神舟十八号乘组已入住“太空之家”一月有余，航天员在此期间顺利完成了身体质量的测量。为什么要进行身体质量的测量？如何在微重力环境下开展测量？用以测量的仪器进行了哪些改进与升级？让我们一探究竟。

 

 

身体质量，是人体最基本的生理指标之一，稳定的身体质量是身体健康的基本标志，身体质量的变化反映了人体新陈代谢的运行状况。在太空中，身体质量的测量对于监测航天员的健康和生理变化非常关键，特别是在长期驻留任务中，定期监测身体质量不仅可以帮助调整航天员饮食结构、锻炼计划及工作负荷，还可以进行空间疾病的预测及安全防护的设计。

 

 

神舟十八号乘组航天员李聪在轨测量身体质量

 

在轨人体质量测量在生命科学研究中也起到重要作用。准确的身体质量测量指标，可用于研究人体在微重力条件下体液流失、肌肉萎缩等现象，可以研究长期微重力条件下的人体新陈代谢效率及在轨的生理反应等。

 

 

 

在地面进行人体质量测量的方法有很多，但一般不适合太空应用。在轨进行质量测量需要克服微重力环境、人体柔性以及测量时人体质心难以确定等困难，因此需要借助特制的“太空体重秤”——质量测量仪。

 

 

从外形来看，质量测量仪与大家平时使用的体重秤可以说是“毫不相关”，它主要由主机（恒力机构、测量系统）、四连杆、人体支架、释放机构和力传感器电缆等组成，属于航天员健康保障装备。

 

 

第二代质量测量仪结构示意图

 

微重力环境下质量测量的基本方法是：施加已知外力使被测物体运动，然后通过测量与被测物体质量相关的惯性特性，如振动频率、动量、加速度等，最终计算出被测物体质量。目前主要研究的在轨人体质量测量原理分为：自然频率原理、离心力原理、直线加速度原理和动量守恒原理4类。

 

 

质量测量仪应用直线加速度原理，通过牛顿第二定律：F（力）=m（质量）×a（加速度）计算航天员质量。

在使用质量测量仪时，航天员首先按要求固定在人体支架上，然后推至指定位置，在支架复位的过程中，恒力机构（由凸轮、弹簧、定滑轮和钢丝绳等零件组成的机构）提供的恒力（F）作用于航天员身体，使航天员做匀加速直线运动。通过光栅测距装置测量航天员在恒力作用下的位移速度（v）和时间（t），以此计算加速度（a=v／t），在已知恒力的情况下计算出人体的质量（m=F／a）。

 

 

 

 

2011年9月，第一代质量测量仪搭载天宫一号目标飞行器入轨。神舟九号乘组三名航天员使用这套仪器顺利完成了人体、食品包、冷凝水箱等测试工作，在神舟十号任务期间开展的首次太空授课中，“太空教师”王亚平对其工作原理和工作流程进行了讲解、展示。

 

 

神舟十号任务首次太空授课中展示第一代质量测量仪

 

 

航天员聂海胜在轨演示使用第一代质量测量仪

 

 

航天员聂海胜在轨演示使用第一代质量测量仪

 

 

进入空间站阶段，质量测量仪也进行了“升级换代”。

第二代质量测量仪从测量精度、测量稳定性、测量及标定算法、软件改进、结构优化、工效学设计等方面入手，使质测仪精度显著提高，测量结果的一致性也较上一代质测仪有明显提升，2021年4月，第二代质量测量仪随天和核心舱上行，顺利完成神十二至神十六乘组在轨质量测量任务。

 

 

神舟十三号乘组在轨安装第二代质量测量仪

 

 

神舟十三号乘组在轨安装第二代质量测量仪

 

航天员翟志刚在轨使用第二代质量测量仪

 

面向运营期医监需求和航天员使用反馈，为进一步提升质量测量仪的测量稳定性、操作效率和舒适性，科研团队对质量测量仪再次进行优化，重点优化了四连杆和人体支架的结构、提升结构强度和刚度、加装了防滑套，改良了人体的定姿装置。2024年1月，改进的四连杆和人体支架随天舟七号货运飞船上行至空间站，目前，神十七与神十八乘组完成了在轨标定和人体质量测量，反馈结果良好，测试的精度和稳定性不仅显著提升，也使航天员在进行质量测量时操作更加高效，坐姿更加舒适。

 

 

神舟十八号乘组航天员李广苏在轨测量身体质量

 

 

为此你的身体各部位需要完成以下操作——

 

腿部：弯绕过支架中间的横杆；

脚趾：勾住支架最下杆；

手臂：弯绕过支架上横杆；

手部：握住手支撑杆，根据身高情况，可以调节手支撑杆；

下巴：放置于两手之间；

胸腹部：抵住腹撑，腹撑在肚挤眼上方一拳左右位置，尽量蜷缩；

臀部：坐在支架座椅上，腹撑和支架座椅均可以调节位置，并系好支架座椅套的束缚带。

 

 

神舟十八号乘组航天员叶光富在轨测量身体质量

 

请你的队友将你推至指定位置，并等待支架复位。

 

 

 

神舟十八号乘组航天员叶光富在轨测量身体质量

 

通过牛顿第二定律公式就可以得出你在太空中的质量了。是不是非常容易？你学会了吗？

 

在飞行任务中，航天员的身体质量测量对于监测其健康状况至关重要。通过使用质量测量仪，能够准确跟踪航天员在轨期间的质量变化，为航天医学研究提供重要数据，有助于科学家分析微重力环境对人体的影响，并为航天员的健康维护与保障提供科学依据。随着技术的进步，质量测量设备将持续得到改进，确保其在太空环境中的精确度和稳定性，为航天员的在轨工作和生活顺利提供支持。

 

文稿素材/中国航天员科研训练中心 张喆