美国的标志
本期文章
NAE主席的话:科学与工程
空间探索工程与科学的协同作用
透视:空间科学，从过去到未来
维修哈勃太空望远镜:工程和科学的伙伴关系
好奇号火星探测器设计和操作中的科学与工程合作
下载
《太空探索之桥》秋季刊
2021年9月1日 体积 51 问题 3
几十年来，工程与科学的密切合作造就了太空探索的奇迹. 本期将介绍八个典型的任务, 传达兴奋, 挑战, 这些突破包括更好地理解太阳系的奇迹和奥秘.

透视:空间科学，从过去到未来

2021年9月16日，星期四

作者: Louis J. Lanzerotti

  • 在极地的天空中舞动的灯光，有时甚至在罗马、巴黎、哈瓦那、东京上空
  • 岩石从“天堂”落向地球
  • 太阳上奇怪的斑点出现……生长……消失
  • 行星在天空中以本轮运动
  • 彗星飞过太阳系时尾巴的奇怪行为
  • 各种颜色的恒星、星团和星系
  • 根据天体星群绘制的神话生物

数千年来，地球上的人类一直在观察这些天空中的现象，并对其感到困惑. “科学”的概念,五百多年前就出现了, 提供了一种(有时是曲折的)对这种现象的更定量的知识的途径. 随着时间的推移，人类文化发展到寻求经验来证实先前关于天体奇观本质的纯哲学假设.

早期科学和技术动机

19世纪早期，电报的发明和专利由塞缪尔.B. 莫尔斯. 但奇怪的、断断续续的潮流涌了进来, 有时会被打乱, 这是第一个电子技术. 这些水流在19世纪下半叶成为工程师们的巨大挑战. 电报电流似乎与极光的发生有关，甚至与太阳bat365app手机版-体育下载-apple app store排行榜有关, 促使科学家试图了解太阳和地球环境之间可能的耦合(除了可见光).

在19世纪90年代末和20世纪初，古格列尔莫-马可尼成功地在技术上体现了詹姆斯·麦克斯韦和海因里希·赫兹的理论思想. 他成功地创办了无线通信公司, 包括从船到岸和横跨 ­大西洋. 科学研究, 实验和理论, 紧紧跟随来理解为什么无线电波没有直线飞向太空. 商业应用和平行科学都很快发现，太阳对这些无线信号的传播有很大的影响, 影响了在地球上层大气中产生信号反射的介质.

经过工程改造的电报和无线系统很早就证明了现在所谓的“空间天气”对技术的影响.这些影响促使科学研究地球表面以上的现象——超越了人类几千年来所追求的天文学.

20世纪中期

火箭技术以这样或那样的形式已经尝试了几个世纪, 出于和平和军事目的. 用于人类和机器人探索的火箭技术是最近才出现的.

1958年1月，“探索者1号”由改良的“木星- c”送入轨道，需要一个科学有效载荷. 詹姆斯·范·艾伦的盖革管探测器已经准备就绪, 被空运, 并证明了亚瑟·克拉克和约翰·皮尔斯为他们的通信卫星所预期的空间环境(1945年), 1955年)并不是良性的(而且对于1946年莱曼·斯皮策之前设想的大型太空望远镜来说也不是良性的). 但是，将科学仪器置于大气层之上的工程成就已经开始，同时人们也意识到空间天气在空间工程中的重要性.

进入太空的工程成就为科学提供了机遇，激发了巨大的想象力. 用于研究地球空间环境的飞行仪器的数量和复杂性显著增加, 包括行星间介质. 为了更好地了解空间天气对科学和人类探索的作用，需要数据. 太阳, 对地球生命至关重要，也是空间天气现象的产生者, 刺激了更强大的天基太阳望远镜的发明和发展.

自“鹰着陆”以来令人兴奋的研究

1969年至1972年的六次阿波罗登月，实现了人类登上月球的国家使命. 仪器被放置在地球的天然卫星上，宇航员带回了独特的样本. 对这些样本的分析继续产生对地球和月球历史的新见解.

对地球和月球的研究还不够. 尤利西斯号(1990-2009)在太阳两极之上飞行了三圈. 与水星、金星、火星等内行星相遇的大胆冒险开始了. 火星仍然是一个主要的科学目标, 有轨道飞行器和着陆器(在红色星球上着陆不是一项简单的工程工作). 火星上曾经有生命吗? 即使现在那里还有生命存在吗?

小行星, 小行星, 人们曾遇到过彗星，甚至在彗星上着陆并取样, 为坠落到地球上的岩石的可能来源提供了线索.

巨大的外行星在向bat365app手机版-体育下载-apple app store排行榜招手. 他们的勘探需要核能. 抗辐射电子设备是必不可少的. 先锋10号和11号任务(1972-97), 目标是木星和土星, 随后又发射了两颗旅行者号卫星(最后一次双任务是为了减轻其中一颗卫星可能出现的故障). 1977年推出, 旅行者号继续传送数据, 现在，从太阳系边缘以外的地方看，旅行者1号的距离是日地距离的150多倍, 需要21小时才能收到它的派遣. 两艘旅行者号都传回了惊人的信息, 包括照片, 不仅是木星和土星，还有, 旅行者2号, 遥远的天王星和海王星. 冥王星因飞越新视野号而出名(2015-16).

伽利略(1995 - 1996)环绕木星运行，并将一个测量探测器扔进了木星的大气层. 卡西尼号(2016-17)环绕土星运行，并在其卫星土卫六上部署了一个着陆器. 两个任务的测量结果都确定了行星周围的动态空间环境. 这两项任务还提供了一些关于月球上可能隐藏生命的诱人线索.

开普勒太空望远镜(2009-18)证实了人类长久以来的推测:大量围绕恒星运行的行星确实存在. 地球上淡蓝色的点, 这是旅行者1号从海王星外拍摄的照片, 和围绕太阳运行的伴星在宇宙中并不孤单. 利用绕地球轨道运行的仪器进行研究，在围绕母恒星运行的任何天体周围的任何大气的化学成分中寻找生命存在的证据.

来自恒星和星系的整个电磁波谱的强烈辐射现在可以被测量, 扩展对恒星颜色和色调的物理起源的理解. 聪明的望远镜设计和专门用于探测x射线的宇宙飞船引人注目地打开了这一领域，里卡多·贾科尼(2002年)获得了诺贝尔奖.

科学的机遇
由工程师开启
接入成果
太空刺激
伟大的想象力.

新的天体物理现象, 很多人精力充沛, 都被精密设计的望远镜发现了, x射线, 红外, 以及伽马射线范围. 这些现象包括黑洞, 磁星, x射线和伽马射线爆发, 中子星, x射线脉冲星——每一颗在宇宙中都像它的名字一样奇特.

斯皮策很久以前的视觉开始成为哈勃太空望远镜. 它于1990年发射，由航天飞机服务过四次, 这一巨大的工程成功增强了对地球本星系和浩瀚宇宙中宇宙结构和秩序的天文学理解. 由于詹姆斯·韦伯太空望远镜的功能更强大，在工程上更有创新，bat365app手机版-体育下载-apple app store排行榜很快就会有更多的了解.

观测宇宙学蓬勃发展. 宇宙背景探测器(COBE)任务(1989 - 1993)清楚地确认了填充宇宙的背景微波辐射的主要形式和各向异性. 乔治·斯穆特和约翰·马瑟(2006年)因这一成就获得诺贝尔奖. COBE之后的威尔金森和普朗克卫星扩展了背景辐射在可测量宇宙中的传播的更高阶分辨率.

后记

进入地球大气层之外的太空60多年来，不断有新的发现, 彻底改变了物理宇宙的概念. 由于新的工程进展促进了新科学的发展，由于新的科学方向需要新的工程技术和实施，这些引人注目和令人兴奋的探索都成为可能.

科学和工程的相互作用和协同作用仍在继续, 这一杰出的合作极大地促进了人类对其在被称为地球的天体岩石上存在的持续探索.

 

作者简介:Louis J. Lanzerotti (NAE)是阿尔卡特朗讯贝尔实验室的退休杰出技术人员，目前是新泽西理工学院物理系的杰出研究教授.