第 1.6 節 - 工程工具
太空系統工程師使用各種工具來完成工作。其中最重要的工具是他們自己的知識和經驗，我們希望這本書能幫助提升這方面的知識和經驗。工作內容包括為專案製作設計；然後將設計和其他資訊記錄在可以與他人共享的格式中，或供計算機和機器作為輸入使用。對於簡單或早期階段的工作，一些參考書、一臺科學計算器和一疊方格紙可能就足夠了。對於今天完成的大部分工作，他們通常需要各種資料來源、計算機工作站和更強大的超級計算機或網路以及專用軟體。當工作從設計階段過渡到研發、原型製作、製造和測試階段時，他們通常會使用物理工具和專用測試裝置來測量效能並收集資料。
任何工程設計都離不開某種形式的輸入資料。它可以從內部確定，但更常見的是從外部來源獲取。資料型別包括
- 工程規範和標準 - 這些是指定設計所需或可接受方法和特徵的文件。例如，建築規範 體現了在如何設計和建造安全可靠的建築物方面積累的經驗。政府對建築規範的採用賦予了它們法律效力 - 必須遵守這些規範。技術標準 是正式檔案，它們建立了統一且可接受的工程標準，必須遵循。例如，ASTM 標準 規定了鋼的成分和強度，本身沒有法律效力，但允許鋼材供應商和工程師協同工作，因為雙方都知道特定合金等級的預期結果。標準可以作為法律、法規或合同中的引用內容進行納入。大型工程組織可以根據自身經驗制定自己的內部設計標準，以便獲得更一致的結果，並可以對新員工進行培訓。
- 手冊、教科書、專著和期刊 - 手冊是特定工程領域中實用資訊的彙編。它們通常由多位作者撰寫，並定期更新。一個例子是航天技術手冊。對於學生來說，手冊通常非常昂貴，因此建議找到二手書或圖書館館藏。教科書旨在教授某個科目，就像這本華夏公益教科書一樣。專著的意思是“單一作者”，由一位或少數作者撰寫的書籍。它們通常是關於高階主題、主要研究或原創學術成果的。期刊是定期出版物，包含比專著更短的文章，報告新的研究或評論現有技術水平。有大量的書籍和期刊涵蓋每個工程主題，因此，個人除非是從事非常狹窄的專業領域，否則收集它們是不切實際的。一個好的技術圖書館可以提供訪問所有這些作品的途徑。
- 供應商資料 - 高效設計的基本規則之一是，如果其他人已經有了，就不要重複設計。許多設計將包含已經存在並由其他人制造的部件或子系統。這些專案的供應商有關於其供應產品的文獻和文件，並且經常會就其產品的使用提供諮詢。
- 線上資料來源 - 如今，大量資料都線上，但質量參差不齊。由於不正確的資料會導致太空系統故障，因此應仔細選擇這些資料來源以確保其質量。線上資料也變化很快，因此我們提供的任何連結很快就會過時。一個好的方法是使用搜索引擎，並瞭解如何定義搜尋詞以獲得特定的結果。
從歷史上看，工程師在大型繪圖桌或辦公桌上工作，在那裡他們可以製作代表設計的圖紙和文件。這種方法在很大程度上已被計算機工作站取代，原因有以下幾點：計算機系統比基於紙張的方法可以更快地傳達變更。它們可以以三維形式表示設計，而這在二維紙張上很難實現。最後，計算機可以比手工方法更好地執行設計的分析和模擬。曾經，大型機和工程工作站是專門的昂貴裝置。如今，基本工作站的硬體可能與普通臺式計算機沒有什麼區別，儘管更強大的計算機仍然用於密集計算。與工作站硬體同樣重要的是在其上執行的專用軟體以及將它們相互連線到生產和測試區域以及外部世界的網路。
- 工作站 - 如今，工程工作站僅僅是普通的計算機，其規格足以執行工程軟體或遠端訪問效能更高的叢集。高階工作站可能有兩個或多個處理器晶片，每個晶片都有 6 個或更多個 CPU 核心。它們還可以包含多達 4 個基於圖形技術的圖形卡或平行計算附加卡。這些用於大規模平行計算。通常使用多個大型顯示器，以及相對大量的記憶體和硬碟儲存空間。效能中等的工作站的規格類似於現代遊戲系統，因為遊戲圖形和工程計算都依賴於進行大量的計算。即使是效能相對強大的工作站，與工程師的薪水相比也不算貴（它們執行的軟體是另一回事），因此硬體的選擇更多地取決於執行所需軟體的能力，而不是成本。
- 儲存伺服器 - 在處理複雜專案時，涉及的資料量可能會超過單個工作站的儲存能力，並且應在意外刪除或硬體故障的情況下進行備份。儲存伺服器的主要任務是儲存額外資料，以便專案團隊中任何需要的人都可以訪問這些資料。其中包括設計、測試和模擬資料的歷史版本，這些資料可能非常龐大。
- 高效能叢集 - 某些型別的工程計算需要比單個工作站中可以合理安裝的速度更快的速度。高效能叢集，也稱為超級計算機，將多個計算機晶片分組到機架中，並在它們之間建立高速資料連線。它們執行專門設計的軟體以利用這種硬體，速度最快的叢集代表了現存最強大的單臺計算機。當核心之間高速傳輸的需求沒有那麼大時，可以使用分散式計算 方法。它利用多個計算機組成的網路，或利用多個工作站的閒置計算能力，無論是在非工作時間還是利用工作站主要使用者不需要的額外處理能力。
計算機軟體
[edit | edit source]如上所述，工程師通常使用專門的軟體來幫助他們完成工作。具體軟體將根據正在執行的任務而有所不同。軟體通常快速發展，因此我們將根據類別對其進行討論並提供一些示例。如果在實際專案中工作，設計人員應找出當時最適合的軟體和最新版本。在某些情況下，沒有現有的軟體完全適合，並且需要修改或全新的軟體。
分析和模擬軟體
[edit | edit source]歷史上，數值分析依賴於使用計算尺和效能表等手動方法。隨著數字計算機的出現，用數學導向語言（如 FORTRAN）編寫了專用程式。這些程式執行計算的速度遠遠快於手工操作，但仍然受到限制。早期計算機的處理速度和記憶體容量限制了數學模型的複雜性以及在合理時間內可以執行多少計算。2016 年最快的可用處理器，它們從大型機發展到具有多個並行核心的超級計算機，速度比 50 年前的大型機快 300 億倍。臺式工作站比 50 年前的大型機快數百萬倍。因此，設計的數學模型可以更詳細，並且可以執行更小的時間步長或更多迭代的分析。引數分析允許在一定範圍內改變設計引數或模擬條件。由於這需要多次執行計算，因此隨著計算機速度的提高，它們變得更加可行。
最初的單個專用程式正在發展為整合的通用套件。這減少了對模型資料重新輸入的需求。通常，資料可以直接從原始設計軟體中使用，或者分析結果可以直接反饋回設計程式。對於某些專案，如果通用軟體不足，可能仍然需要定製軟體。
- 數值分析 - 此類別包括電子表格（用於更簡單的分析）、通用數值計算器，例如 Mathworks 的MATLAB 用於更復雜的分析，計算機代數軟體，例如 Wolfram Software 的Mathematica 或 Maplesoft 的Maple 用於符號問題，以及為特定領域編寫的更專門的程式。Wikipedia 上列出了更詳細的數值分析軟體。
- 模擬 - 此軟體類別分析設計相對於時間或變化條件的行為。它們可以涵蓋單一型別的行為，例如機械應力，或多種行為，稱為多物理場工具。這些工具可以從同一個源模型連續執行多次分析，或者在某些情況下一次性執行組合效應分析。Wikipedia 上也列出了更詳細的模擬軟體。
軟體資源
[edit | edit source]
- 多個程式
NASA 開源軟體 - 包含 240 個軟體專案的儲存庫。
公共領域航空軟體 - 一個網站，提供許多程式、原始碼和文件的下載。
航空軟體工具庫 - 一個連結列表，指向按類別排序的商業軟體、政府軟體和免費軟體。
開放渠道基金會 - 託管了近 300 個主要的技術軟體應用程式，包括由 NASA 貢獻的COSMIC 集合。
- 飛機設計
CEASIOM - 用於飛機設計的軟體包。註冊後下載。
- 太空模擬器
Space Engine 0.9.7.2 - 太空模擬軟體。
Celestia - 一個 3D 太空模擬器，可用於作為天文館或任務視覺化。
- - Celestia Motherlode - Celestia 的外掛集合。
- - Celestia Wikibook - Celestia 軟體的線上指南。
設計和製造軟體
[edit | edit source]這些是繪圖桌的現代替代品。它們包括 2D 和 3D 繪圖、3D 建模和插圖程式，以及將製造資料直接饋送到工廠機器或供應商的軟體。現代顯示卡和處理器允許以即時或近即時方式直接視覺化和操縱設計。如上所述，設計和分析軟體類別變得更加整合。設計類別也稱為計算機輔助設計 (CAD)。在使用計算機工作站和大型機還是新事物的時候，這句話是用來區分它和傳統的手工繪圖設計型別的。如今，紙質設計非常少見，因此說它是用計算機完成的基本上是多餘的。我們將以下型別的軟體按功能分組：繪圖、建模和生產。
2D 和 3D 繪圖
[edit | edit source]此類別生成一組圖紙，這些圖紙反過來又由一組線、曲線和文字或附加的註釋組成。它們與 3D 模型的區別在於，繪圖元素彼此獨立存在，而不是形成具有附加的非繪圖屬性的更復雜的實體。如今，只有較低級別的軟體，如AutoCAD LT 或[Solid Edge 2D 被限制為 2D。
3D 建模
[edit | edit source]此類別根據一組連結的點、線、曲線、曲面或體積來定義物體的三維形狀。除了形狀之外，還可以與物體關聯許多其他引數。基元，諸如盒子、圓柱體或球體之類的基本形狀，通常用作起點，然後執行各種操作來修改或將它們連線成更復雜的形狀。Wikipedia 上列出了大量的3D 建模軟體，以下是一些示例：
- Autodesk 產品 - 該公司最初是 Autocad（一種 2D 繪圖程式）的開發商，透過收購和開發新軟體，現在擁有大量重疊且相互關聯的產品。趨勢是提供更多整合的相容程式套件，而不是單獨的程式。
- Solidworks 達索系統套件。- 這是一個用於設計、模擬和資料管理的高階商業軟體套件。
- FreeCAD 是一款開源 3D 建模程式。
製造軟體
[edit | edit source]現代工廠使用廣泛的計算機控制來進行操作，而這反過來又需要軟體來控制裝置。由於每個工廠都不一樣，軟體通常針對特定應用進行定製。計算機數控 (CNC) 是以這種方式控制的機器類別的名稱。這是為了區分它與早期工廠裝置的手動控制，以及透過儲存的命令進行的中間數值控制，但沒有計算機。計算機輔助製造 (CAM) 是使用這些機器的過程，以及用於生成命令和控制機器的軟體類別。Wikipedia 上列出了大量的計算機輔助技術 公司和軟體專案。
這些是用來幫助製作軟體的工具。如今，許多最終產品都需要感測器、資料傳輸以及內部決策和控制，這需要定製軟體來執行。自然地，這種軟體是在計算機上開發的，使用**整合開發環境**（IDE），例如**Microsoft Visual Studio**套件。當這種軟體在除計算機之外的硬體中執行時，可能需要特殊的測試平臺和測試軟體來測試目標軟體以及它與預期硬體的互動方式。例如，傳送到火星的表面漫遊車是一個獨特的物品。因此，在將軟體安裝到飛行裝置之前，會使用軟體模擬和原型進行廣泛的測試。
複雜的專案不僅要跟蹤工程設計，還要協調許多人的工作，進行預先規劃，跟蹤生產和成本等。**專案管理軟體**旨在幫助完成這些任務。專案管理和文件任務都可以使用通用辦公軟體套件，例如**Microsoft Office**，它有一個相容的**Project**程式。一個給定的專案也可以使用專門的程式進行會計、排程、庫存跟蹤等。維基百科有一個非常全面的列表，比較了各種**專案管理軟體**包。還有許多其他商業軟體可用。應該認真考慮程式之間的相容性，以便資料能夠在程式之間輕鬆移動，而不是必須轉換或重新輸入資料。
此類別用於記錄專案中建立的所有資料，以便可以找到、共享、更新和使用它們。
物理儀器和測試裝置可以分為兩類：那些與其他行業通用的，以及那些獨特的太空系統。
太空系統專案使用許多與其他行業相同的專案，在製造、組裝和測試期間進行測試、測量和檢查。亞馬遜的網站在這類專案中列出了很多內容，但還有許多其他來源提供儀器和測試裝置。類別包括校準、尺寸測量、電氣、電子和軟體測試；運動、速度和力；壓力和溫度、氣流和空氣質量、檢查和測試、光、網路和電纜、記錄和資料採集、重量、聲音以及表面和硬度。現代趨勢是使用直接將資料饋送到計算機儲存的裝置，因此無需手動記錄資料。通用工具，例如用於拆卸檢查面板的扳手，也會使用，但通常這些工具來自生產區域，無需專門提供。
太空硬體通常會暴露在兩種特殊的環境中。第一個是發射到火箭上，然後是太空中的條件。為了確保硬體能夠正常工作，硬體會進行一系列測試來模擬這些環境。這些測試需要特殊的測試艙來再現這些條件。常用的測試艙包括
- 聲學艙 - 火箭發動機透過一個收縮部分（發動機喉部）發射高壓氣體，因此像哨子或風琴管一樣工作，產生大量的聲響和振動。聲響部分在聲學艙內用強大的揚聲器進行測試，這些揚聲器會播放與硬體將要搭乘的發射運載工具相匹配的噪聲頻譜。
- 振動臺 - 來自火箭發動機的快速氣流，以及飛行中流過火箭的空氣是湍流的，會在運載工具中產生物理振動。這與透過空氣傳播的聲音不同。振動是由一個桌子模擬的，這個桌子以與發射相同的方式固定住硬體。這個桌子用強大的活塞、彈簧和不平衡質量在各個方向移動，以再現太空硬體將要經歷的振動水平。
- 零重力部署 - 航天器通常有太陽能板、天線和其他物品，這些物品被摺疊起來以適應火箭的有效載荷空間，然後在太空中展開。展開是在零重力下進行的，這是透過側面進行，並使用配重來消除連線處和機構的重量來模擬的。
- 射頻艙 - 大多數航天器透過無線電頻率（RF）和天線進行通訊。天線操作和與航天器其餘部分的連線在射頻遮蔽艙和模擬地面站的獨立發射器中進行測試。
- 熱真空艙 - 太空環境通常處於真空狀態。硬體會受到來自接近絕對零度的宇宙背景的寒冷以及來自太陽的熱量的影響，而太陽在大氣層之上更強烈，或者如果任務比地球更靠近太陽。由於真空不允許熱量透過空氣傳導，航天器的不同側面可能同時處於高溫和低溫狀態。這些條件在一個大型真空艙內進行測試，該艙配備了冷卻的牆壁和強烈的燈，以模擬冷熱條件。
除了這些通常用於整個航天器的裝置之外，某些儀器可能需要專用裝置。例如，**錢德拉 X 射線望遠鏡**需要一個 300 米長的真空隧道來測試來自光學距離源的 X 射線光學。