近日，神舟二十三号航天员乘组对首次亮相空间站的改进型在轨质量检测仪进行了一系列在轨测试，并发布在了天宫Vlog上。在微重力环境下，空间站内的“称重”究竟有何不同？如何给货物、航天员“称重”？今天，就让我们来一探究竟。
失重环境下的“称重”难题
在空间站开展物体质量测量是一项很重要的工作，是保障航天员健康、开展科学实验和执行太空任务的刚性需求。
想知道物体有多重，在地面上非常容易，往电子秤上一站、台秤上一放，或者用弹簧秤一拉，读数立显。然而，这套“常规操作”到了太空，就完全行不通了。
物体的称重涉及两个物理概念，其一是“重量”，是指物体受到重力作用的结果，其二是“质量”，是物体固有的属性。在地面，受地球引力作用，人们对重量的感受很直观，也常常把重量和质量混为一谈，地面称重依靠物体重力对秤面产生压力，经传感器转换为读数。
在太空中，空间站以介于第一宇宙速度与第二宇宙速度之间的线速度绕地飞行，地球引力完全转化为维持轨道运行的向心力，重力近乎消失，人和设备都漂浮在空间站里，不存在稳定向下的压力。所以，依赖重力完成测量工作的弹簧秤、电子天平统统失灵了。
既然不能称重量，那就要转换思路，转向测量物体的质量。目前国内外在轨质量测量主要有两大技术路线：振动原理法和牛顿第二定律法。
振动原理法是利用质量－弹簧系统自由振动周期与总质量之间的关系来计算被测物体的质量。国际上许多通过飞行验证的设备都采用此方式，
牛顿第二定律的测量方法（F=ma）是对被测物体施加外力，使其做直线加速运动，在已知外力和加速度的条件下计算出质量。
从空间站展示画面来看，航天员将捆扎好的货包固定后，通过快速拉拽施加作用力，使货包产生加速度，进而计算质量——这就是按照牛顿第二定律设计的在轨质量测量仪，工作原理与地面完全不同。
这次新上的在轨质量检测仪，主要用于货包称重。货物运输是空间站维持运行的生命，载人和货运飞船在载荷运输方面都有明确标准，上行和下行搭载的货物，对于重量、体积、种类和返回状态都有严格限制，需要经过细致的规划。尤其是返回阶段，飞船分离前的在轨配平装载更是容不得半点马虎——而这一切的前提，就是精准测重。
质量测量仪是怎样炼成的？
工作原理清楚了，但制造出能在空间站使用的质量测量仪还面临很多困难，如微重力环境考验，高精度、低功耗、轻量化等严苛要求，以及制造成品后如何在地球上校准，都非常棘手。
利用牛顿第二定律的质量测量仪理论上可行，但在“寸土寸金”的空间站，如何做到轻量化？质量测量仪的研发团队设计了一种超短行程的质量测量方法，成功解决了微重力环境下狭小空间内的质量测量难题。
在Vlog画面中，我们可以清晰地看到，改进型质量测量仪相当轻便：一个屏幕、几根“称杆”以及上下“台面”便构成了主体。固定在舱壁上的支杆采用套管式伸缩结构，在大幅压缩尺寸的情况下，能够稳定施加一个恒定的力，推动货包进行匀加速直线运动，再通过精密测距装置，测量货包在恒力作用下的位移速度和时间，从而计算出加速度。因为移动距离很短，对发力的稳定性、时间监测等精度要求就更高。
神舟二十三号乘组对首次亮相空间站的改进型在轨质量测量仪进行测试。
由于地球上的重力无处不在，想在地球上校准微重力环境下工作的仪器也是一道难题。落塔工作时间太短，探空火箭、失重飞机成本太高，气/磁悬浮方式又不够稳定。为此，研发团队提出了“基于水平二维平面的微重力环境模拟方法”，成功解决了在轨质量测量仪的地面校准难题。
在性能验证测试中，为最大限度减少地面重力场的干扰，测试时拉拽货包的姿势需保持高度一致，每次测试要持续2～3天。正是这种严谨的态度，确保了测量仪交付质量过硬。
如何给航天员称重？
为维护空间站的稳定运行，需要“称重”的对象远不止货物。
给航天员“称重”，就是一项关乎健康的重要工作。身体质量是人体最基本的生理指标之一，稳定的质量是航天员维持身体健康的基本标志。
在长期的太空驻留任务中，航天员体重的微妙变化往往是健康产生异常的早期信号。同时，准确的身体质量数据还可用于研究微重力条件下体液流失、肌肉萎缩等现象。
相比货物测量，人体称重挑战更大：人体是柔性的，测量时质心难以确定；体内脏器振动还可能消耗机械能，造成数据偏差，比如国际空间站的空间线性加速度测量设备就曾出现过6～7公斤的测量数值波动。
我国在轨人体质量测量研究已经经历了近20年的发展，先后完成两次重要迭代。
第一代质量测量仪为实现轻量小型化、低功耗、高可靠性和操作简便化等技术目标，自主研制出了基于直线加速度测量原理的在轨设备。
在首次太空授课中，王亚平对其工作原理和流程均进行了精彩的讲解与展示——航天员聂海胜将自己固定在支架上，王亚平将弹簧拉伸至预设位置后释放，测量仪最终显示聂海胜的体重为74千克。
该装置主要由主机箱体、四连杆和可折叠定姿支架3部分组成，核心功能是提供恒定力矩使被测人员做匀加速直线运动。
进入空间站阶段后，质量测量仪迎来“升级换代”。第二代质量测量仪实现了从测量精度、稳定性、测量及标定算法、工效学设计等多维度的全面改进，精度显著提升，测量结果的一致性较上一代也有明显提高。
除了货物和航天员，科学家们还非常关心空间站自身的“体重”——这直接反映了空间站的健康运行状况。
国际空间站就曾利用轨道机动测算整站的质量，核心原理同样是牛顿第二定律。2004年和2005年，国际空间站两次进行“称重”：在轨道机动（如开启推进器）时，通过高精度加速度计测量加速度，结合已知推进器推力，反推出整个空间站的质量。据报道，这种方法误差仅约1%。
从货物称重到航天员人体称重，再到整站称重——太空中的每一次“称量”，背后都是航天人精益求精的智慧与匠心。
而改进型在轨质量检测仪的首次亮相，也正是我国空间站应用与发展阶段技术持续精进的生动注脚。
来源/《中国航天报·飞天科普周刊》，原标题《“天宫”Vlog上新！微重力环境称重大揭秘》
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