太空中，擰顆螺絲釘要費多大勁？

金鳳

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

失重環境中，撿根針都不那么簡單

天宮二號空間實驗室成功發射之后，“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、用扳手擰個螺絲釘，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”的負責人、東南大學儀器科學與工程學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，但因為缺乏反作用力，航天員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，這會直接影響運動能力。宋愛國說，科研團隊研發的這款測量系統，主要用于航天員在軌各種操作力的測量，以及人機工效學和生物力學實驗，為航天員今后長期空間在軌生存和空間站的科學合理設計提供基礎實驗數據和參數。

據宋愛國介紹，這套測量系統被集成在一個手提式儀器箱里，比地面模擬實驗的測量設備要縮小許多，包括多種力傳感器、數據采集處理系統，以及各種測量附件。開展實驗時，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域，再將附件與傳感器機械連接，就可以測量。

“例如艙門，如果和地面上的艙門設計得同樣緊密，那到了太空，就有可能拉不開，就會影響一些空間作業任務的執行。又例如設計一個閥門把手時，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提供的依據。”宋愛國說。

實驗從水下17米做到萬米高空

為了研發這套小型化、高精度、高可靠的測量設備，東大科研人員歷經七年的攻關。實驗從水下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境中的航天員人機工效學和生物力學的測量設備研究，后來又將實驗環境搬到了17米深的水池里，去模擬失重效應下的操作力測量。

“當時先制作了一個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。用這套系統測量航天員在模擬失重效應的水下作業過程的腳蹬力、開門力、插拔力、推拉力、旋轉力等數據。”不過，因為是水下作業，所以所有的測量部件都要做成防水裝置，數據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。水池實驗一做就是一個多月。

水下實驗環境距離真實的空間環境還有一段距離。要創造逼真的空間失重環境，還得在失重飛機上進行試驗。科研人員請航天員攜帶測量設備搭乘飛機進行試驗，飛機從1萬多米高空以某種曲線方式快速下降時會產生幾十秒失重狀態，這幾十秒的失重狀態最接近空間站的微重力環境。”

宋愛國說，用于失重飛機試驗的測量設備要比水下測量設備小很多，而這次為天宮二號研制的測量設備體積更小、可靠性更高，而且抗震和抗過載的能力更強，要能抗拒“天宮二號”升空時火箭推力帶來的強烈震動。 選自2017年9月18日《現代快報》