第1部分：科学与工程基础
太空系统的设计和开发是航空航天工程的一部分，而航空航天工程又是更广泛的工程学学科中的一个专业领域。总的来说，工程学是从数学和科学中创造性地应用知识来实现有益目标。因此，第二卷的第一部分回顾了这些学科的基础知识。我们最关注的是适用于太空系统的部分，但绝不涵盖这些知识领域的全部内容。
本书后面介绍的技术、项目和计划主要针对希望更深入了解或实际参与未来太空项目的人员。我们假设读者具备中等教育（高中）或大学一年级科学或工程水平的数学和科学基础知识。如果你没有这样的背景，可以从在线资源中获取。这些资源包括来自CK-12基金会和开放教科书库的开源教科书，以及来自可汗学院的视频讲座。传统的印刷书籍和课程也同样可用。
我们试图使本书中的讨论保持在入门级工程水平。它并非对任何主题的全面调查。在许多情况下，细节过多，无法全部容纳。在其他情况下，技术水平过于高级，而在某些未来技术和项目中，想法尚未完全发展。因此，在整个过程中引用了其他书籍、文章和材料，包括在参考文献部分。
这些卷册所属的种子工厂项目已为成员编制了一个广泛的参考书库，但未经许可，我们无法分享其中的受版权保护的作品。我们可以提供一个图书馆内容清单（pdf文件）并分享我们有权分享的项目。对于其余部分以及我们图书馆以外的其他作品，您可以使用一般的图书馆和信息来源。这些包括互联网档案、美国国会图书馆和馆际互借、Wikibooks的姊妹项目（←请参见本页面左侧边栏）、YouTube等网站上的教程视频以及新旧书商。鼓励读者更深入地研究任何感兴趣的主题。
下面的第2-5节介绍了数学、科学、工程学以及一些设计原则领域，以及它们与太空项目的关系。第1部分的其余章节将更详细地介绍这些主题。
数学对科学和工程的重要性可以用一句话概括
我们的宇宙似乎遵循数学规律。
我们的意思是，数学公式和计算得出的结果与我们观察现实世界时看到的结果相符。这是一个非常强大的情况，因为我们可以在观察之前进行计算，甚至在某些事物存在之前，从而预测未来。
为什么数学在描述现实方面如此有效是一个哲学问题，我们还没有很好的答案。尤金·维格纳在1960年的一篇文章中指出了这一点，文章标题为数学在自然科学中的不合理有效性（pdf文件），这也在维基百科文章中进行了讨论。无论原因如何，它在实践中确实有效。这使我们能够做到，除其他事项外，设计出能够按预期工作的系统。
最早的预测例子之一是太阳、月亮和行星在天空中运行的轨迹。即使在古代，人们也能够预测它们在未来的位置。这些预测带来了有用的结果，比如知道何时种植庄稼。季节是由地球的自转轴倾斜和绕太阳运行引起的。古代人并不知道这一点，但他们的历法和日子的计算仍然有效。从经验和实验中获得的w:实证证据 实证知识仍然有用，即使其背后的科学尚不清楚。
数学预测与现实世界的匹配不仅仅是普遍的。在许多情况下，它可以精确到令人惊叹的程度。如今，我们可以以惊人的精确度预测太阳系天体的运行轨迹。例如，2012年好奇号探测器登陆火星，在经过5.66亿公里的旅程后，其着陆点距离预期位置仅2公里。如果没有预测航天器的轨迹以及在旋转和移动的行星上着陆点的未来位置到40亿分之4的精度，这是不可能实现的。
在工程中使用数学的进一步例子在我们周围随处可见。每一栋高楼大厦和桥梁都依赖于一个简单的数学关系，即强度必须大于所有载荷之和。在设计此类结构时，您会计算强度，并计算载荷，然后确保前者大于后者。这种方法有效性的证明是高层建筑和桥梁很少倒塌。
与其他工程领域一样，太空系统工程也使用数学公式和计算。它们要么源自科学，要么源自工程实践经验和测量。我们在本书中介绍了许多这些公式和计算。为了充分利用它们，最好具备以下学科的基本知识（提供了入门教科书的链接）
- 代数 - 如何操作代数公式以及如何在给定输入值的情况下获得数值答案、公式和函数与图形的关系以及指数和多项式。
- 几何学 - 几何形状和角度的类型，以及如何计算二维和三维形状的尺寸（周长、面积和体积）。
- 三角学 - 基本三角函数及其作图、向量和极坐标。
- 概率与统计 - 平均值、随机误差、分布和回归的概念。
更高级的数学主题，例如数学分析、微积分及其他主题有助于理解公式的推导过程或解决工程中更复杂的问题。对于像这样的一本入门书籍，它们大多是不需要的。
科学是一个系统性的事业，以可检验的解释和预测的形式构建和组织关于宇宙的知识。这些预测通常以数学公式和计算结果的形式出现。人们追求科学的部分原因是，对宇宙的了解满足了人类的兴趣和好奇心。但事实证明，了解事物如何以及为何运作在某种程度上是有用的。
我们事先不知道哪些知识最终会变得有用，因此科学家们总体上研究一切。知识是一个无缝的整体，但从其历史以及出于教学和研究的目的，它被划分为不同的分支，依据研究对象的不同而划分。与太空系统最相关的分支包括
- 物理学 - 这是研究物质和能量的力和相互作用、这些相互作用的结果以及事物的基本规律和组成部分的学科。
- 天文学 - 这是研究地球大气层以外的天体和现象的学科。所有太空系统都在这里运行，因此它具有高度的相关性。行星科学尤其研究围绕恒星运行的凝聚态天体。
- 化学 - 这是研究从原子、分子到更大尺度的物质，以及它们如何反应及其物理性质的学科。
- 生物学 - 这是研究生命本身的学科，这对于包括生物（特别是人类）的太空项目来说至关重要。
至少对上述科学领域有基本的了解对于从事太空系统工作非常有用，因为它们的工程和设计都是从这些知识中推导出来的。根据项目的类型，其他领域也可能被证明是有用的。除了特定的科学分支之外，了解科学方法也很重要。这是产生想法、进行实验和观察以检验这些想法，然后验证或拒绝这些想法的地方。
同行评审、统计和可重复性是确保观察和结论可靠的一些方法。科学永远无法达到绝对真理，只能不断增强对特定解释的信心。经过充分检验的思想会加入被认为已解决的知识体系，但它们始终可能被更好的数据和思想修改或取代。收集这些数据并产生新的思想是科学进步的方式。
数学和科学是为了自身发展以及预测未来能力而发展起来的。工程学将从科学和经验中积累的知识应用于有益的目的。这是通过设计、建造和运行系统来执行预期功能实现的。
如果您之前没有工程学背景，或者特别是在空间系统方面没有背景，您可能希望从像工程学 - 高中入门（CK-12基金会出版）这样的书籍开始学习。您可以在维基百科的工程学概述中参考的文章以及本书参考文献部分的一些书籍中获得更多背景知识。
简单项目和系统可以通过一到多人利用其知识和经验直接设计。当项目非常复杂时，例如空间系统通常的情况，会使用诸如系统工程和其他项目管理工具和技术在整个项目中组织和优化工作。系统工程和项目管理将在第1.5章中更详细地介绍。
积累的工程知识总量过于庞大，任何一个人都只能掌握其中的一小部分。因此，工程学通常被划分为主要的专业领域，每个领域都有自己的培训路径。它始于科学和数学的共同基础，然后专注于特定的应用领域，例如采矿、化学、机械和电气工程。
在职工程师通常会进一步专门化他们的研究和经验。他们或他们工作的组织根据每个项目的需要被征用。这比为每个可能的学科领域配备全职人员更有效率。被征用的专家也因为参与过类似项目而拥有更多该领域的经验。由于参与项目的团队不是永久性的，因此如何管理他们的互动变得很重要。项目组织将在第1.8章中介绍。
航空航天工程是与空间系统最相关的专业。空间系统是在空间环境中运行的项目，就像船舶和飞机在水中或空中运行一样。特定的环境会对事物的设计方式产生影响。但它们都依赖于相同的知识基础，例如力学、材料科学和热力学。
一个复杂的空间项目将使用来自多个专业领域的工程师，例如机械、化学和电气工程。这除了专门从事适用于太空的方法和环境的航空航天工程师之外。我们在第1.7章中识别了这些和其他专业，但将专注于适用于太空的学科。对于感兴趣的人，还有许多关于其他专业的资料来源。
通过培训和经验，工程师培养了一种对什么有效或无效以及如何优化设计的直觉。部分原因是通过适用于其专业的广泛原则。我们在这里注意到一些对空间系统更重要的原则。这些和其他原则将贯穿全书，我们会尽量突出它们。
- 地球与太空 - 在地球上，运输涉及各种摩擦，大多数物体相对于彼此缓慢移动。因此，能量和成本与距离成正比，但与时间无关。太空是一个几乎没有摩擦的介质，物体相对于彼此以相对较高的速度运动。因此，难度和成本更多地与动能和势能相关，这决定了您遵循的路径。它也更多地取决于您开始的时间而不是绝对距离，因为太空中的一切都处于相对运动状态。太空中的距离通常比地球上的距离大得多。
- 非线性 - 与空间系统相关的许多公式和变量的值都取幂或指数。因此，一项任务的难度与预期目标的大小之间没有一一对应的关系。这被称为非线性系统。理解非线性的方向和程度非常重要，因为这可以极大地帮助或阻碍特定任务。其中一个例子是大气压强，它随着高度呈指数下降，空气阻力也相应下降。
- 不确定性和裕度 - 尽管某些值（例如行星的轨道）已知相当准确，但没有任何物理参数可以绝对准确地知道。任何由人类建造的东西都将在一定程度上偏离设计定义的理想状态。自然环境也可能随时间推移不均匀地偏离测量的平均值。例如，火星大气层的三分之一会在季节性地冻结在两极，从而降低全球气压。
- 工程设计必须考虑环境中的这些不确定性以及设备的建造和使用方式。一种方法是使用设计裕度，使其超出预期条件，并且大于不确定性。使用多少裕度取决于成本、经验和设计的用途。例如，客机通常比无人驾驶飞机具有更高的裕度，即使两者都是飞机。