第 1.6 节 - 工程工具
太空系统工程师使用各种工具来完成工作。其中最重要的工具是他们自己的知识和经验，我们希望这本书能帮助提升这方面的知识和经验。工作内容包括为项目制作设计；然后将设计和其他信息记录在可以与他人共享的格式中，或供计算机和机器作为输入使用。对于简单或早期阶段的工作，一些参考书、一台科学计算器和一叠方格纸可能就足够了。对于今天完成的大部分工作，他们通常需要各种数据源、计算机工作站和更强大的超级计算机或网络以及专用软件。当工作从设计阶段过渡到研发、原型制作、制造和测试阶段时，他们通常会使用物理工具和专用测试设备来测量性能并收集数据。
任何工程设计都离不开某种形式的输入数据。它可以从内部确定，但更常见的是从外部来源获取。数据类型包括
- 工程规范和标准 - 这些是指定设计所需或可接受方法和特征的文档。例如，建筑规范 体现了在如何设计和建造安全可靠的建筑物方面积累的经验。政府对建筑规范的采用赋予了它们法律效力 - 必须遵守这些规范。技术标准 是正式文件，它们建立了统一且可接受的工程标准，必须遵循。例如，ASTM 标准 规定了钢的成分和强度，本身没有法律效力，但允许钢材供应商和工程师协同工作，因为双方都知道特定合金等级的预期结果。标准可以作为法律、法规或合同中的引用内容进行纳入。大型工程组织可以根据自身经验制定自己的内部设计标准，以便获得更一致的结果，并可以对新员工进行培训。
- 手册、教科书、专著和期刊 - 手册是特定工程领域中实用信息的汇编。它们通常由多位作者撰写，并定期更新。一个例子是航天技术手册。对于学生来说，手册通常非常昂贵，因此建议找到二手书或图书馆馆藏。教科书旨在教授某个科目，就像这本维基教科书一样。专著的意思是“单一作者”，由一位或少数作者撰写的书籍。它们通常是关于高级主题、主要研究或原创学术成果的。期刊是定期出版物，包含比专著更短的文章，报告新的研究或评论现有技术水平。有大量的书籍和期刊涵盖每个工程主题，因此，个人除非是从事非常狭窄的专业领域，否则收集它们是不切实际的。一个好的技术图书馆可以提供访问所有这些作品的途径。
- 供应商数据 - 高效设计的基本规则之一是，如果其他人已经有了，就不要重复设计。许多设计将包含已经存在并由其他人制造的部件或子系统。这些项目的供应商有关于其供应产品的文献和文档，并且经常会就其产品的使用提供咨询。
- 在线数据源 - 如今，大量数据都在线，但质量参差不齐。由于不正确的数据会导致太空系统故障，因此应仔细选择这些数据源以确保其质量。在线数据也变化很快，因此我们提供的任何链接很快就会过时。一个好的方法是使用搜索引擎，并了解如何定义搜索词以获得特定的结果。
从历史上看，工程师在大型绘图桌或办公桌上工作，在那里他们可以制作代表设计的图纸和文档。这种方法在很大程度上已被计算机工作站取代，原因有以下几点：计算机系统比基于纸张的方法可以更快地传达变更。它们可以以三维形式表示设计，而这在二维纸张上很难实现。最后，计算机可以比手工方法更好地执行设计的分析和仿真。曾经，大型机和工程工作站是专门的昂贵设备。如今，基本工作站的硬件可能与普通台式计算机没有什么区别，尽管更强大的计算机仍然用于密集计算。与工作站硬件同样重要的是在其上运行的专用软件以及将它们相互连接到生产和测试区域以及外部世界的网络。
- 工作站 - 如今，工程工作站仅仅是普通的计算机，其规格足以运行工程软件或远程访问性能更高的集群。高端工作站可能有两个或多个处理器芯片，每个芯片都有 6 个或更多个 CPU 内核。它们还可以包含多达 4 个基于图形技术的图形卡或并行计算附加卡。这些用于大规模并行计算。通常使用多个大型显示器，以及相对大量的内存和硬盘存储空间。性能中等的工作站的规格类似于现代游戏系统，因为游戏图形和工程计算都依赖于进行大量的计算。即使是性能相对强大的工作站，与工程师的薪水相比也不算贵（它们运行的软件是另一回事），因此硬件的选择更多地取决于运行所需软件的能力，而不是成本。
- 存储服务器 - 在处理复杂项目时，涉及的数据量可能会超过单个工作站的存储能力，并且应在意外删除或硬件故障的情况下进行备份。存储服务器的主要任务是存储额外数据，以便项目团队中任何需要的人都可以访问这些数据。其中包括设计、测试和仿真数据的历史版本，这些数据可能非常庞大。
- 高性能集群 - 某些类型的工程计算需要比单个工作站中可以合理安装的速度更快的速度。高性能集群，也称为超级计算机，将多个计算机芯片分组到机架中，并在它们之间建立高速数据连接。它们运行专门设计的软件以利用这种硬件，速度最快的集群代表了现存最强大的单台计算机。当核心之间高速传输的需求没有那么大时，可以使用分布式计算 方法。它利用多个计算机组成的网络，或利用多个工作站的闲置计算能力，无论是在非工作时间还是利用工作站主要用户不需要的额外处理能力。
计算机软件
[edit | edit source]如上所述，工程师通常使用专门的软件来帮助他们完成工作。具体软件将根据正在执行的任务而有所不同。软件通常快速发展，因此我们将根据类别对其进行讨论并提供一些示例。如果在实际项目中工作，设计人员应找出当时最适合的软件和最新版本。在某些情况下，没有现有的软件完全适合，并且需要修改或全新的软件。
分析和仿真软件
[edit | edit source]历史上，数值分析依赖于使用计算尺和性能表等手动方法。随着数字计算机的出现，用数学导向语言（如 FORTRAN）编写了专用程序。这些程序执行计算的速度远远快于手工操作，但仍然受到限制。早期计算机的处理速度和内存容量限制了数学模型的复杂性以及在合理时间内可以执行多少计算。2016 年最快的可用处理器，它们从大型机发展到具有多个并行内核的超级计算机，速度比 50 年前的大型机快 300 亿倍。台式工作站比 50 年前的大型机快数百万倍。因此，设计的数学模型可以更详细，并且可以运行更小的时间步长或更多迭代的分析。参数分析允许在一定范围内改变设计参数或模拟条件。由于这需要多次运行计算，因此随着计算机速度的提高，它们变得更加可行。
最初的单个专用程序正在发展为集成的通用套件。这减少了对模型数据重新输入的需求。通常，数据可以直接从原始设计软件中使用，或者分析结果可以直接反馈回设计程序。对于某些项目，如果通用软件不足，可能仍然需要定制软件。
- 数值分析 - 此类别包括电子表格（用于更简单的分析）、通用数值计算器，例如 Mathworks 的MATLAB 用于更复杂的分析，计算机代数软件，例如 Wolfram Software 的Mathematica 或 Maplesoft 的Maple 用于符号问题，以及为特定领域编写的更专门的程序。Wikipedia 上列出了更详细的数值分析软件。
- 仿真 - 此软件类别分析设计相对于时间或变化条件的行为。它们可以涵盖单一类型的行为，例如机械应力，或多种行为，称为多物理场工具。这些工具可以从同一个源模型连续执行多次分析，或者在某些情况下一次性执行组合效应分析。Wikipedia 上也列出了更详细的仿真软件。
软件资源
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- 多个程序
NASA 开源软件 - 包含 240 个软件项目的存储库。
公共领域航空软件 - 一个网站，提供许多程序、源代码和文档的下载。
航空软件工具库 - 一个链接列表，指向按类别排序的商业软件、政府软件和免费软件。
开放渠道基金会 - 托管了近 300 个主要的技术软件应用程序，包括由 NASA 贡献的COSMIC 集合。
- 飞机设计
CEASIOM - 用于飞机设计的软件包。注册后下载。
- 太空模拟器
Space Engine 0.9.7.2 - 太空模拟软件。
Celestia - 一个 3D 太空模拟器，可用于作为天文馆或任务可视化。
- - Celestia Motherlode - Celestia 的插件集合。
- - Celestia Wikibook - Celestia 软件的在线指南。
设计和制造软件
[edit | edit source]这些是绘图桌的现代替代品。它们包括 2D 和 3D 绘图、3D 建模和插图程序，以及将制造数据直接馈送到工厂机器或供应商的软件。现代显卡和处理器允许以实时或近实时方式直接可视化和操纵设计。如上所述，设计和分析软件类别变得更加集成。设计类别也称为计算机辅助设计 (CAD)。在使用计算机工作站和大型机还是新事物的时候，这句话是用来区分它和传统的手工绘图设计类型的。如今，纸质设计非常少见，因此说它是用计算机完成的基本上是多余的。我们将以下类型的软件按功能分组：绘图、建模和生产。
2D 和 3D 绘图
[edit | edit source]此类别生成一组图纸，这些图纸反过来又由一组线、曲线和文本或附加的注释组成。它们与 3D 模型的区别在于，绘图元素彼此独立存在，而不是形成具有附加的非绘图属性的更复杂的实体。如今，只有较低级别的软件，如AutoCAD LT 或[Solid Edge 2D 被限制为 2D。
3D 建模
[edit | edit source]此类别根据一组链接的点、线、曲线、曲面或体积来定义物体的三维形状。除了形状之外，还可以与物体关联许多其他参数。基元，诸如盒子、圆柱体或球体之类的基本形状，通常用作起点，然后执行各种操作来修改或将它们连接成更复杂的形状。Wikipedia 上列出了大量的3D 建模软件，以下是一些示例：
- Autodesk 产品 - 该公司最初是 Autocad（一种 2D 绘图程序）的开发商，通过收购和开发新软件，现在拥有大量重叠且相互关联的产品。趋势是提供更多集成的兼容程序套件，而不是单独的程序。
- Solidworks 达索系统套件。- 这是一个用于设计、仿真和数据管理的高端商业软件套件。
- FreeCAD 是一款开源 3D 建模程序。
制造软件
[edit | edit source]现代工厂使用广泛的计算机控制来进行操作，而这反过来又需要软件来控制设备。由于每个工厂都不一样，软件通常针对特定应用进行定制。计算机数控 (CNC) 是以这种方式控制的机器类别的名称。这是为了区分它与早期工厂设备的手动控制，以及通过存储的命令进行的中间数值控制，但没有计算机。计算机辅助制造 (CAM) 是使用这些机器的过程，以及用于生成命令和控制机器的软件类别。Wikipedia 上列出了大量的计算机辅助技术 公司和软件项目。
这些是用来帮助制作软件的工具。如今，许多最终产品都需要传感器、数据传输以及内部决策和控制，这需要定制软件来运行。自然地，这种软件是在计算机上开发的，使用**集成开发环境**（IDE），例如**Microsoft Visual Studio**套件。当这种软件在除计算机之外的硬件中运行时，可能需要特殊的测试平台和测试软件来测试目标软件以及它与预期硬件的交互方式。例如，发送到火星的表面漫游车是一个独特的物品。因此，在将软件安装到飞行装置之前，会使用软件模拟和原型进行广泛的测试。
复杂的项目不仅要跟踪工程设计，还要协调许多人的工作，进行预先规划，跟踪生产和成本等。**项目管理软件**旨在帮助完成这些任务。项目管理和文档任务都可以使用通用办公软件套件，例如**Microsoft Office**，它有一个兼容的**Project**程序。一个给定的项目也可以使用专门的程序进行会计、调度、库存跟踪等。维基百科有一个非常全面的列表，比较了各种**项目管理软件**包。还有许多其他商业软件可用。应该认真考虑程序之间的兼容性，以便数据能够在程序之间轻松移动，而不是必须转换或重新输入数据。
此类别用于记录项目中创建的所有数据，以便可以找到、共享、更新和使用它们。
物理仪器和测试设备可以分为两类：那些与其他行业通用的，以及那些独特的太空系统。
太空系统项目使用许多与其他行业相同的项目，在制造、组装和测试期间进行测试、测量和检查。亚马逊的网站在这类项目中列出了很多内容，但还有许多其他来源提供仪器和测试设备。类别包括校准、尺寸测量、电气、电子和软件测试；运动、速度和力；压力和温度、气流和空气质量、检查和测试、光、网络和电缆、记录和数据采集、重量、声音以及表面和硬度。现代趋势是使用直接将数据馈送到计算机存储的设备，因此无需手动记录数据。通用工具，例如用于拆卸检查面板的扳手，也会使用，但通常这些工具来自生产区域，无需专门提供。
太空硬件通常会暴露在两种特殊的环境中。第一个是发射到火箭上，然后是太空中的条件。为了确保硬件能够正常工作，硬件会进行一系列测试来模拟这些环境。这些测试需要特殊的测试舱来再现这些条件。常用的测试舱包括
- 声学舱 - 火箭发动机通过一个收缩部分（发动机喉部）发射高压气体，因此像哨子或风琴管一样工作，产生大量的声响和振动。声响部分在声学舱内用强大的扬声器进行测试，这些扬声器会播放与硬件将要搭乘的发射运载工具相匹配的噪声频谱。
- 振动台 - 来自火箭发动机的快速气流，以及飞行中流过火箭的空气是湍流的，会在运载工具中产生物理振动。这与通过空气传播的声音不同。振动是由一个桌子模拟的，这个桌子以与发射相同的方式固定住硬件。这个桌子用强大的活塞、弹簧和不平衡质量在各个方向移动，以再现太空硬件将要经历的振动水平。
- 零重力部署 - 航天器通常有太阳能板、天线和其他物品，这些物品被折叠起来以适应火箭的有效载荷空间，然后在太空中展开。展开是在零重力下进行的，这是通过侧面进行，并使用配重来消除连接处和机构的重量来模拟的。
- 射频舱 - 大多数航天器通过无线电频率（RF）和天线进行通信。天线操作和与航天器其余部分的连接在射频屏蔽舱和模拟地面站的独立发射器中进行测试。
- 热真空舱 - 太空环境通常处于真空状态。硬件会受到来自接近绝对零度的宇宙背景的寒冷以及来自太阳的热量的影响，而太阳在大气层之上更强烈，或者如果任务比地球更靠近太阳。由于真空不允许热量通过空气传导，航天器的不同侧面可能同时处于高温和低温状态。这些条件在一个大型真空舱内进行测试，该舱配备了冷却的墙壁和强烈的灯，以模拟冷热条件。
除了这些通常用于整个航天器的设备之外，某些仪器可能需要专用设备。例如，**钱德拉 X 射线望远镜**需要一个 300 米长的真空隧道来测试来自光学距离源的 X 射线光学。