第 1.7 節 - 工程專業
在第 1.5 節 - 系統工程中，我們討論了協調大型專案工作的 方法。複雜的太空專案需要比任何個人都多的知識和經驗。此類專案需要團隊合作，不僅因為有很多工作要做，而且因為每個人都提供了不同的技能。對於專案的 設計部分，工程領域被劃分為多個分支，有專門人員專注於更廣泛或更狹窄的部分。專家解決 設計的不同領域以及對給定專案的不同應用領域。
當前大多數太空專案的實際工作都發生在地球上，例如在辦公室、工廠、發射場和控制中心。建造和運營這些地點使用的 工程知識與地球上任何其他大型專案相同。對於專案的 太空部分，許多專業仍然 相關。例如，幾乎所有太空硬體都包含結構部件，它們的設計是機械工程師的領域。未來，更多生產和建設將在太空中進行。這與 現在不同，現在主要是 從地球發射 完成的硬體。因此，採礦和工業工程等其他領域的 重要性將 增加，並將 對太空執行進行適當的 調整。在更遙遠的將來，描述為天體工程 或行星工程 的極大型專案 是 可能的。例子包括地球化改造，使 天體更像地球，或改變大型小行星的軌道。此類 非常大型的專案 大多是 推測性的，除了 人為造成的地球大氣中 CO2 含量 增加了 43%。這 是我們星球的 反地球化改造 - 使 它 比 最初狀態 更不像地球。大型 太空專案 是 解決 此 問題的 一種 方法，如果 問題 變得過於嚴重。此類 非常大型的專案 尚未 作為一個 獨立的 專業 組織起來，但 將 涵蓋 來自 多個 科學和工程領域的知識。
一個 特別的 分支，航空航天工程，專注於 設計和製造 在 空中或 太空中 飛行和 執行的 飛行器和 硬體。我們 先 討論 它，因為它 幾乎 總是 在 一定程度上 參與 太空專案。應該記住，航空航天工程師 是 一個團隊的一部分， 不是 唯一的 技能。儘管 工程有 許多 分支，但 它們 都 建立在 科學和數學 的 共同 基礎之上，所以 它們 之間 存在 一些 重疊。例如，航空航天和 機械工程師 以 與 土木工程師 分析 地面結構相同的方式 分析 太空飛行器結構 的 載荷。它們 不同之處 在於 使用 的 材料、載荷來源 以及 它們 的 執行環境。
本節 的 其餘部分 列出了 其他 與 太空專案 相關 的 主要 工程分支。我們 將 不會 詳細 介紹 它們，但 一個 太空系統設計師，無論是 通才 還是 專家，都 應該 至少 瞭解 除了 他們 自己 的 領域之外 還 存在 哪些 其他 領域。然後 他們 可以 在 需要 時 找到 有關 某個 主題 的 詳細資訊， 或者 找到 專家， 當 它 超出 他們 自己 的 知識 範圍時。對於 那些 想 瞭解更多 特定 領域知識 的人， 一個 起點 是 麻省理工學院 (MIT) 的開放課程資源 網站，該網站 擁有 大量 越來越 多 的 大學水平 開源 課程 材料 (到目前為止 大約 2250 個)。我們 列出了 他們 的 一些 課程，但 它們 不是 唯一 的 來源。其他 資訊 可以透過 以下 連結、本 書末尾 的參考文獻部分 以及 大量 關於 工程主題 的 書籍 找到。
這是 主要 領域， 專注於 設計 在 大氣層和 太空中 執行 的 系統。它 進一步 分為航空學， 涉及 在 大氣層 中 飛行和 執行， 以及航天學， 涉及 在 太空環境 中 旅行和 執行。後者 是 本書 的 主要 主題。有關 此 主題 的 入門 課程 是航空航天工程與設計導論 (MIT)。航空航天工程工作 還 根據 旅行 方式、系統 穿行 和 執行 的 環境 以及 構成 飛行器和 其他 太空硬體 的 內部 子系統 進行 專業 劃分。這些 專業 包括
在 一般 物理學和 工程學 中，動力學 是 物理過程 隨 時間 的 演化。有關 此 主題 的 一般 課程 包括
在 航空航天工程 中，這些 特定 的 動力學 領域 很重要
- 空氣動力學 - 應用 流體和 氣體動力學 知識 到 大氣層 與 主要 是 固體物體（如 飛行器） 的 相互作用。 前往 太空 或 從 太空 返回 的 飛行器 必須 穿過 地球 的大氣層。一些 運輸 方式 還 積極 利用 大氣層， 一些 太空 目的地 有 自己 的 大氣層 需要 導航。高速 和 大氣密度 的 組合 會 產生 很大的 力 和 高溫。這些 必須 在 設計 中 考慮到。大氣 的 自然 運動， 例如 風 和重力波，屬於 航空航天系統 的 執行環境。相關 的 線上 課程 包括
- 天體力學 - 也 被稱為軌道力學， 是 將 彈道學 和天體物理學 應用於 實際 問題。天體物理學 是 天文學 的一個 分支， 它 處理 太空 中 自然 物體 的 運動。 不 使用 推進 系統 或 與 大氣層 或 磁場 相互作用 的 太空系統 遵循 與 自然 物體 相同 的 運動。系統 遵循 的 路徑， 稱為軌跡 或飛行路徑， 可以 透過 在 重力 作用下 的 自然 運動 階段 和 主動 推進 階段 設定 起來。自然 運動 可以 包括 在 物體 之間 滑行， 以及引力彈弓， 即 靠近 更大 物體 以 影響 速度 和 方向 的 近距離 透過。相關 的 線上 課程 是
結構和機構是航空航天系統的承重和機械部件。主要結構承載來自重力、加速度、空氣動力等的主要載荷。次要結構將裝置部件固定在適當位置，這些部件的載荷較小。機構是系統中的活動部件，例如接頭和執行機構。典型的機構包括火箭發動機的轉向機構、太陽能電池板的展開和指向機構。航空航天工程師可以專門從事該設計領域，但他們與結構工程師和機械工程師有很大程度的重疊，這些工程師也處理承重結構。航空航天系統的特定知識涉及高加速度、振動、大溫差範圍和真空暴露等執行條件。它還涉及節省重量的專用材料。這些材料用於提高效能和降低專案成本。該系統背後的知識包括材料科學，涵蓋材料在原子尺度上的結構與其更大尺度特性之間的關係，以及材料在特定應用中的選擇。它還包括固體力學，即連續固體材料在外部作用（如力、溫度變化或施加的運動）下的行為。結構和機構的現代設計通常使用計算機輔助軟體進行，並且越來越多的整合到流程中。這從定義零件形狀到分析和模擬、最佳化，然後將設計檔案提交給計算機控制的工廠裝置進行生產。設計完成後，通常會建造一個結構測試件來證明物理版本能夠承受所有設計條件。與本主題相關的線上課程包括
電力系統
[edit | edit source]該系統專門關注電力供應以及加熱器和電機等電氣系統，特別是航空航天系統。它與電氣工程（更一般的學科，見下文）有重疊。一些太空裝置需要短時間內的高功率，例如在化學火箭發射期間。這可以透過使用渦輪機和化學燃料的輔助動力裝置來實現。對於更長期的需求，目前使用太陽能電池板和有時使用核源。為太空專案選擇電源需要了解其執行環境、無需維護的長期執行需求以及其他特殊條件。電力產生後，可以暫時儲存在電池等裝置中，並且在所有情況下都透過佈線進行分配，並配有故障保護、開關、調節和控制。
推進系統
[edit | edit source]推進系統通常包括一個電源和將此電源轉換為推進力的裝置。這些系統的目的是在一定距離內移動人員或貨物，通常作為車輛的一部分，即人工載體。空間推進是指適用於太空專案的推進方法。其中一些方法僅在太空中有效。另一些方法可以在大氣層中或物體表面工作，與地球上使用的類似方法類似。本書第二部分列出了各種太空運輸方法。並非所有方法都涉及配備推進系統的車輛。對於使用推進系統的車輛，可以使用化學、電氣、核能和其他電源。因此，各種工程專業都參與了其設計。航空航天推進工程師在一種或多種太空運輸方法方面具有特定經驗，而不是在地球上使用的運輸方法方面。與本主題相關的線上課程包括
熱力系統
[edit | edit source]熱力系統的功能是將太空系統所有部件保持在可接受的溫度範圍內。這包括利用其固有屬性起作用的被動方法，例如絕緣、塗層、熱耦合器和隔離器、反射器和放射性同位素加熱器。主動方法使用電加熱器、傳熱流體和散熱器面板、機械百葉窗和熱電冷卻器等裝置。
空氣和太空環境以及內部系統的執行會產生溫度的大幅波動。主要的自然熱源是太陽，由於沒有大氣，太陽在太空中名義上強 36%，但強度會隨著距離而變化。次要熱量可能來自附近大型物體的反射或熱輻射。主要的熱量損失來源是宇宙背景，它位於所有方向的天空中，位於單個前景物體之後。它主要由宇宙微波背景和宇宙紅外背景組成。它們的組合有效溫度約為絕對零度以上 3 K，即 -273 C。這比大多數太空硬體要冷得多，因此更多熱量從背景中損失，而不是從背景中獲得。除了自然環境外，構成太空系統的執行硬體會產生熱量或非常冷。例如，推進系統既能產生熱量，例如在火箭發動機中產生大量的熱量，也能非常冷，例如在推進劑罐中產生低溫。
熱控制工程師分析航天器環境和執行情況以確定會出現的溫度。如果硬體加上自然熱量導致不可接受的溫度，則需要進行熱控制，而這些工程師會幫助設計解決方案。熱傳遞通常是物理學中的一個主題，由機械工程師（見下文）作為設計任務來解決，但航空航天中的特定問題和條件需要專門的解決方案。一些相關的線上課程包括
控制系統
[edit | edit source]控制系統工程是將控制理論應用於設計具有所需行為的主動系統的專業。由於大多數太空系統都具有主動部件，因此它們也需要控制元件。這些元件包括感測器和儀器，用於檢測當前狀態；用於傳輸、儲存和處理由此生成的資料的裝置；用於生成適當響應的方法；以及用於將命令傳輸到系統其他部分的方法。這些命令由執行機構執行，例如火箭發動機中控制燃料流動的閥門。通常，控制系統以閉環方式執行。這是指檢測狀態、處理資料、釋出命令，然後多次檢測新狀態的迴圈。航空航天控制系統的製造部件通常被稱為航空電子裝置，即“航空電子裝置”的簡稱，即使它們用於太空系統。“人機閉環控制系統包括將人作為其操作的一部分。例如，飛機駕駛員使用他們的眼睛、大腦和手作為控制環的一部分。
控制系統用於從交通燈到化工廠的各種裝置，因此該學科被教授給各種工程師。航空航天控制專家處理空氣和太空操作的特定問題，例如火箭飛行控制或太空系統機器人手臂控制。一些相關的線上航空航天課程包括
太空環境
[edit | edit source]太空環境與地球相比，擁有許多顯著不同的條件。這些條件必須在太空系統的設計中考慮，因此需要環境對系統和人員影響方面的專家。太空環境包括所有可能影響系統的外界因素——例如自由落體（零重力）或低重力；真空、稀薄或不同的氣體，這些氣體會導致阻力、侵蝕或靜電荷，以及巨大的溫度波動。對人類和太空硬體的特定危險是太空獨有的。它們包括
對太空環境的研究是天文學的一部分，特別是天體物理學和行星科學。這些領域從太空科學任務中獲益匪淺，這些任務使人們能夠直接測量環境。環境影響工程師通常先來自科學領域，然後將他們的知識應用於太空專案。或者，他們從工程專業開始，然後新增相關的科學知識，通常是在研究生階段。
生命保障系統
[edit | edit source]太空環境通常對人類和生命總體來說是惡劣的。對於涉及生物的太空專案，需要一個生命保障系統來提供合適的條件。基本結構包含一個大氣層，熱控系統將溫度保持在可居住範圍內。這些在之前已經涵蓋過了。除此之外，人類還需要合適的大氣混合物、水和食物。由於封閉的環境，液體、固體和氣態廢物（尤其是CO2）必須清除，既來自人，也來自其他系統操作，並且必須控制微生物。在自由落體條件下，空氣不會透過對流迴圈，因此需要迴圈風扇來防止有害氣體濃度積累的“死區”。生物系統可以用於迴圈廢物和供應食物，就像它們在地球上一樣，但這仍處於早期研究階段。迄今為止，大多數生命保障系統使用一次性食物供應，並且對其他材料的回收利用有限。
生命保障系統的工程是一個跨學科領域，涉及生物學和機械系統。因此，專家來自生物工程和機械工程等領域（見下文）。他們通常在工作中學習生命保障的具體設計，因為太空生命保障的例子太少了，因此還沒有形成教育路徑。相關的研究在飛機、高海拔攀登和水下作業方面有所進行。生命保障系統可以足夠大到容納許多人，也可以足夠小到適合一個人使用，例如宇航服。
人因工程
[edit | edit source]人因工程，也是設計的一個方面，它考慮了系統與其使用人員之間的互動作用。人們無法像硬體一樣被設計，因此係統設計必須適應他們的能力和侷限性。人們可能是被動的，比如飛機乘客，也可能是主動的，比如飛行機組人員。該領域的研究主題包括身體、認知和組織互動。由於太空中獨特的條件，比如必須在零重力和笨重的宇航服中進行維修，或者與地面上的大型支援團隊合作，因此各個研究主題在航空航天領域變得越來越重要。人因工程還包括諸如如何在零重力或高加速度下設計控制輸入和資訊顯示，以及如何在長時間任務中保持機組人員培訓等主題。
人因設計起源於人們製造工具的年代，因為工具必須適合我們的手，以及我們揮動它們的力量。現代發展借鑑了心理學、工程學、生物力學、工業設計、生理學和人體測量學等學科。相關線上課程是
模擬與測試
[edit | edit source]航空航天系統通常很複雜，因此很昂貴。它們執行的環境和操作條件不同於地球表面通常發現的環境和操作條件，並且故障可能是災難性的。因此，為了確保基本功能、安全、可靠性和滿足設計要求，模擬和系統測試專業應運而生。
模擬包括早期的數學和計算建模，以及物理比例模型或功能模擬器。它們再現了系統的某些重要方面，但不使用實際的硬體和軟體產品。測試使用實際材料、元件、子系統，直至完成的產品。測試可以在模擬環境中進行，例如真空室，或者在實際執行環境中進行。對於完整的航空航天器，後者被稱為飛行測試。對於非常龐大複雜的系統，例如國際空間站，無法對其進行整體測試。相反，它的部件在地面上進行了測試，進行了廣泛的分析，並且必須能夠根據需要修復和更新部件。
硬體和軟體測試計劃理想情況下應在專案早期開始。這些領域的專家通常來自各自的設計領域，以及系統工程經驗。
其他工程專業
[edit | edit source]以下是工程領域按專業劃分的重大傳統分類，按字母順序排列。知識本身並沒有這樣的分類，而是人類出於歷史和教學目的而建立的。一位工程師可能擁有跨越多個專業的知識和經驗，也可能只專注於一個專業內的狹窄領域。在上面列出的航空航天工程專業內的課程中，較大的工程領域往往擁有整個學術系，甚至整個機構專門從事這些領域。
生物工程
[edit | edit source]生物工程，或“生物工程”，將生物科學的知識應用於滿足人類需求。這包括生產食物、材料、能源，維護人類健康和自然環境。作為一個工程領域，它自 1960 年左右以來發展迅速，這是因為對遺傳學的理解不斷加深，以及操縱遺傳學的工具不斷發展。麻省理工學院生物工程系列出了關於此主題的許多開放課程。
- 農業
農業工程 是生物工程的一個分支，主要關注土地上生產的食物、木材、纖維、生物燃料、醫藥和其他物質產品。作為一項人類活動，農業 可以追溯到文明的起源。作為一項基於科學知識的活動，它在過去的 200 年中得到了極大的改進，並作為一個工程領域，可以追溯到 1900 年左右。在太空中種植植物還處於早期實驗階段。預計未來幾十年，這一領域將大幅增長，因為種植食物和其他產品，以及副產品氧氣的生產，將大大減少對地球供應的依賴。
- 生物醫學工程
生物醫學工程 將工程原理和設計理念應用於醫學和生物學，用於醫療保健目的。這是一個相對較新的領域，非常注重研究和開發。對於太空專案，它被應用於保持機組人員和實驗動物的良好狀態，也是一個研究太空條件影響的學科。
化學工程 是將物理科學、生命科學以及應用數學和經濟學應用於化學品、材料、能量和有用產品的生產、轉化、運輸和正確使用。這是一個廣泛的領域，有很多專門的分支，通常在像麻省理工學院化學工程系這樣的學校提供完整的課程。從歷史上看，它與太空專案的相關性在於為火箭提供推進劑，以及用於建造火箭及其有效載荷的合金和其他材料。未來，從太空地點提取燃料和其他產品將需要改造後的化工廠。
土木工程 涉及到建築環境的設計、建造和維護，包括道路、橋樑、運河、水壩和建築物。作為一種經驗實踐，它與文明 一樣古老（這兩個詞都源於拉丁語 civitas，即城市）。作為一門科學和技術領域，它始於 1800 年左右。到目前為止，對於太空專案，它主要與地球上的工廠位置和發射場有關。未來，它將被應用於地球以外地方的建設。作為較古老的工程領域之一，它通常提供完整的課程，例如麻省理工學院土木與環境工程系。土木工程的分支包括環境工程、岩土工程、結構工程、交通工程和水資源工程。由於所有用於建造的材料都必須從自然環境中獲得，因此它與採礦工程（見下文）密切相關。
電氣工程 涉及到電氣、電磁和電子學領域的應用。它在大約 1850 年後成為一個可以識別的領域。大多數太空系統都具有電氣元件，上面在航空航天工程下列出了專門的方面。更一般的電氣工程在今天被用於為太空專案的辦公室、工廠和發射場提供電力。它也被用於計算機硬體、軟體和通訊網路，用於太空系統的開發和執行。未來的應用包括電力發射和空間推進方法，以及來自軌道的太陽能傳輸。作為一個較大的領域，它擁有各種課程，例如麻省理工學院電氣工程與計算機科學系。
工業工程 涉及到最佳化複雜流程或系統，以及提高企業生產率、質量、效率和盈利能力。傳統上它包括工業生產系統（工廠）的規劃，但其範圍已經擴大到各種複雜的運營。工業工程的特點是關注整個企業和供應鏈，而製造工程（機械工程的一部分）關注的是單個生產機器和任務。
機械工程 應用物理學和材料科學的原理來設計、分析、製造和維護機械系統。上面在航空航天工程下列出了用於太空的專用機械系統。其他專業包括聲學、製造、熱力學、運動、車輛、電力和能源工程。渦輪泵和閥門等機械系統是火箭發動機的核心部件。車輪、懸掛、驅動電機和機械臂使漫遊車能夠在行星表面執行復雜的任務。作為現代技術領域，機械工程自 1800 年左右開始發展，當時出現了機床 和驅動它們的發動機。作為當今最大的工程領域之一，它擁有非常廣泛的課程，例如麻省理工學院機械工程系。
採礦工程 關注從自然環境中開採和加工礦物。現代文明使用大量的材料。因此，該工程領域以及密切相關的科學領域已經發展起來，以支援這些用途。目前，地球上的採礦與太空專案沒有直接關係，因為原材料通常由中間工廠和裝置進行加工，然後再用於建造硬體。隨著整合和自動化生產系統的開發，這種情況可能會改變。在太空中，開採材料具有重要意義，可以避免從地球發射的高能量和財務成本，並提供新的材料和能源來源。太空採礦仍處於研究和早期發展階段。
核工程 關注核裂變和核聚變等核過程的應用。這些過程可以釋放大量的能量。在地球上，主要用途是在核反應堆 中發電。一些當今的太空任務攜帶基於放射性衰變的能源。未來，裂變反應堆，甚至可能還有聚變反應堆，可以在太陽能不足的情況下提供電力。核工程涉及高能輻射，這也是自然太空環境的一部分。雖然這是一個相當新的領域，可以追溯到 1940 年代，但它已經發展了廣泛的專門知識，例如麻省理工學院核科學與工程系的課程。
軟體工程 是將工程方法系統地應用於軟體的設計、開發和維護的學科。軟體是指計算機使用的可變指令和資料。這個領域比較年輕，大約從 1950 年開始發展，但由於計算機硬體和電子裝置的快速發展，它迅速發展起來。軟體是現代太空專案的不可或缺的一部分，從使用生產力軟體進行初始概念的制定，到收集和分析任務資料以及控制遙控航天器。幾乎所有工程師都使用軟體，許多工程師在其他專業領域工作時也會開發軟體。但是，建立複雜的可靠軟體（其錯誤可能導致人員傷亡或昂貴的系統損失）需要專門的團隊進行專門的任務。軟體工程與計算機科學密切相關，他們的教學通常在同一個課程體系中進行，例如在麻省理工學院電氣工程與計算機科學系。