太空中，拧颗螺丝钉要费多大劲？ 东大“测力神器”搭载天宫二号升空，将测量航天员的各种操作力。

空间作业离不开操作力的测量，图为航天员在神州十号天宫舱内行走 资料图片

在太空中，航天员开舱门、插拔插头、抓操纵杆、用扳手拧个螺丝钉，需要用多少力气？如何设计空间站，才最符合人体工效学，让航天员“量力而行”？这些问题很快就会有答案。中秋夜，随天宫二号空间实验室一起升空的，还有东南大学科研人员研发的“航天员在轨操作力测量系统”。10月中旬，“神舟十一号”载人飞船升空后，该系统将会测量航天员在轨操作时的各种操作力的信息。

失重环境中  捡根针都不那么简单

天宫二号空间实验室成功发射之后，“神舟十一号”将搭载两名航天员送入天宫。在太空失重的环境中工作和生活30天，并不是一件轻松的事。

“在日常生活中，我们开门、插拔插头、抓操纵杆、用扳手拧个螺丝钉，需要用多少力，都很清楚，但在太空失重条件下，这些还存在未知因素。” “航天员在轨操作力测量系统”的负责人、东南大学仪器科学与工程学院院长宋爱国举了个例子，在地面上，捡一根针轻而易举，但在失重环境中，上身蹲下的同时，下身由于动量守恒会反向漂浮起来。要完成一个捡东西的动作，并非轻而易举。又例如开舱门时，要打开旋钮，但因为缺乏反作用力，航天员可能使不出在地面上那么大的力气。“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几公斤的推拉力。”

在空间生活久了之后，骨骼中的钙会流失，这会直接影响运动能力。宋爱国说，科研团队研发的这款测量系统，主要用于航天员在轨各种操作力的测量，以及人机工效学和生物力学实验，为航天员今后长期空间在轨生存和空间站的科学合理设计提供基础实验数据和参数。

据宋爱国介绍，这套测量系统被集成在一个手提式仪器箱里，比地面模拟实验的测量设备要缩小许多，包括多种力传感器、数据采集处理系统，以及各种测量附件。开展实验时，航天员将仪器箱打开，取出其中一种测力传感器并将其固定在给定的区域，再将附件与传感器机械连接，就可以测量。

“例如舱门，如果和地面上的舱门设计得同样紧密，那到了太空，就有可能拉不开，就会影响一些空间作业任务的执行。又例如设计一个阀门把手时，将阀门把手安装在哪个位置、什么高度，才最省力，都可以借助测量系统提供的依据。”宋爱国说。

实验从水下17米  做到万米高空

为了研发这套小型化、高精度、高可靠的测量设备，东大科研人员历经七年的攻关。实验从水下17米做到了万米高空。宋爱国说，早在2009年，科研人员就启动了模拟环境中的航天员人机工效学和生物力学的测量设备研究，后来又将实验环境搬到了17米深的水池里，去模拟失重效应下的操作力测量。

“当时先制作了一个2米宽和2米高的架子，再将11组多维力传感器安装在架子的不同部位，然后用吊车吊到水底。用这套系统测量航天员在模拟失重效应的水下作业过程的脚蹬力、开门力、插拔力、推拉力、旋转力等数据。”不过，因为是水下作业，所以所有的测量部件都要做成防水装置，数据采集处理单元与电缆线是防水的，传感器采用不锈钢材料制作，所以体积很大。水池实验一做就是一个多月。

水下实验环境距离真实的空间环境还有一段距离。要创造逼真的空间失重环境，还得在失重飞机上进行试验。科研人员请航天员携带测量设备搭乘飞机进行试验，飞机从1万多米高空以某种曲线方式快速下降时会产生几十秒失重状态，这几十秒的失重状态最接近空间站的微重力环境。”

宋爱国说，用于失重飞机试验的测量设备要比水下测量设备小很多，而这次为天宫二号研制的测量设备体积更小、可靠性更高，而且抗震和抗过载的能力更强，要能抗拒“天宫二号”升空时火箭推力带来的强烈震动。

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