技术领域本发明涉及一种太空质量测量仪及其高精度测量方法
背景技术：
在地面上，天平是测量物体质量的常用工具，天平的两臂长度相等，根据力矩平衡原理，当两个托盘中物体的质量相同时，天平就会平衡，被测物体的质量就等于砝码的质量。但在失重的太空中，物体和砝码对天平两臂上的托盘压力为零，天平始终平衡，无法测量物体的质量，地面的测量方法不再奏效。近年来，随着载人航天事业的发展，从事相关研究的人越来越多，其中自然不乏太空质量测量方面的研究成果。《物理通报》2014年第5期在《太空质量测量方法举隅》一文中介绍了5中不同的太空质量测量方法，但这些方法的一个共同的缺陷是没有考虑空气阻尼。在太空中，航天员处在失重环境中，但并不是真空环境，由于环境是封闭的，舱内的空气密度和地面上相当，因此在质量测量过程中空气对运动物体产生的阻尼作用必须考虑。2013年6月20日，王亚平在太空授课中展示了一种太空质量测量仪，它是机械弹簧机构和高科技的光栅测速系统的组合体；机械弹簧机构包括轻杆、弹簧和支架，轻杆穿过光滑限位孔，一端通过一个弹簧与舱壁连接，另一端与一个支架连接。支架的质量为M＝6kg，当轻杆的位移为s＝0.2m时弹簧的拉力为F＝128N。质量测量的过程是王亚平首先将聂海圣固定在支架上，然后把支架拉到s＝0.2m的位置，松手后弹簧拉力使支架回到初始位置，光栅测速系统测出力F的作用时间为t＝0.5s，由此可知聂海圣的运动加速度为a＝2s/t2＝0.4/0.25＝1.6(m/s2)。根据牛顿第二定律，F＝(M+m)a，其中m为聂海圣的质量，因此m＝F/a-M＝128/1.6-6＝74(kg)。最终太空质量测量仪显示，聂海圣的质量是74kg。然而，公开的资料显示，聂海圣体重多年来一直保持67kg，为什么“胖”了7kg？是否有其它原因且不说，忽略人体和支架运动过程中的空气阻尼以及光滑限位孔对轻杆的阻尼至少是这种质量测量方法导致测量质量增大的一个原因。在没有这些阻尼的情况下人体和支架的加速度会更大，因此这种质量测量方法将加速度测小了，但弹簧的拉力一定，因此测量的质量必然增大。除测量航天员的体重外，在一些太空科学实验中，许多实验药品的质量也需要精确测量，而在太空中质量的测量又离不开运动，运动必然存在阻尼，因此只有考虑运动阻尼的太空质量测量仪才能提高测量精度。
技术实现要素：
本发明旨在设计一种运动部件和静止部件之间无摩擦、空气对运动部件的阻尼系数不变的太空质量测量仪，以避免运动阻尼的不确定性导致的测量误差。太空质量测量仪由机架、红外发射器，红外接收器、弹簧、测量箱和计算机组成。机架是一个由长、短二杆组成的十字架，四个端点处与四根立柱垂直连接。分别与长杆两端连接的两根立柱的另一端均与一根弹簧的一端连接，两根完全一样的弹簧的另一端通过测量箱连接在一起。带有箱盖的封闭式测量箱的内部装有测量质量时用于固定航天员或物品等被测对象的座椅和限位器。分别与短杆两端连接的两根立柱的另一端分别安装与计算机相连的红外发射器和红外接收器，计算机用于处理红外发射器和红外接收器的信息，并进行计算和测量结果显示。当测量质量时，将被测对象固定在测量箱内，盖上箱盖，并打开红外发射器和红外接收器；右拉测量箱，直到其能够遮挡红外线的部位全部位于红外发射器和红外接收器的右端时放开测量箱，计算机记录测量箱第一次和第三次遮挡红外线的时刻t1和t3，则测量箱的振动周期为T1＝t3-t1.用上述方法也可以求出空测量箱的振动周期T0.以M表示在地面上测量的测量箱(5)的质量，则被测对象的质量为m=MT1-T0T0]]>本发明具有如下特点：(1)无运动部件和静止部件之间的摩擦，有效地避免了阻尼的不确定性；(2)采用封闭式测量箱装载被测对象，避免了被测对象形状不同引起的阻尼系数的变化；(3)被测对象质量的计算过程更加简单。附图说明图1是太空质量测量仪结构示意图，图2是测量箱不带盖的太空质量测量仪结构示意图。标号说明：1机架，2红外发射器，3红外接收器，4弹簧，5测量箱，6箱盖，7座椅，8限位器。具体实施方式如图1所示，太空质量测量仪由机架(1)、红外发射器(2)，红外接收器(3)、弹簧(4)、测量箱(5)和计算机组成。机架(1)是一个由长、短二杆组成的十字架，四个端点处与四根立柱垂直连接。分别与长杆两端连接的两根立柱的另一端均与一根弹簧(4)的一端连接，两根完全一样的弹簧(4)的另一端通过测量箱(5)连接在一起。带有箱盖(6)的封闭式测量箱(5)的内部装有测量质量时用于固定航天员或物品等被测对象的座椅(7)和限位器(8)。分别与短杆两端连接的两根立柱的另一端分别安装与计算机相连的红外发射器(2)和红外接收器(3)，计算机用于处理红外发射器(2)和红外接收器(3)的信息并进行计算和测量结果显示。在测量箱(5)处于静止状态时弹簧(4)处于平衡位置，红外接收器(3)可以接受红外发射器(2)发射的红外线；在外力的作用下，当测量箱(5)连同固定在其内部的被测对象沿弹簧(4)的方向往复运动时，只要运动幅度足够大，测量箱(5)最靠近十字架的部分可以阻挡红外发射器(2)发射的红外线，使红外接收器(3)无法接收，但测量箱(5)上其它部分始终不能阻挡红外线。由于测量箱(5)是封闭的，内部被测对象的质量和形状不影响测量箱(5)的阻尼系数c。以M表示在地面上测量的测量箱(5)的质量，m表示被测对象的质量，k/2表示两根弹簧(4)的刚度，x表示在外力作用下测量箱(5)离开平衡位置的位移，则测量箱(5)运动的微分方程为(M+m)x··=-kx-cx·]]>或x··+cM+mx·+ωx=0]]>其中和分别为x对时间t的一、二阶导数。上述微分方程的解为x(t)=Xe-ξωsin(1-ξ2ωt+Φ)]]>其中X，Φ为常数，因此测量箱(5)的振动周期为T=2πω1-ξ2=4π(M+m)4k2-c2]]>特别地，当测量箱(5)内无被测对象时振动周期为T0=2πω1-ξ2=4πM4k2-c2]]>为了从上述周期的表达式中消去阻尼系数c，进入太空后首先对空测量箱(5)进行测量，其方法是：盖上箱盖(6)，并打开红外发射器(2)和红外接收器(3)；右拉测量箱(5)，直到其能够遮挡红外线的部位全部位于红外发射器(2)和红外接收器(3)的右端时放开测量箱(5)，计算机记录测量箱(5)第一次和第三次遮挡红外线的时刻t01和t03，则测量箱(5)的振动周期为T0＝t03-t01.当测量质量时，将被测对象固定在测量箱(5)内，盖上箱盖(6)，并打开红外发射器(2)和红外接收器(3)；右拉测量箱(5)，直到其能够遮挡红外线的部位全部位于红外发射器(2)和红外接收器(3)的右端时放开测量箱(5)，计算机记录测量箱(5)第一次和第三次遮挡红外线的时刻t1和t3，则测量箱(5)的振动周期为T1＝t3-t1.由此可以得到方程组T0=4πM4k2-c2T1=4π(M+m)4k2-c2]]>于是可得m=MT1-T0T0]]>