太空中，擰顆螺絲釘要費(fèi)多大勁？ 東大“測力神器”搭載天宮二號升空，將測量航天員的各種操作力。

空間作業(yè)離不開操作力的測量，圖為航天員在神州十號天宮艙內(nèi)行走 資料圖片

在太空中，航天員開艙門、插拔插頭、抓操縱桿、用扳手?jǐn)Q個螺絲釘，需要用多少力氣？如何設(shè)計(jì)空間站，才最符合人體工效學(xué)，讓航天員“量力而行”？這些問題很快就會有答案。中秋夜，隨天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室一起升空的，還有東南大學(xué)科研人員研發(fā)的“航天員在軌操作力測量系統(tǒng)”。10月中旬，“神舟十一號”載人飛船升空后，該系統(tǒng)將會測量航天員在軌操作時的各種操作力的信息。

失重環(huán)境中  撿根針都不那么簡單

天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室成功發(fā)射之后，“神舟十一號”將搭載兩名航天員送入天宮。在太空失重的環(huán)境中工作和生活30天，并不是一件輕松的事。

“在日常生活中，我們開門、插拔插頭、抓操縱桿、用扳手?jǐn)Q個螺絲釘，需要用多少力，都很清楚，但在太空失重條件下，這些還存在未知因素。” “航天員在軌操作力測量系統(tǒng)”的負(fù)責(zé)人、東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院院長宋愛國舉了個例子，在地面上，撿一根針輕而易舉，但在失重環(huán)境中，上身蹲下的同時，下身由于動量守恒會反向漂浮起來。要完成一個撿東西的動作，并非輕而易舉。又例如開艙門時，要打開旋鈕，但因?yàn)槿狈Ψ醋饔昧Γ教靻T可能使不出在地面上那么大的力氣。“在地面上可以使出30公斤的推拉力，在太空中可能只能使出十幾公斤的推拉力。”

在空間生活久了之后，骨骼中的鈣會流失，這會直接影響運(yùn)動能力。宋愛國說，科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)的這款測量系統(tǒng)，主要用于航天員在軌各種操作力的測量，以及人機(jī)工效學(xué)和生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)，為航天員今后長期空間在軌生存和空間站的科學(xué)合理設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和參數(shù)。

據(jù)宋愛國介紹，這套測量系統(tǒng)被集成在一個手提式儀器箱里，比地面模擬實(shí)驗(yàn)的測量設(shè)備要縮小許多，包括多種力傳感器、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，以及各種測量附件。開展實(shí)驗(yàn)時，航天員將儀器箱打開，取出其中一種測力傳感器并將其固定在給定的區(qū)域，再將附件與傳感器機(jī)械連接，就可以測量。

“例如艙門，如果和地面上的艙門設(shè)計(jì)得同樣緊密，那到了太空，就有可能拉不開，就會影響一些空間作業(yè)任務(wù)的執(zhí)行。又例如設(shè)計(jì)一個閥門把手時，將閥門把手安裝在哪個位置、什么高度，才最省力，都可以借助測量系統(tǒng)提供的依據(jù)。”宋愛國說。

實(shí)驗(yàn)從水下17米  做到萬米高空

為了研發(fā)這套小型化、高精度、高可靠的測量設(shè)備，東大科研人員歷經(jīng)七年的攻關(guān)。實(shí)驗(yàn)從水下17米做到了萬米高空。宋愛國說，早在2009年，科研人員就啟動了模擬環(huán)境中的航天員人機(jī)工效學(xué)和生物力學(xué)的測量設(shè)備研究，后來又將實(shí)驗(yàn)環(huán)境搬到了17米深的水池里，去模擬失重效應(yīng)下的操作力測量。

“當(dāng)時先制作了一個2米寬和2米高的架子，再將11組多維力傳感器安裝在架子的不同部位，然后用吊車吊到水底。用這套系統(tǒng)測量航天員在模擬失重效應(yīng)的水下作業(yè)過程的腳蹬力、開門力、插拔力、推拉力、旋轉(zhuǎn)力等數(shù)據(jù)。”不過，因?yàn)槭撬伦鳂I(yè)，所以所有的測量部件都要做成防水裝置，數(shù)據(jù)采集處理單元與電纜線是防水的，傳感器采用不銹鋼材料制作，所以體積很大。水池實(shí)驗(yàn)一做就是一個多月。

水下實(shí)驗(yàn)環(huán)境距離真實(shí)的空間環(huán)境還有一段距離。要創(chuàng)造逼真的空間失重環(huán)境，還得在失重飛機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。科研人員請航天員攜帶測量設(shè)備搭乘飛機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，飛機(jī)從1萬多米高空以某種曲線方式快速下降時會產(chǎn)生幾十秒失重狀態(tài)，這幾十秒的失重狀態(tài)最接近空間站的微重力環(huán)境。”

宋愛國說，用于失重飛機(jī)試驗(yàn)的測量設(shè)備要比水下測量設(shè)備小很多，而這次為天宮二號研制的測量設(shè)備體積更小、可靠性更高，而且抗震和抗過載的能力更強(qiáng)，要能抗拒“天宮二號”升空時火箭推力帶來的強(qiáng)烈震動。

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