航天员在太空中称重 孙昕鹏 3012202019

航天员在太空中称重
摘要：本文阐述了太空称重的背景意义，介绍了国内外在太空称重研究领域里的测量方法和测量仪器并比较其优缺点。

笔者采用动量守恒定律，设计了一种新的测量系统，对其中包含的传感器和主要功能部件进行了详细说明，同时阐述测量原理，推导数学模型，并分析了该测量系统的测量不确定度。

关键词：失重称重牛顿第二定律弹簧振动动量守恒
一、课题背景
2011年，我国科学家研制的首台太空“称重仪”已随天宫一号进入太空。

作为这次“神九”航天员的实验项目之一，它即将被使用。

我国也将成为第三个能在太空“称体重”的国家。

中国航天员已经不止一次飞天了，过去为何从没进行“称体重”的实验，那是因为1到3天的短期飞行对航天员体重是无所谓的，过去都是回到地面后再称。

而“神九”的航天员要飞10多天，属于中期飞行了，而接下来我国载人航天还有30天、60天的飞行任务以及将来太空站长期驻留，这就要对航天员的身体状况进行随时的测量。

工作压力大不大？睡眠好不好？食物营养够不够？锻炼有没有效果？这些人体健康状况都能够表现在体重的变化上。

所以，失重环境下准确测量出宇航员的体重对保证其身体健康至关重要，对我国将来是否可以进行长时间的飞行任务也是一项重大的考验。

二、国内外研究现况以及优缺点比较
1、中国国内研究
1.1测量方法
我国的“太空秤”采用的是基于牛顿第二定律的线性加速法。

就是依靠测量加速度和拉力来计算人体重量。

牛顿第二运动定律的常见表述是：物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，且与物体质量的倒数成正比；加速度的方向跟作用力的方向相同。

该定律是由艾萨克·牛顿在1687年于
《自然哲学的数学原理》一书中提出的。

1.2测量仪器
如下图所示，我国的“称重仪”正是利用了牛顿第二定律F⃗=
ma⃗.在装置中设置了弹簧凸轮机构提供恒定的拉力，将宇航员拉回到初始位置，在装置中设计了光栅测速系统，计算宇航员运动过程中的加速度，最后根据牛顿第二定律就可以算出身体的质量了。

在天宫一号里面，“太空秤”外观看上去像飞船舱壁上的一个箱子，使用时拉开它，航天员坐在杆子上，利用四肢勾住支架，然后机械机构产生外力拉动航天员，而电子仪器测出加速度，最后直接计算体重。

优点：利用原理简单，小巧而实用，所用空间和功耗都不大，是目前最小的太空称重仪。

缺点：宇航员必须趴在杆上面，较为不方便；存在一个运动过程，无法立刻称重。

2、国外研究现况
2.1测量原理
以美国、俄罗斯两国的为例，他们都采用了与振动相关的原
理。

美国的“太空秤”是将航天员固定在专用座椅上，座椅和人一起做机械震荡。

通过测量振动周期计算出航天员的质量；
而俄罗斯的不仅可以测量人体重量还能对小的实验品称重，用的也是振动原理，让航天员与顶端的振荡部件相连接。

不过，使用振荡技术的话，航天员会在测量体重时有不适应的感觉。

作为简谐振动的物体，其周期由下式决定：
T=2π√m
k
，其中k由振动系统决定。

若已知振动系统的k值和振动系统的振动周期，那么就可以计算出其质量。

即：
m=kT2 4π2
近几年，一些其他国家利用了不同的原理去在太空中称重。

法国Alphes-Maritimes的一名计算机科学家连同他来自意大利太空机器人科技研发中心的同事们，通过将Kinect传感器与数据库联动，达到了使用非传统称重方式测量人体体重的目的，而且在覆盖范围达28000人的测试中准确率高达97%。

NASA的科学家们看到了这款装置对于太空人体重测量的意义，但是他表示在太空中人体内的水分会四处游走且不停改变密度，因此要让这款装置投入使用或许还须经过实际校准。

2.2测量仪器
如上图所示，宇航员坐在专用的座椅上面，并用安全绳固定。

测质量时，座椅和人一起做机械震荡，通过测量振动周期就可以计算出宇航员的质量。

优点：原理简单，操作较为方便。

缺点：仪器设备的体积、功耗过大，浪费飞船的空间和能源；宇航员需要不断振动才可以测出质量，该过程使得宇航员并不舒适。

三、自主设计
1.测量方法
在太空中，虽然处于失重的状态，但是物体本身质量的性质是没有发生改变的，要想测出宇航员的质量，那么必须从与质量相关的物理定律出发寻找答案。

经过一番查阅和考虑，我选择使用动量守恒定律来测宇航员的质量。

所谓动量守恒定律，就是说一个系统不受外力或所受外力之和为零，这个系统的总动量保持不变。

具体来说，如下图所示，下一个光滑的导轨上固定有两个小车，假设小车与导轨之间无摩擦或摩擦可以忽略不计，一个小车上面固定一个质量已知的质量块，另一个小车上面固定着待测质量的宇航员，用一个内力将其分开，分别测出两个小车匀速行驶后的速度来，利用动量守恒定律就可以计算出宇航员的质量了。

2.测量系统设计
笔者设计的这套测量系统最关键的测量量是二者分开后各自匀速运动时的速度，根据所学知识选择了多普勒测速仪。

在将两辆小车分开这个问题上，笔者认为最好可以有一个弹簧在最开始置于小车中间，这样宇航员就不需要自己去施加力使二者分开。

在差分多普勒测速仪中利用信号处理装置，实时记录下每一时刻的速度值，这样便于求得物体最后匀速运动时的速度。

具体运行流程图如下所示。

3.主要功能部件介绍
多普勒测速
当单色光束入射到运动体上某点时，光波在该点被运动物体散射。

散射光频率与入射光频率相比产生了偏移，该频率偏移正比于物体的运动速度，称为多普勒频移。

即当物体朝着观察点接近时，波长就变短，频率就变高；而远离观察点时，波长就变长，频率就变低。

为了使仪器结构更为紧凑，该系统采用后向散射型结构型式，即光源与光电探测器放置于运动物体的一侧，如下图所示。

利用分光镜
和反射镜，是两束相同频率的光照射运动物体，在观测方向上接受的散射光频移为：
∆f1=f0v
c
(cosθ3−cosθ1)
∆f2=f0v
c
(cosθ3−cosθ2)
这两个散射光的频差为
f d=∆f2−∆f1=f0v
c
(cosθ1−cosθ2)=2
vsin
φ
2
λ0
式中，φ为光束1、2所形成的夹角。

运动的速度为
v=λ0f d/[2sin φ2 ]
物体的运动速度与所检测到的两束散射光频率差f d成正比。

频差与光电探测器的方向θ3无关。

因此，使用时不受现场条件的限制，可在任意方向上测量，且可使用大口径的接收透镜，使粒子散射的光能量极大地被利用，提高信噪比。

四、数学模型与不确定度分析
1、数学模型
从简化问题出发，将宇航员视为一个质量块固定在小车上。

假设导轨摩擦忽略不计，直线度很高，忽略在太空舱中的空气阻力，则可以构建以下模型：
(m1+M)v1=(m1+m)v2
即：
M=(m1+m)v2
v1
−m1
2、不确定度分析
2.1 A类不确定度
该部分的不确定度是由重复性试验引起的，假设在模拟的失重环境中，对同一人进行了n次质量称重，则这n个数据的标准差即为a
类不确定度u a=√∑(x i−x̅)2
n−1。

2.2 B类不确定度
1）导轨的微量不对等摩擦引起的不确定度u b1
在两个小车同时向不同方向运动时，他们与导轨之间的摩擦是不相等的，那么他们所获得的速度并不是实际的速度。

2）显示速度的仪器的分辨率引起的不确定度
在多普勒测速之后，会在显示器上面显示实时速度，假设最小分度
值为c，那么u b2=
√3
2.3.合成不确定度U c
U c=√u a2+u b12+u b22
参考文献
[1]Thornton W and Ord J 1974 Specimen mass measurement NASA Tech. Report
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[2] Oakey W E and Lorenz R 1977 Survey and experimental testing of
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[4] Fujii Y and Shimada K 2006 Space scale: instrument for astronaut mass
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