第 1.7 节 - 工程专业
在第 1.5 节 - 系统工程中，我们讨论了协调大型项目工作的 方法。复杂的太空项目需要比任何个人都多的知识和经验。此类项目需要团队合作，不仅因为有很多工作要做，而且因为每个人都提供了不同的技能。对于项目的 设计部分，工程领域被划分为多个分支，有专门人员专注于更广泛或更狭窄的部分。专家解决 设计的不同领域以及对给定项目的不同应用领域。
当前大多数太空项目的实际工作都发生在地球上，例如在办公室、工厂、发射场和控制中心。建造和运营这些地点使用的 工程知识与地球上任何其他大型项目相同。对于项目的 太空部分，许多专业仍然 相关。例如，几乎所有太空硬件都包含结构部件，它们的设计是机械工程师的领域。未来，更多生产和建设将在太空中进行。这与 现在不同，现在主要是 从地球发射 完成的硬件。因此，采矿和工业工程等其他领域的 重要性将 增加，并将 对太空运行进行适当的 调整。在更遥远的将来，描述为天体工程 或行星工程 的极大型项目 是 可能的。例子包括地球化改造，使 天体更像地球，或改变大型小行星的轨道。此类 非常大型的项目 大多是 推测性的，除了 人为造成的地球大气中 CO2 含量 增加了 43%。这 是我们星球的 反地球化改造 - 使 它 比 最初状态 更不像地球。大型 太空项目 是 解决 此 问题的 一种 方法，如果 问题 变得过于严重。此类 非常大型的项目 尚未 作为一个 独立的 专业 组织起来，但 将 涵盖 来自 多个 科学和工程领域的知识。
一个 特别的 分支，航空航天工程，专注于 设计和制造 在 空中或 太空中 飞行和 运行的 飞行器和 硬件。我们 先 讨论 它，因为它 几乎 总是 在 一定程度上 参与 太空项目。应该记住，航空航天工程师 是 一个团队的一部分， 不是 唯一的 技能。尽管 工程有 许多 分支，但 它们 都 建立在 科学和数学 的 共同 基础之上，所以 它们 之间 存在 一些 重叠。例如，航空航天和 机械工程师 以 与 土木工程师 分析 地面结构相同的方式 分析 太空飞行器结构 的 载荷。它们 不同之处 在于 使用 的 材料、载荷来源 以及 它们 的 运行环境。
本节 的 其余部分 列出了 其他 与 太空项目 相关 的 主要 工程分支。我们 将 不会 详细 介绍 它们，但 一个 太空系统设计师，无论是 通才 还是 专家，都 应该 至少 了解 除了 他们 自己 的 领域之外 还 存在 哪些 其他 领域。然后 他们 可以 在 需要 时 找到 有关 某个 主题 的 详细信息， 或者 找到 专家， 当 它 超出 他们 自己 的 知识 范围时。对于 那些 想 了解更多 特定 领域知识 的人， 一个 起点 是 麻省理工学院 (MIT) 的开放课程资源 网站，该网站 拥有 大量 越来越 多 的 大学水平 开源 课程 材料 (到目前为止 大约 2250 个)。我们 列出了 他们 的 一些 课程，但 它们 不是 唯一 的 来源。其他 信息 可以通过 以下 链接、本 书末尾 的参考文献部分 以及 大量 关于 工程主题 的 书籍 找到。
这是 主要 领域， 专注于 设计 在 大气层和 太空中 运行 的 系统。它 进一步 分为航空学， 涉及 在 大气层 中 飞行和 运行， 以及航天学， 涉及 在 太空环境 中 旅行和 运行。后者 是 本书 的 主要 主题。有关 此 主题 的 入门 课程 是航空航天工程与设计导论 (MIT)。航空航天工程工作 还 根据 旅行 方式、系统 穿行 和 运行 的 环境 以及 构成 飞行器和 其他 太空硬件 的 内部 子系统 进行 专业 划分。这些 专业 包括
在 一般 物理学和 工程学 中，动力学 是 物理过程 随 时间 的 演化。有关 此 主题 的 一般 课程 包括
在 航空航天工程 中，这些 特定 的 动力学 领域 很重要
- 空气动力学 - 应用 流体和 气体动力学 知识 到 大气层 与 主要 是 固体物体（如 飞行器） 的 相互作用。 前往 太空 或 从 太空 返回 的 飞行器 必须 穿过 地球 的大气层。一些 运输 方式 还 积极 利用 大气层， 一些 太空 目的地 有 自己 的 大气层 需要 导航。高速 和 大气密度 的 组合 会 产生 很大的 力 和 高温。这些 必须 在 设计 中 考虑到。大气 的 自然 运动， 例如 风 和重力波，属于 航空航天系统 的 运行环境。相关 的 在线 课程 包括
- 天体力学 - 也 被称为轨道力学， 是 将 弹道学 和天体物理学 应用于 实际 问题。天体物理学 是 天文学 的一个 分支， 它 处理 太空 中 自然 物体 的 运动。 不 使用 推进 系统 或 与 大气层 或 磁场 相互作用 的 太空系统 遵循 与 自然 物体 相同 的 运动。系统 遵循 的 路径， 称为轨迹 或飞行路径， 可以 通过 在 重力 作用下 的 自然 运动 阶段 和 主动 推进 阶段 设置 起来。自然 运动 可以 包括 在 物体 之间 滑行， 以及引力弹弓， 即 靠近 更大 物体 以 影响 速度 和 方向 的 近距离 通过。相关 的 在线 课程 是
结构和机构是航空航天系统的承重和机械部件。主要结构承载来自重力、加速度、空气动力等的主要载荷。次要结构将设备部件固定在适当位置，这些部件的载荷较小。机构是系统中的活动部件，例如接头和执行机构。典型的机构包括火箭发动机的转向机构、太阳能电池板的展开和指向机构。航空航天工程师可以专门从事该设计领域，但他们与结构工程师和机械工程师有很大程度的重叠，这些工程师也处理承重结构。航空航天系统的特定知识涉及高加速度、振动、大温差范围和真空暴露等运行条件。它还涉及节省重量的专用材料。这些材料用于提高性能和降低项目成本。该系统背后的知识包括材料科学，涵盖材料在原子尺度上的结构与其更大尺度特性之间的关系，以及材料在特定应用中的选择。它还包括固体力学，即连续固体材料在外部作用（如力、温度变化或施加的运动）下的行为。结构和机构的现代设计通常使用计算机辅助软件进行，并且越来越多的集成到流程中。这从定义零件形状到分析和仿真、优化，然后将设计文件提交给计算机控制的工厂设备进行生产。设计完成后，通常会建造一个结构测试件来证明物理版本能够承受所有设计条件。与本主题相关的在线课程包括
电力系统
[edit | edit source]该系统专门关注电力供应以及加热器和电机等电气系统，特别是航空航天系统。它与电气工程（更一般的学科，见下文）有重叠。一些太空设备需要短时间内的高功率，例如在化学火箭发射期间。这可以通过使用涡轮机和化学燃料的辅助动力装置来实现。对于更长期的需求，目前使用太阳能电池板和有时使用核源。为太空项目选择电源需要了解其运行环境、无需维护的长期运行需求以及其他特殊条件。电力产生后，可以暂时储存在电池等设备中，并且在所有情况下都通过布线进行分配，并配有故障保护、开关、调节和控制。
推进系统
[edit | edit source]推进系统通常包括一个电源和将此电源转换为推进力的装置。这些系统的目的是在一定距离内移动人员或货物，通常作为车辆的一部分，即人工载体。空间推进是指适用于太空项目的推进方法。其中一些方法仅在太空中有效。另一些方法可以在大气层中或物体表面工作，与地球上使用的类似方法类似。本书第二部分列出了各种太空运输方法。并非所有方法都涉及配备推进系统的车辆。对于使用推进系统的车辆，可以使用化学、电气、核能和其他电源。因此，各种工程专业都参与了其设计。航空航天推进工程师在一种或多种太空运输方法方面具有特定经验，而不是在地球上使用的运输方法方面。与本主题相关的在线课程包括
热力系统
[edit | edit source]热力系统的功能是将太空系统所有部件保持在可接受的温度范围内。这包括利用其固有属性起作用的被动方法，例如绝缘、涂层、热耦合器和隔离器、反射器和放射性同位素加热器。主动方法使用电加热器、传热流体和散热器面板、机械百叶窗和热电冷却器等装置。
空气和太空环境以及内部系统的运行会产生温度的大幅波动。主要的自然热源是太阳，由于没有大气，太阳在太空中名义上强 36%，但强度会随着距离而变化。次要热量可能来自附近大型物体的反射或热辐射。主要的热量损失来源是宇宙背景，它位于所有方向的天空中，位于单个前景物体之后。它主要由宇宙微波背景和宇宙红外背景组成。它们的组合有效温度约为绝对零度以上 3 K，即 -273 C。这比大多数太空硬件要冷得多，因此更多热量从背景中损失，而不是从背景中获得。除了自然环境外，构成太空系统的运行硬件会产生热量或非常冷。例如，推进系统既能产生热量，例如在火箭发动机中产生大量的热量，也能非常冷，例如在推进剂罐中产生低温。
热控制工程师分析航天器环境和运行情况以确定会出现的温度。如果硬件加上自然热量导致不可接受的温度，则需要进行热控制，而这些工程师会帮助设计解决方案。热传递通常是物理学中的一个主题，由机械工程师（见下文）作为设计任务来解决，但航空航天中的特定问题和条件需要专门的解决方案。一些相关的在线课程包括
控制系统
[edit | edit source]控制系统工程是将控制理论应用于设计具有所需行为的主动系统的专业。由于大多数太空系统都具有主动部件，因此它们也需要控制元件。这些元件包括传感器和仪器，用于检测当前状态；用于传输、存储和处理由此生成的数据的设备；用于生成适当响应的方法；以及用于将命令传输到系统其他部分的方法。这些命令由执行机构执行，例如火箭发动机中控制燃料流动的阀门。通常，控制系统以闭环方式运行。这是指检测状态、处理数据、发布命令，然后多次检测新状态的循环。航空航天控制系统的制造部件通常被称为航空电子设备，即“航空电子设备”的简称，即使它们用于太空系统。“人机闭环控制系统包括将人作为其操作的一部分。例如，飞机驾驶员使用他们的眼睛、大脑和手作为控制环的一部分。
控制系统用于从交通灯到化工厂的各种设备，因此该学科被教授给各种工程师。航空航天控制专家处理空气和太空操作的特定问题，例如火箭飞行控制或太空系统机器人手臂控制。一些相关的在线航空航天课程包括
太空环境
[edit | edit source]太空环境与地球相比，拥有许多显著不同的条件。这些条件必须在太空系统的设计中考虑，因此需要环境对系统和人员影响方面的专家。太空环境包括所有可能影响系统的外界因素——例如自由落体（零重力）或低重力；真空、稀薄或不同的气体，这些气体会导致阻力、侵蚀或静电荷，以及巨大的温度波动。对人类和太空硬件的特定危险是太空独有的。它们包括
对太空环境的研究是天文学的一部分，特别是天体物理学和行星科学。这些领域从太空科学任务中获益匪浅，这些任务使人们能够直接测量环境。环境影响工程师通常先来自科学领域，然后将他们的知识应用于太空项目。或者，他们从工程专业开始，然后添加相关的科学知识，通常是在研究生阶段。
生命保障系统
[edit | edit source]太空环境通常对人类和生命总体来说是恶劣的。对于涉及生物的太空项目，需要一个生命保障系统来提供合适的条件。基本结构包含一个大气层，热控系统将温度保持在可居住范围内。这些在之前已经涵盖过了。除此之外，人类还需要合适的大气混合物、水和食物。由于封闭的环境，液体、固体和气态废物（尤其是CO2）必须清除，既来自人，也来自其他系统操作，并且必须控制微生物。在自由落体条件下，空气不会通过对流循环，因此需要循环风扇来防止有害气体浓度积累的“死区”。生物系统可以用于循环废物和供应食物，就像它们在地球上一样，但这仍处于早期研究阶段。迄今为止，大多数生命保障系统使用一次性食物供应，并且对其他材料的回收利用有限。
生命保障系统的工程是一个跨学科领域，涉及生物学和机械系统。因此，专家来自生物工程和机械工程等领域（见下文）。他们通常在工作中学习生命保障的具体设计，因为太空生命保障的例子太少了，因此还没有形成教育路径。相关的研究在飞机、高海拔攀登和水下作业方面有所进行。生命保障系统可以足够大到容纳许多人，也可以足够小到适合一个人使用，例如宇航服。
人因工程
[edit | edit source]人因工程，也是设计的一个方面，它考虑了系统与其使用人员之间的交互作用。人们无法像硬件一样被设计，因此系统设计必须适应他们的能力和局限性。人们可能是被动的，比如飞机乘客，也可能是主动的，比如飞行机组人员。该领域的研究主题包括身体、认知和组织互动。由于太空中独特的条件，比如必须在零重力和笨重的宇航服中进行维修，或者与地面上的大型支持团队合作，因此各个研究主题在航空航天领域变得越来越重要。人因工程还包括诸如如何在零重力或高加速度下设计控制输入和信息显示，以及如何在长时间任务中保持机组人员培训等主题。
人因设计起源于人们制造工具的年代，因为工具必须适合我们的手，以及我们挥动它们的力量。现代发展借鉴了心理学、工程学、生物力学、工业设计、生理学和人体测量学等学科。相关在线课程是
仿真与测试
[edit | edit source]航空航天系统通常很复杂，因此很昂贵。它们运行的环境和操作条件不同于地球表面通常发现的环境和操作条件，并且故障可能是灾难性的。因此，为了确保基本功能、安全、可靠性和满足设计要求，仿真和系统测试专业应运而生。
仿真包括早期的数学和计算建模，以及物理比例模型或功能模拟器。它们再现了系统的某些重要方面，但不使用实际的硬件和软件产品。测试使用实际材料、组件、子系统，直至完成的产品。测试可以在模拟环境中进行，例如真空室，或者在实际运行环境中进行。对于完整的航空航天器，后者被称为飞行测试。对于非常庞大复杂的系统，例如国际空间站，无法对其进行整体测试。相反，它的部件在地面上进行了测试，进行了广泛的分析，并且必须能够根据需要修复和更新部件。
硬件和软件测试计划理想情况下应在项目早期开始。这些领域的专家通常来自各自的设计领域，以及系统工程经验。
其他工程专业
[edit | edit source]以下是工程领域按专业划分的重大传统分类，按字母顺序排列。知识本身并没有这样的分类，而是人类出于历史和教学目的而创建的。一位工程师可能拥有跨越多个专业的知识和经验，也可能只专注于一个专业内的狭窄领域。在上面列出的航空航天工程专业内的课程中，较大的工程领域往往拥有整个学术系，甚至整个机构专门从事这些领域。
生物工程
[edit | edit source]生物工程，或“生物工程”，将生物科学的知识应用于满足人类需求。这包括生产食物、材料、能源，维护人类健康和自然环境。作为一个工程领域，它自 1960 年左右以来发展迅速，这是因为对遗传学的理解不断加深，以及操纵遗传学的工具不断发展。麻省理工学院生物工程系列出了关于此主题的许多开放课程。
- 农业
农业工程 是生物工程的一个分支，主要关注土地上生产的食物、木材、纤维、生物燃料、医药和其他物质产品。作为一项人类活动，农业 可以追溯到文明的起源。作为一项基于科学知识的活动，它在过去的 200 年中得到了极大的改进，并作为一个工程领域，可以追溯到 1900 年左右。在太空中种植植物还处于早期实验阶段。预计未来几十年，这一领域将大幅增长，因为种植食物和其他产品，以及副产品氧气的生产，将大大减少对地球供应的依赖。
- 生物医学工程
生物医学工程 将工程原理和设计理念应用于医学和生物学，用于医疗保健目的。这是一个相对较新的领域，非常注重研究和开发。对于太空项目，它被应用于保持机组人员和实验动物的良好状态，也是一个研究太空条件影响的学科。
化学工程 是将物理科学、生命科学以及应用数学和经济学应用于化学品、材料、能量和有用产品的生产、转化、运输和正确使用。这是一个广泛的领域，有很多专门的分支，通常在像麻省理工学院化学工程系这样的学校提供完整的课程。从历史上看，它与太空项目的相关性在于为火箭提供推进剂，以及用于建造火箭及其有效载荷的合金和其他材料。未来，从太空地点提取燃料和其他产品将需要改造后的化工厂。
土木工程 涉及到建筑环境的设计、建造和维护，包括道路、桥梁、运河、水坝和建筑物。作为一种经验实践，它与文明 一样古老（这两个词都源于拉丁语 civitas，即城市）。作为一门科学和技术领域，它始于 1800 年左右。到目前为止，对于太空项目，它主要与地球上的工厂位置和发射场有关。未来，它将被应用于地球以外地方的建设。作为较古老的工程领域之一，它通常提供完整的课程，例如麻省理工学院土木与环境工程系。土木工程的分支包括环境工程、岩土工程、结构工程、交通工程和水资源工程。由于所有用于建造的材料都必须从自然环境中获得，因此它与采矿工程（见下文）密切相关。
电气工程 涉及到电气、电磁和电子学领域的应用。它在大约 1850 年后成为一个可以识别的领域。大多数太空系统都具有电气组件，上面在航空航天工程下列出了专门的方面。更一般的电气工程在今天被用于为太空项目的办公室、工厂和发射场提供电力。它也被用于计算机硬件、软件和通信网络，用于太空系统的开发和运行。未来的应用包括电力发射和空间推进方法，以及来自轨道的太阳能传输。作为一个较大的领域，它拥有各种课程，例如麻省理工学院电气工程与计算机科学系。
工业工程 涉及到优化复杂流程或系统，以及提高企业生产率、质量、效率和盈利能力。传统上它包括工业生产系统（工厂）的规划，但其范围已经扩大到各种复杂的运营。工业工程的特点是关注整个企业和供应链，而制造工程（机械工程的一部分）关注的是单个生产机器和任务。
机械工程 应用物理学和材料科学的原理来设计、分析、制造和维护机械系统。上面在航空航天工程下列出了用于太空的专用机械系统。其他专业包括声学、制造、热力学、运动、车辆、电力和能源工程。涡轮泵和阀门等机械系统是火箭发动机的核心部件。车轮、悬挂、驱动电机和机械臂使漫游车能够在行星表面执行复杂的任务。作为现代技术领域，机械工程自 1800 年左右开始发展，当时出现了机床 和驱动它们的发动机。作为当今最大的工程领域之一，它拥有非常广泛的课程，例如麻省理工学院机械工程系。
采矿工程 关注从自然环境中开采和加工矿物。现代文明使用大量的材料。因此，该工程领域以及密切相关的科学领域已经发展起来，以支持这些用途。目前，地球上的采矿与太空项目没有直接关系，因为原材料通常由中间工厂和设备进行加工，然后再用于建造硬件。随着集成和自动化生产系统的开发，这种情况可能会改变。在太空中，开采材料具有重要意义，可以避免从地球发射的高能量和财务成本，并提供新的材料和能源来源。太空采矿仍处于研究和早期发展阶段。
核工程 关注核裂变和核聚变等核过程的应用。这些过程可以释放大量的能量。在地球上，主要用途是在核反应堆 中发电。一些当今的太空任务携带基于放射性衰变的能源。未来，裂变反应堆，甚至可能还有聚变反应堆，可以在太阳能不足的情况下提供电力。核工程涉及高能辐射，这也是自然太空环境的一部分。虽然这是一个相当新的领域，可以追溯到 1940 年代，但它已经发展了广泛的专门知识，例如麻省理工学院核科学与工程系的课程。
软件工程 是将工程方法系统地应用于软件的设计、开发和维护的学科。软件是指计算机使用的可变指令和数据。这个领域比较年轻，大约从 1950 年开始发展，但由于计算机硬件和电子设备的快速发展，它迅速发展起来。软件是现代太空项目的不可或缺的一部分，从使用生产力软件进行初始概念的制定，到收集和分析任务数据以及控制遥控航天器。几乎所有工程师都使用软件，许多工程师在其他专业领域工作时也会开发软件。但是，创建复杂的可靠软件（其错误可能导致人员伤亡或昂贵的系统损失）需要专门的团队进行专门的任务。软件工程与计算机科学密切相关，他们的教学通常在同一个课程体系中进行，例如在麻省理工学院电气工程与计算机科学系。