航天員在失重狀態(tài)下體重測(cè)量系統(tǒng)文獻(xiàn)綜述

1、文獻(xiàn)綜述題目：航天員在失重狀態(tài)下體重測(cè)量系統(tǒng)班級(jí)：12測(cè)控3班小組成員：汪其香 20122938 羅雨海 20122910 樊文清 20122915 李卓桓 20122916 郭琛琛 20122917 林志浩 20122919張全瑞 20122925歐陽(yáng)玉平 20122936陽(yáng)欣怡 20122937一、前言上世紀(jì)60年代在蘇聯(lián)成功實(shí)現(xiàn)載人環(huán)游后，載人航天事業(yè)就在各國(guó)迅速發(fā)展起來(lái)。隨著飛船航行時(shí)間的增加和國(guó)際空間站的建立，航天員在太空的時(shí)間將會(huì)越來(lái)越長(zhǎng)。而長(zhǎng)期的載人飛行需要對(duì)航天員的生理狀況進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，身體質(zhì)量測(cè)量就顯得尤為重要，必要性也日益突出。然而在太空失重環(huán)境下，重力作用幾乎為零，身體質(zhì)

2、量測(cè)量并不如地面測(cè)量那么輕松，利用靜力學(xué)方法無(wú)法測(cè)得質(zhì)量值。同時(shí)，對(duì)于測(cè)量?jī)x器也提出了更高的要求，飛船空間有限，測(cè)量?jī)x器在質(zhì)量、尺寸、功耗上均受到嚴(yán)格限制。在這種情況下，要解決失重環(huán)境下的測(cè)量問(wèn)題，就有必要使用新的測(cè)量方法，并努力提高測(cè)量精度。二、主題目前，在太空質(zhì)量測(cè)量方面，西方國(guó)家早已開(kāi)始了這方面的研究，如美國(guó)國(guó)家航天局、俄聯(lián)邦航天局、日本宇航開(kāi)發(fā)局等，他們基于太空的微重力環(huán)境，主要提出和研究三種方法來(lái)解決測(cè)量問(wèn)題，取得了較多的研究成果，并在太空中進(jìn)行了在軌驗(yàn)證，取得了比較大的成功。中國(guó)作為航空俱樂(lè)部的一員，將來(lái)也會(huì)在太空長(zhǎng)期停留，研發(fā)有效的在軌質(zhì)量測(cè)量方法十分必要。目前，中國(guó)在這一方面的

3、研究剛剛起步，也取得了一定的成果，實(shí)現(xiàn)了航天員質(zhì)量的測(cè)量，但這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，仍有不斷發(fā)展和提高的空間。2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀自從航天員成功實(shí)現(xiàn)載人航天以來(lái)，國(guó)際上對(duì)于航天員質(zhì)量測(cè)量的研究就從未間斷。目前主要研究和使用的方法可以分為三類(lèi)：一是利用振動(dòng)原理，二是利用牛頓第二定律，三是利用動(dòng)量守恒定理(1)。2.1.1 振動(dòng)原理振動(dòng)原理最早被人們所研究，也得到了最多的實(shí)際應(yīng)用。由這種原理所設(shè)計(jì)出的儀器可以看成是一種無(wú)阻尼的彈簧振子系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)量振蕩的頻率或周期，被測(cè)物的質(zhì)量就可以通過(guò)與一個(gè)已知頻率的參考質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比的方法或者通過(guò)公式：m=kT 22(2-1)來(lái)測(cè)出(7)。如圖2.1所示，美國(guó)“天空實(shí)驗(yàn)室

4、”上搭載的人體質(zhì)量測(cè)量裝置（BMMD）是最早的一款測(cè)量宇航員體重的儀器(1)(2)。該裝置測(cè)量時(shí)，將人體固定在專(zhuān)用座椅上，座椅質(zhì)量為m，通過(guò)施加激振力，使人和座椅一起做機(jī)械振蕩，通過(guò)測(cè)量振蕩周期T可以算出宇航員的質(zhì)量為：M=k(T 2)2-m(2-2)同時(shí)，俄羅斯也基于振動(dòng)原理研發(fā)出了一個(gè)可以同時(shí)適用于人體質(zhì)量測(cè)量以及小質(zhì)量測(cè)量的裝置（見(jiàn)圖2.2），該裝置可以裝到地板模塊上，也可彎曲來(lái)節(jié)省空間。它將被測(cè)物與頂端振蕩部件固結(jié)，通過(guò)裝配不同的附件，可以測(cè)量人體，也可以測(cè)量較小的實(shí)驗(yàn)品，總的測(cè)量時(shí)間比較短。測(cè)量人體時(shí)，該設(shè)備的量程為50100 Kg，精度可達(dá)±0.25Kg (1)。圖2.1

5、 人體質(zhì)量測(cè)量裝置圖2.2 人體質(zhì)量及小質(zhì)量測(cè)量裝置所以，利用振動(dòng)原理測(cè)量的好處在于它提供了一個(gè)短的測(cè)量時(shí)間。但是這種方法還存在以下問(wèn)題：（1）當(dāng)加速度既不勻速也不恒定時(shí)，被測(cè)物體的密度和速度也要考慮進(jìn)去。因此，它對(duì)一些非剛性體如人體、液體、粉末、彈性體的測(cè)量就顯得比較困難。（2）實(shí)際測(cè)量過(guò)程中的振動(dòng)系統(tǒng)并不能完美地滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)需要，系統(tǒng)一定會(huì)存在非線(xiàn)性和阻尼等情況。實(shí)驗(yàn)時(shí)要根據(jù)具體結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，減少阻尼等的影響，并通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合驗(yàn)證。（3）對(duì)于活體待測(cè)質(zhì)量，在振動(dòng)過(guò)程中可能帶來(lái)不適的感覺(jué)。2.1.2 牛頓第二定律根據(jù)牛頓第二定律我們知道，物體的加速度a等于物體所受的外力F與質(zhì)量m的比值

6、，即F=ma。若要測(cè)量質(zhì)量，則只需要產(chǎn)生加速度，測(cè)出加速度和力即可得到被測(cè)物的質(zhì)量值。通常，在太空測(cè)量中，運(yùn)用線(xiàn)性加速度法測(cè)質(zhì)量較為常見(jiàn)。2006年，日本科學(xué)家Yusaku Fujii和Kazuhito Shimada基于線(xiàn)性加速度理論提出漂浮質(zhì)量法（LMM），并設(shè)計(jì)了一種名叫“空間平衡（Space Balance）”的儀器。它的測(cè)量原理如下圖2.3，宇航員質(zhì)量為mo，背靠一側(cè)飛船艙壁，用手棒將自己固定在艙壁上。儀器的主要重量為mM，它通過(guò)皮帶將宇航員水平托起，并通過(guò)彈性絕緣繩將宇航員與另一側(cè)固定在艙壁上的目標(biāo)件連接。測(cè)試時(shí)，宇航員離開(kāi)手棒，在彈性繩上力的作用下沿著目標(biāo)件運(yùn)動(dòng)，作用在儀器上的力

7、通過(guò)力傳感器測(cè)得，儀器上產(chǎn)生的加速度通過(guò)光學(xué)干涉儀測(cè)出。為了使彈性絕緣繩平衡，使傳感器和干涉儀以鉸鏈連接的形式加載到皮帶扣環(huán)上。在宇航員運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器上測(cè)得的力F等于宇航員質(zhì)量mo和儀器質(zhì)量mM之和與加速度a的乘積，宇航員質(zhì)量通過(guò)公式：mo=Fa-mM(2-3)得到。在地面進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，單次質(zhì)量測(cè)量的相對(duì)誤差為0.72%(4)，在太空下，由于有一個(gè)更穩(wěn)定的環(huán)境，測(cè)量結(jié)果將會(huì)更加精確。圖2.3 空間平衡（Space Balance）儀器但是這套設(shè)備也有它的局限性。在測(cè)量時(shí)，宇航員姿態(tài)發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致重力中心的變化，這就需要外加一根高扭力的剛性繩來(lái)減少對(duì)重力中心的影響(4)。同時(shí)，在這種測(cè)量中，宇航

8、員被假定成剛體，這就要求宇航員在測(cè)量過(guò)程中行進(jìn)的位移要足夠長(zhǎng)，但通過(guò)彈性繩連接所產(chǎn)生的長(zhǎng)位移將會(huì)導(dǎo)致宇航員身體密度分布的改變，會(huì)對(duì)測(cè)量造成一定影響，但是這種影響相對(duì)于振動(dòng)法而言，比較小。最后，力傳感器的使用也會(huì)引來(lái)誤差，對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響。2007年，另一種依靠線(xiàn)性加速度原理測(cè)量人體質(zhì)量的設(shè)備由美國(guó)研制，如圖2.4。它是通過(guò)皮帶輪改變彈簧作用于轉(zhuǎn)軸的力臂，使整個(gè)輪系在旋轉(zhuǎn)時(shí)始終產(chǎn)生恒定的力矩， 由于輸出力的線(xiàn)纜繞在圓盤(pán)上，對(duì)轉(zhuǎn)軸力臂不變，則線(xiàn)纜將輸出一個(gè)恒定拉力F。宇航員被固定在支架上，這個(gè)恒力驅(qū)動(dòng)宇航員前進(jìn)，利用與軸系固結(jié)的光碼盤(pán)測(cè)出運(yùn)動(dòng)的加速度a，則可通過(guò)微控制器計(jì)算出航天員質(zhì)量為： m=Fa

9、-me(2-4)其中me為外圍運(yùn)動(dòng)部件的等效質(zhì)量(7)。該設(shè)備的量程為40110Kg，但精度不高，究其原因是由于宇航員不能看成剛體，質(zhì)量中心無(wú)法直接測(cè)出。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，導(dǎo)致加速度無(wú)法成完全的勻加速，造成測(cè)量偏差。 圖2.4 彈簧凸輪機(jī)構(gòu)原理圖基于牛頓第二定律的方法使被測(cè)物體做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，相比于振動(dòng)方法，物體的非剛性的影響較小，容易得到更高的精度。而且它還有一個(gè)恒定的加速場(chǎng)。但是其不足在于：（1）為了盡可能地實(shí)現(xiàn)恒定的加速度，儀器對(duì)運(yùn)動(dòng)精密控制提出了較高的要求，也就需要較大的儀器尺寸和較長(zhǎng)的測(cè)試時(shí)間。（2）確定非剛性體重力中心的位置也是很困難的問(wèn)題，因?yàn)槲矬w的非剛性，不均勻的加速度和物體形狀密度的

10、不均勻性將會(huì)導(dǎo)致物體出現(xiàn)質(zhì)量測(cè)量的偏差，這對(duì)儀器精度有一定的影響。（3）需要在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下精確測(cè)量力的大小。物體運(yùn)動(dòng)時(shí)很難保持與傳感器穩(wěn)定的接觸，使用常規(guī)方法測(cè)力具有一定難度。牛頓第二定律法具有較好的前景，是目前主要的研究方向，基于線(xiàn)性加速度的方法也已經(jīng)在國(guó)際空間站上經(jīng)過(guò)在軌驗(yàn)證。2.1.3 動(dòng)量守恒定理這種測(cè)量是通過(guò)物體動(dòng)量前后守恒來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即沒(méi)有外力作用的情況下，動(dòng)量為零的系統(tǒng)的動(dòng)量始終為零。2008年，日本科學(xué)家Yusaku Fujii做出了基于這種理論的測(cè)量?jī)x器，稱(chēng)之“空間尺度（Space Scale）”(5)(6)，方法如圖2.5。宇航員的質(zhì)量為mo，加上一個(gè)質(zhì)量為mH的固定物，通過(guò)一

11、個(gè)普通的線(xiàn)性導(dǎo)軌與參考質(zhì)量塊mR相連。質(zhì)量mH的速度vH和參考質(zhì)量mR的速度vR，干涉儀1測(cè)量vR，干涉儀2測(cè)量vH-vR。測(cè)試前，將裝置置于一個(gè)密閉艙室中，整個(gè)角動(dòng)量和線(xiàn)動(dòng)量保持初始值，無(wú)外加力作用。彈簧裝置開(kāi)始運(yùn)動(dòng)后，宇航員將會(huì)與參考質(zhì)量分離，如果宇航員為剛體，固定物則與宇航員可以看成一體，通過(guò)動(dòng)量守恒公式：mH+movH+mRvR=0(2-5)就可得宇航員質(zhì)量為：-vRvHmR-mH。圖2.5空間尺度測(cè)量?jī)x器在整個(gè)裝置中，為了提高測(cè)量準(zhǔn)確性，還做了一些改進(jìn)和增強(qiáng)：（1）為減少不準(zhǔn)確，宇航員質(zhì)量的中心（COM）與參考質(zhì)量的中心應(yīng)位于導(dǎo)軌坐標(biāo)系的同一直線(xiàn)上。所以，固定物最好放在宇航員手腕處，

12、并貼近身體中心。（2）相關(guān)位移指的是在測(cè)量點(diǎn)（角錐棱鏡光學(xué)中心）到宇航員的質(zhì)量中心處。如果使用更長(zhǎng)的線(xiàn)性導(dǎo)軌長(zhǎng)度，則可以減少相關(guān)位移在測(cè)量結(jié)果中的影響，提高質(zhì)量測(cè)量結(jié)果精度。對(duì)于動(dòng)量方法，目前沒(méi)有經(jīng)過(guò)在軌驗(yàn)證，太空測(cè)量還不得而知。且這種方法的困難在于(8)：（1）一般需要碰撞，對(duì)被測(cè)物可能有損害，而且非剛體可能使物體發(fā)生不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，影響測(cè)量速度，對(duì)測(cè)力也不利。（2）彈簧釋放需要對(duì)運(yùn)動(dòng)和摩擦進(jìn)行更嚴(yán)格的控制，實(shí)現(xiàn)起來(lái)有較大難度。2.1.4 綜合比較根據(jù)這三種方法在國(guó)外的應(yīng)用程度可以看出，振動(dòng)方法對(duì)于非剛體則要固定裝置，復(fù)雜且效果不好。對(duì)于較大質(zhì)量需要較大的固定裝置，且功耗很大。牛頓第二定律法一般

13、只需要測(cè)量一個(gè)物理量力或加速度，對(duì)非剛體的適應(yīng)性比振動(dòng)方法好，但是對(duì)于運(yùn)動(dòng)需要進(jìn)行較為精密的控制，對(duì)機(jī)械部分要求較高。動(dòng)量方法對(duì)控制和測(cè)量的要求更高，也沒(méi)有很好解決非剛體問(wèn)題。總體來(lái)說(shuō)，這三種方法都存在在非剛性情況下測(cè)量誤差的問(wèn)題，但牛頓第二定律相對(duì)來(lái)說(shuō)，具有良好的發(fā)展前景(13)。2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀目前，我國(guó)對(duì)微重力環(huán)境質(zhì)量測(cè)量的研究剛剛起步。清華大學(xué)等學(xué)校根據(jù)我國(guó)長(zhǎng)期飛行任務(wù)對(duì)質(zhì)量測(cè)量的需要，結(jié)合我國(guó)的航天技術(shù)現(xiàn)狀，并結(jié)合了國(guó)際上比較成熟的利用線(xiàn)性加速度測(cè)質(zhì)量的方法，對(duì)微重力環(huán)境中人體質(zhì)量測(cè)量進(jìn)行了研究，研制了人體質(zhì)量測(cè)量?jī)x，初步摸索了微重力環(huán)境下質(zhì)量測(cè)量的方法及關(guān)鍵技術(shù)。我國(guó)的人體質(zhì)量

14、測(cè)量?jī)x采用線(xiàn)性加速度原理，使用恒力矩機(jī)構(gòu)輸出恒定拉力牽引航天員進(jìn)行勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)測(cè)量加速度來(lái)計(jì)算航天員質(zhì)量。在這個(gè)過(guò)程中，宇航員的非剛性問(wèn)題依然是要解決的首要問(wèn)題。清華大學(xué)研究人員發(fā)現(xiàn)，人類(lèi)的非剛性部位主要是在頭部、腹部、四肢等地，通過(guò)宇航員更好的固定方法可以有效減少非剛體帶來(lái)的影響，具體是讓腹部和臀部彎曲，四肢保持一定的距離，雙手托住頭，固定身體不動(dòng)。通過(guò)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)質(zhì)測(cè)儀恒力性能良好，在微重力模擬環(huán)境下基本使被測(cè)人體做勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。使用標(biāo)準(zhǔn)砝碼對(duì)質(zhì)測(cè)儀進(jìn)行標(biāo)定和測(cè)試，證明質(zhì)測(cè)儀的測(cè)量精度和重復(fù)性都較好，可以初步實(shí)現(xiàn)微重力環(huán)境下人體質(zhì)量的測(cè)量。另外，在2011年，東南大學(xué)的宋愛(ài)國(guó)、谷士

15、鵬團(tuán)隊(duì)也提出了一種基于空間機(jī)器人的宇航員質(zhì)量檢測(cè)裝置(9)(9)，如圖2.6。它是通過(guò)空間機(jī)器人完成質(zhì)量測(cè)量的，在機(jī)器人手臂的前端安裝有腕力傳感器， 腕力傳感器前端有機(jī)械手。通過(guò)機(jī)器人手臂控制機(jī)械手在一條直線(xiàn)上做加速度為正弦曲線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)。測(cè)量宇航員質(zhì)量時(shí)，測(cè)控系統(tǒng)控制機(jī)械手抓住宇航員。在設(shè)定機(jī)械手做加速度為正弦曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，測(cè)控系統(tǒng)得到并輸出腕力傳感器上的力信息電壓信號(hào)，在測(cè)控系統(tǒng)中進(jìn)行信號(hào)處理，得到并輸出對(duì)應(yīng)于腕力傳感器上的力變化曲線(xiàn)。根據(jù)牛頓第二定律，選取機(jī)械手的加速度曲線(xiàn)的峰值，并取出對(duì)應(yīng)的腕力傳感器的力的峰值，計(jì)算出總質(zhì)量m，進(jìn)而計(jì)算出宇航員的質(zhì)量：m2=m-m1(2-6)其中m1為機(jī)

16、械手的質(zhì)量，m2為宇航員質(zhì)量。通過(guò)空間站中的空間機(jī)器人手臂，能夠?qū)崿F(xiàn)在微重力環(huán)境下宇航員質(zhì)量的測(cè)量，無(wú)需繁雜的航天員質(zhì)量測(cè)試儀，能夠有效減少航天員發(fā)射時(shí)的發(fā)射載荷。但缺點(diǎn)是機(jī)器人質(zhì)量過(guò)大，在太空中實(shí)現(xiàn)起來(lái)有一定的難度。圖2.6 基于空間機(jī)器人的宇航員質(zhì)量檢測(cè)裝置三、總結(jié)微重力環(huán)境中的質(zhì)量測(cè)量對(duì)長(zhǎng)期載人航天任務(wù)具有重要意義，目前除了美俄等傳統(tǒng)大國(guó)外，日韓等國(guó)也在這一領(lǐng)域不斷研究。我國(guó)在這一領(lǐng)域的研究才剛剛起步，目前可見(jiàn)的測(cè)量?jī)x器也比較少。未來(lái)，設(shè)計(jì)出符合我國(guó)載人航天任務(wù)需要的人體質(zhì)量測(cè)量?jī)x器，是這個(gè)領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)之處。四、參考文獻(xiàn)(1) 嚴(yán)輝，郝紅偉，李路明. 微重力環(huán)境中質(zhì)量測(cè)量方法的研究.

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