航天员在失重状态下体重测量系统文献综述.docx

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。
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)。
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 2π2 (2-1)
来测出(7)。
,美国“天空实验室”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 2π)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(),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50~100 Kg,精度可达± (1)。
人体质量测量装置
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。
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。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。,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-m