第1部分：科學與工程基礎
太空系統的設計和開發是航空航天工程的一部分，而航空航天工程又是更廣泛的工程學學科中的一個專業領域。總的來說，工程學是從數學和科學中創造性地應用知識來實現有益目標。因此，第二卷的第一部分回顧了這些學科的基礎知識。我們最關注的是適用於太空系統的部分，但絕不涵蓋這些知識領域的全部內容。
本書後面介紹的技術、專案和計劃主要針對希望更深入瞭解或實際參與未來太空專案的人員。我們假設讀者具備中等教育（高中）或大學一年級科學或工程水平的數學和科學基礎知識。如果你沒有這樣的背景，可以從線上資源中獲取。這些資源包括來自CK-12基金會和開放教科書庫的開源教科書，以及來自可汗學院的影片講座。傳統的印刷書籍和課程也同樣可用。
我們試圖使本書中的討論保持在入門級工程水平。它並非對任何主題的全面調查。在許多情況下，細節過多，無法全部容納。在其他情況下，技術水平過於高階，而在某些未來技術和專案中，想法尚未完全發展。因此，在整個過程中引用了其他書籍、文章和材料，包括在參考文獻部分。
這些卷冊所屬的種子工廠專案已為成員編制了一個廣泛的參考書庫，但未經許可，我們無法分享其中的受版權保護的作品。我們可以提供一個圖書館內容清單（pdf檔案）並分享我們有權分享的專案。對於其餘部分以及我們圖書館以外的其他作品，您可以使用一般的圖書館和資訊來源。這些包括網際網路檔案、美國國會圖書館和館際互借、Wikibooks的姊妹專案（←請參見本頁面左側邊欄）、YouTube等網站上的教程影片以及新舊書商。鼓勵讀者更深入地研究任何感興趣的主題。
下面的第2-5節介紹了數學、科學、工程學以及一些設計原則領域，以及它們與太空專案的關係。第1部分的其餘章節將更詳細地介紹這些主題。
數學對科學和工程的重要性可以用一句話概括
我們的宇宙似乎遵循數學規律。
我們的意思是，數學公式和計算得出的結果與我們觀察現實世界時看到的結果相符。這是一個非常強大的情況，因為我們可以在觀察之前進行計算，甚至在某些事物存在之前，從而預測未來。
為什麼數學在描述現實方面如此有效是一個哲學問題，我們還沒有很好的答案。尤金·維格納在1960年的一篇文章中指出了這一點，文章標題為數學在自然科學中的不合理有效性（pdf檔案），這也在維基百科文章中進行了討論。無論原因如何，它在實踐中確實有效。這使我們能夠做到，除其他事項外，設計出能夠按預期工作的系統。
最早的預測例子之一是太陽、月亮和行星在天空中執行的軌跡。即使在古代，人們也能夠預測它們在未來的位置。這些預測帶來了有用的結果，比如知道何時種植莊稼。季節是由地球的自轉軸傾斜和繞太陽執行引起的。古代人並不知道這一點，但他們的歷法和日子的計算仍然有效。從經驗和實驗中獲得的w:實證證據 實證知識仍然有用，即使其背後的科學尚不清楚。
數學預測與現實世界的匹配不僅僅是普遍的。在許多情況下，它可以精確到令人驚歎的程度。如今，我們可以以驚人的精確度預測太陽系天體的執行軌跡。例如，2012年好奇號探測器登陸火星，在經過5.66億公里的旅程後，其著陸點距離預期位置僅2公里。如果沒有預測航天器的軌跡以及在旋轉和移動的行星上著陸點的未來位置到40億分之4的精度，這是不可能實現的。
在工程中使用數學的進一步例子在我們周圍隨處可見。每一棟高樓大廈和橋樑都依賴於一個簡單的數學關係，即強度必須大於所有載荷之和。在設計此類結構時，您會計算強度，並計算載荷，然後確保前者大於後者。這種方法有效性的證明是高層建築和橋樑很少倒塌。
與其他工程領域一樣，太空系統工程也使用數學公式和計算。它們要麼源自科學，要麼源自工程實踐經驗和測量。我們在本書中介紹了許多這些公式和計算。為了充分利用它們，最好具備以下學科的基本知識（提供了入門教科書的連結）
- 代數 - 如何操作代數公式以及如何在給定輸入值的情況下獲得數值答案、公式和函式與圖形的關係以及指數和多項式。
- 幾何學 - 幾何形狀和角度的型別，以及如何計算二維和三維形狀的尺寸（周長、面積和體積）。
- 三角學 - 基本三角函式及其作圖、向量和極座標。
- 機率與統計 - 平均值、隨機誤差、分佈和迴歸的概念。
更高階的數學主題，例如數學分析、微積分及其他主題有助於理解公式的推導過程或解決工程中更復雜的問題。對於像這樣的一本入門書籍，它們大多是不需要的。
科學是一個系統性的事業，以可檢驗的解釋和預測的形式構建和組織關於宇宙的知識。這些預測通常以數學公式和計算結果的形式出現。人們追求科學的部分原因是，對宇宙的瞭解滿足了人類的興趣和好奇心。但事實證明，瞭解事物如何以及為何運作在某種程度上是有用的。
我們事先不知道哪些知識最終會變得有用，因此科學家們總體上研究一切。知識是一個無縫的整體，但從其歷史以及出於教學和研究的目的，它被劃分為不同的分支，依據研究物件的不同而劃分。與太空系統最相關的分支包括
- 物理學 - 這是研究物質和能量的力和相互作用、這些相互作用的結果以及事物的基本規律和組成部分的學科。
- 天文學 - 這是研究地球大氣層以外的天體和現象的學科。所有太空系統都在這裡執行，因此它具有高度的相關性。行星科學尤其研究圍繞恆星執行的凝聚態天體。
- 化學 - 這是研究從原子、分子到更大尺度的物質，以及它們如何反應及其物理性質的學科。
- 生物學 - 這是研究生命本身的學科，這對於包括生物（特別是人類）的太空專案來說至關重要。
至少對上述科學領域有基本的瞭解對於從事太空系統工作非常有用，因為它們的工程和設計都是從這些知識中推匯出來的。根據專案的型別，其他領域也可能被證明是有用的。除了特定的科學分支之外，瞭解科學方法也很重要。這是產生想法、進行實驗和觀察以檢驗這些想法，然後驗證或拒絕這些想法的地方。
同行評審、統計和可重複性是確保觀察和結論可靠的一些方法。科學永遠無法達到絕對真理，只能不斷增強對特定解釋的信心。經過充分檢驗的思想會加入被認為已解決的知識體系，但它們始終可能被更好的資料和思想修改或取代。收集這些資料併產生新的思想是科學進步的方式。
數學和科學是為了自身發展以及預測未來能力而發展起來的。工程學將從科學和經驗中積累的知識應用於有益的目的。這是透過設計、建造和執行系統來執行預期功能實現的。
如果您之前沒有工程學背景，或者特別是在空間系統方面沒有背景，您可能希望從像工程學 - 高中入門（CK-12基金會出版）這樣的書籍開始學習。您可以在維基百科的工程學概述中參考的文章以及本書參考文獻部分的一些書籍中獲得更多背景知識。
簡單專案和系統可以透過一到多人利用其知識和經驗直接設計。當專案非常複雜時，例如空間系統通常的情況，會使用諸如系統工程和其他專案管理工具和技術在整個專案中組織和最佳化工作。系統工程和專案管理將在第1.5章中更詳細地介紹。
積累的工程知識總量過於龐大，任何一個人都只能掌握其中的一小部分。因此，工程學通常被劃分為主要的專業領域，每個領域都有自己的培訓路徑。它始於科學和數學的共同基礎，然後專注於特定的應用領域，例如採礦、化學、機械和電氣工程。
在職工程師通常會進一步專門化他們的研究和經驗。他們或他們工作的組織根據每個專案的需要被徵用。這比為每個可能的學科領域配備全職人員更有效率。被徵用的專家也因為參與過類似專案而擁有更多該領域的經驗。由於參與專案的團隊不是永久性的，因此如何管理他們的互動變得很重要。專案組織將在第1.8章中介紹。
航空航天工程是與空間系統最相關的專業。空間系統是在空間環境中執行的專案，就像船舶和飛機在水中或空中執行一樣。特定的環境會對事物的設計方式產生影響。但它們都依賴於相同的知識基礎，例如力學、材料科學和熱力學。
一個複雜的空間專案將使用來自多個專業領域的工程師，例如機械、化學和電氣工程。這除了專門從事適用於太空的方法和環境的航空航天工程師之外。我們在第1.7章中識別了這些和其他專業，但將專注於適用於太空的學科。對於感興趣的人，還有許多關於其他專業的資料來源。
透過培訓和經驗，工程師培養了一種對什麼有效或無效以及如何最佳化設計的直覺。部分原因是透過適用於其專業的廣泛原則。我們在這裡注意到一些對空間系統更重要的原則。這些和其他原則將貫穿全書，我們會盡量突出它們。
- 地球與太空 - 在地球上，運輸涉及各種摩擦，大多數物體相對於彼此緩慢移動。因此，能量和成本與距離成正比，但與時間無關。太空是一個幾乎沒有摩擦的介質，物體相對於彼此以相對較高的速度運動。因此，難度和成本更多地與動能和勢能相關，這決定了您遵循的路徑。它也更多地取決於您開始的時間而不是絕對距離，因為太空中的一切都處於相對運動狀態。太空中的距離通常比地球上的距離大得多。
- 非線性 - 與空間系統相關的許多公式和變數的值都取冪或指數。因此，一項任務的難度與預期目標的大小之間沒有一一對應的關係。這被稱為非線性系統。理解非線性的方向和程度非常重要，因為這可以極大地幫助或阻礙特定任務。其中一個例子是大氣壓強，它隨著高度呈指數下降，空氣阻力也相應下降。
- 不確定性和裕度 - 儘管某些值（例如行星的軌道）已知相當準確，但沒有任何物理引數可以絕對準確地知道。任何由人類建造的東西都將在一定程度上偏離設計定義的理想狀態。自然環境也可能隨時間推移不均勻地偏離測量的平均值。例如，火星大氣層的三分之一會在季節性地凍結在兩極，從而降低全球氣壓。
- 工程設計必須考慮環境中的這些不確定性以及裝置的建造和使用方式。一種方法是使用設計裕度，使其超出預期條件，並且大於不確定性。使用多少裕度取決於成本、經驗和設計的用途。例如，客機通常比無人駕駛飛機具有更高的裕度，即使兩者都是飛機。