恒定时，被测物体的密度和速度也要考虑进去。因此，它对一些非刚性体如人体、液体、粉末、弹性体的测量就显得比较困难。（2）实际测量过程中的振动系统并不能完美地满足实验需要，系统一定会存在非线性和阻尼等情况。实验时要根据具体结构加以改进，减少阻尼等的影响，并通过大量实验数据进行拟合验证。（3）对于活体待测质量，在振动过程中可能带来不适的感觉。2.1.2 牛顿第二定律根据牛顿第二定律我们知道，物体的加速度a等于物体所受的外力F与质量m的比值，即F=ma
6、。若要测量质量，则只需要产生加速度，测出加速度和力即可得到被测物的质量值。通常，在太空测量中，运用线性加速度法测质量较为常见。2006年，日本科学家Yusaku Fujii和Kazuhito Shimada基于线性加速度理论提出漂浮质量法（LMM），并设计了一种名叫“空间平衡（Space Balance）”的仪器。它的测量原理如下图2.3，宇航员质量为mo，背靠一侧飞船舱壁，用手棒将自己固定在舱壁上。仪器的主要重量为mM，它通过皮带将宇航员水平托起，并通过弹性绝缘绳将宇航员与另一侧固定在舱壁上的目标件连接。测试时，宇航员离开手棒，在弹性绳上力的作用下沿着目标件运动，作用在仪器上的力通过力传感器
7、测得，仪器上产生的加速度通过光学干涉仪测出。为了使弹性绝缘绳平衡，使传感器和干涉仪以铰链连接的形式加载到皮带扣环上。在宇航员运动时，传感器上测得的力F等于宇航员质量mo和仪器质量mM之和与加速度a的乘积，宇航员质量通过公式：mo=Fa-mM(2-3)得到。在地面进行试验时，单次质量测量的相对误差为0.72%(4)，在太空下，由于有一个更稳定的环境，测量结果将会更加精确。图2.3 空间平衡（Space Balance）仪器但是这套设备也有它的局限性。在测量时，宇航员姿态发生变化，会导致重力中心的变化，这就需要外加一根高扭力的刚性绳来减少对重力中心的影响(4)。同时，在这种测量中，宇航员被假定成刚
8、体，这就要求宇航员在测量过程中行进的位移要足够长，但通过弹性绳连接所产生的长位移将会导致宇航员身体密度分布的改变，会对测量造成一定影响，但是这种影响相对于振动法而言，比较小。最后，力传感器的使用也会引来误差，对测量产生影响。2007年，另一种依靠线性加速度原理测量人体质量的设备由美国研制，如图2.4。它是通过皮带轮改变弹簧作用于转轴的力臂，使整个轮系在旋转时始终产生恒定的力矩， 由于输出力的线缆绕在圆盘上，对转轴力臂不变，则线缆将输出一个恒定拉力F。宇航员被固定在支架上，这个恒力驱动宇航员前进，利用与轴系固结的光码盘测出运动的加速度a，则可通过微控制器计算出航天员质量为： m=Fa-me(2-
9、4)其中me为外围运动部件的等效质量(7)。该设备的量程为40110Kg，但精度不高，究其原因是由于宇航员不能看成刚体，质量中心无法直接测出。在运动过程中，导致加速度无法成完全的匀加速，造成测量偏差。 图2.4 弹簧凸轮机构原理图基于牛顿第二定律的方法使被测物体做直线运动，相比于振动方法，物体的非刚性的影响较小，容易得到更高的精度。而且它还有一个恒定的加速场。但是其不足在于：（1）为了尽可能地实现恒定的加速度，仪器对运动精密控制提出了较高的要求，也就需要较大的仪器尺寸和较长的测试时间。（2）确定非刚性体重力中心的位置也是很困难的问题，因为物体的非刚性，不均匀的加速度和物体形状密度的不均匀性将会
10、导致物体出现质量测量的偏差，这对仪器精度有一定的影响。（3）需要在运动状态下精确测量力的大小。物体运动时很难保持与传感器稳定的接触，使用常规方法测力具有一定难度。牛顿第二定律法具有较好的前景，是目前主要的研究方向，基于线性加速度的方法也已经在国际空间站上经过在轨验证。2.1.3 动量守恒定理这种测量是通过物体动量前后守恒来实现的，即没有外力作用的情况下，动量为零的系统的动量始终为零。2008年，日本科学家Yusaku Fujii做出了基于这种理论的测量仪器，称之“空间尺度（Space Scale）”(5)(6)，方法如图2.5。宇航员的质量为mo，加上一个质量为mH的固定物，通过一个普通的线性
11、导轨与参考质量块mR相连。质量mH的速度vH和参考质量mR的速度vR，干涉仪1测量vR，干涉仪2测量vH-vR。测试前，将装置置于一个密闭舱室中，整个角动量和线动量保持初始值，无外加力作用。弹簧装置开始运动后，宇航员将会与参考质量分离，如果宇航员为刚体，固定物则与宇航员可以看成一体，通过动量守恒公式：mH+movH+mRvR=0(2-5)就可得宇航员质量为：-vRvHmR-mH。图2.5空间尺度测量仪器在整个装置中，为了提高测量准确性，还做了一些改进和增强：（1）为减少不准确，宇航员质量的中心（COM）与参考质量的中心应位于导轨坐标系的同一直线上。所以，固定物最好放在宇航员手腕处，并贴近身体中
12、心。（2）相关位移指的是在测量点（角锥棱镜光学中心）到宇航员的质量中心处。如果使用更长的线性导轨长度，则可以减少相关位移在测量结果中的影响，提高质量测量结果精度。对于动量方法，目前没有经过在轨验证，太空测量还不得而知。且这种方法的困难在于(8)：（1）一般需要碰撞，对被测物可能有损害，而且非刚体可能使物体发生不规则运动，影响测量速度，对测力也不利。（2）弹簧释放需要对运动和摩擦进行更严格的控制，实现起来有较大难度。2.1.4 综合比较根据这三种方法在国外的应用程度可以看出，振动方法对于非刚体则要固定装置，复杂且效果不好。对于较大质量需要较大的固定装置，且功耗很大。牛顿第二定律法一般只需要测量一
13、个物理量力或加速度，对非刚体的适应性比振动方法好，但是对于运动需要进行较为精密的控制，对机械部分要求较高。动量方法对控制和测量的要求更高，也没有很好解决非刚体问题。总体来说，这三种方法都存在在非刚性情况下测量误差的问题，但牛顿第二定律相对来说，具有良好的发展前景(13)。2.2 国内研究现状目前，我国对微重力环境质量测量的研究刚刚起步。清华大学等学校根据我国长期飞行任务对质量测量的需要，结合我国的航天技术现状，并结合了国际上比较成熟的利用线性加速度测质量的方法，对微重力环境中人体质量测量进行了研究，研制了人体质量测量仪，初步摸索了微重力环境下质量测量的方法及关键技术。我国的人体质量测量仪采用线
14、性加速度原理，使用恒力矩机构输出恒定拉力牵引航天员进行匀加速直线运动，通过测量加速度来计算航天员质量。在这个过程中，宇航员的非刚性问题依然是要解决的首要问题。清华大学研究人员发现，人类的非刚性部位主要是在头部、腹部、四肢等地，通过宇航员更好的固定方法可以有效减少非刚体带来的影响，具体是让腹部和臀部弯曲，四肢保持一定的距离，双手托住头，固定身体不动。通过测量，发现质测仪恒力性能良好，在微重力模拟环境下基本使被测人体做匀加速直线运动。使用标准砝码对质测仪进行标定和测试，证明质测仪的测量精度和重复性都较好，可以初步实现微重力环境下人体质量的测量。另外，在2011年，东南大学的宋爱国、谷士鹏团队也提出
15、了一种基于空间机器人的宇航员质量检测装置(9)(9)，如图2.6。它是通过空间机器人完成质量测量的，在机器人手臂的前端安装有腕力传感器， 腕力传感器前端有机械手。通过机器人手臂控制机械手在一条直线上做加速度为正弦曲线的运动。测量宇航员质量时，测控系统控制机械手抓住宇航员。在设定机械手做加速度为正弦曲线运动的同时，测控系统得到并输出腕力传感器上的力信息电压信号，在测控系统中进行信号处理，得到并输出对应于腕力传感器上的力变化曲线。根据牛顿第二定律，选取机械手的加速度曲线的峰值，并取出对应的腕力传感器的力的峰值，计算出总质量m，进而计算出宇航员的质量：m2=m-m1(2-6)其中m1为机械手的质量，m2为宇航员质量。通过空间站中的空间机器人手臂，能够实现在微重力环境下宇航员质量的测量，无需繁杂的航天员质量测试仪，能够有效减少航天员发射时的发射载荷。但缺点是机器人质量过大，在太空中实现起来有一定的难度。图2.6 基于空间机器人的宇航员质量检测装置三、总结微重力环境中的质量测量对长期载人航天任务具有重要意义，目前除了美俄等传统大国外，日韩等国也在这一领域不断研究。我国在这一领域的研究才刚刚起步，目前可见的测量仪器
