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大学是如何进入太空并不断前进的

编者按:本文收录于2020秋季杰出毕业生系列
2020 / 07 / 31

自阿波罗(Apollo)计划以来,亚利桑那州立大学(Arizona State University)的太空探索目标每十年提高一次。

太阳系是亚利桑那州立大学的第五个校区。

该大学开发的十二架仪器是在太空中“飞行”的:地球上两架,火星上七架,月球上一架,在小行星上一架。

今年夏天,校园内建造的第一艘星际飞船建造完成。

美国只有30个机构可以建造航天器。 只有七架制造行星际飞船。

“行星际”是指离开地球重力的任何事物。 在国际上,有40个国家可以制造航天器,但是只有4个国家可以制造行星际航天器。

亚利桑那州立大学就是其中之一。

29名教职员工拥有以它们命名的小行星,其中包括行星科学家Lindy Elkins-Tanton,她正带领美国宇航局的 “发现 “号任务,前往一颗全金属小行星,这是以前从未探索过的。 她是NASA历史上第二位领导深空任务的女性。

19名教职人员正在执行太空任务。目前正在研制八种仪器,如照相机、光谱仪和热成像仪。 一架将飞越小行星,两架将飞越火星,一架将飞越月球,四架将飞越木星的卫星欧罗巴。

有10项任务正在开发中。其中两项将研究系外行星。一个将在月球上寻找冰块,用于水和燃料的外星探索。五台望远镜将窥视恒星的形成,超过3亿个星系,以及恒星正在形成的尘埃云,以及其他天体的奥秘。其中一项任务可能会回答终极科学问题,在木星一颗卫星的冰壳下深层的液态海洋中发现地球外的生命。一项任务将探索全金属小行星Psyche。

但是,这并不是该大学的首次亮相

ASU在对8颗行星、3颗小行星、2颗卫星和太阳的25次任务中发挥了作用。

“可以说,我们是重要参与者之一,提供了许多服务和需求,并以多种方式支持NASA,并在许多不同的层次上进行人对人的联系,” Elkins-Tanton(Asteroid (8252)埃尔金斯·坦顿)说。”而且,你知道,这就是在这个世界上做生意的方式。就是认识你的人和你认识的人,当你需要帮助时,你可以找谁,或者当他们需要帮助时,谁会找你。”

地球与太空探索学院成立于2006年。然而,作为一所机构,亚利桑那州立大学的太空计划开始的时间要早得多。

这是一个有关看似平凡的地质计划,发展成为太空探索强国的故事。 它始于一位痴迷于陨石的地质学家,阿波罗登月船,一名暴躁的教务长和两个破烂的文件柜。

陨石收藏

在1960年代初期,大学请地质学家Carleton Moore研究陨石。 他非常着迷,甚至会忘记吃午餐,常常痴迷于显微镜,。 摩尔在1961年购买了700颗陨石,这成为了陨石研究中心的基础,该中心现在是世界上最大的大学陨石收藏地。

摩尔是陨石界中的名人。 当他出现在图森宝石矿产展览会上时,他就像摇滚明星一样被簇拥。

1967年,穆尔(小行星(5046)卡尔顿·摩尔(Carletonmoore))是NASA最早要求分析从月球带回的岩石和尘埃的人之一。 他在工作日教书,周末NASA则让他飞往德克萨斯州。 1977年,摩尔聘请了一位名叫罗恩·格里利的科学家。

格里利(Greeley)是行星地质学的先驱。

岩石和战斗机

格里利(小行星(30785)格里利)帮助阿波罗任务选择着陆点,并协助宇航员进行地质训练。

早在阿波罗时代,科学就伴随着使命。工程师只想着登陆月球就可以了,而科学家则想在月球上多做几项研究,以此两方经常会有冲突。

一个著名的故事说明了其中的分歧,围绕着一位地质学家,,他建议将岩石锤放入宇航员的工具包中。 “但是我们在上次任务中选择了其中一个!” 一名工程师表示。

早期的宇航员都像运动员,他们对岩石也不太感兴趣。 格里利(Greeley)成功地教育了他们,比起把岩石描述成大或小,以及如何区分有趣的岩石和更平凡的样品,他们更复杂。

亚利桑那州立大学教授Phil Christensen说:“他试图让他们思考地质和岩石以及它们登上月球时要寻找的东西。如果你听那些宇航员的笔录,罗恩和其他训练过他们的人做得很棒。 有几个(宇航员)是优秀的试飞员,一些是冒险的海军人员,“哦,我捡了几块石头。” 他们大多数人做得很好。”

美国亚利桑那州立大学(ASU)罗恩·格里利行星研究中心是美国宇航局(NASA)指定的17个地区性档案馆之一,用于教育和科研用途。

神童

如果说格里利和摩尔是美国亚利桑那州立大学太空计划的创始者,那么克里斯滕森就是该计划的创始人。

克里斯滕森(Christensen)是地球与太空探索学院火星太空飞行设施的负责人,Regents Professor同时也是地质科学的董事教授。 他是行星地质学家和“临时”工程师。 他有三架飞行中的仪器,还有三架正在开发中。他对火星表面的熟悉度如同他对自己房子的熟悉度一样。

董事教授是终身任职的教师,他们在各自领域做出了重大贡献。

早在1981年,格里利(Greeley)雇用了年轻的博士后,他开始涉足太空任务。 克里斯滕森(Christensen)获得了美国国家航空航天局(NASA)的一笔巨款,用于将一种仪器安装在火星轨道器上。

克里斯滕森说,格里利(Greeley)是一位出色的野外地质学家和行星科学家,但他不是仪器专家。

“罗恩是研究这些探测器传回来的数据的先驱,他根据月球和火星的图像,并分析它们,思考它们,”他说。”他对建造仪器、建造相机、建造光谱仪没有兴趣。他是团队中的一员,他可以获得数据,他是该领域的领导者,但他主要看现有的数据,做普通的科学。这就是ASU所做的事情。他们什么也没造。”

当克里斯滕森(小行星(90388)菲尔克里斯滕森(Philchristensen))赢得一项建造设备的巨额合同时,人们会为之欢欣鼓舞。

反的事情发生了。

你在想什么?

当第一个提议被选中时,一位教务长叫克里斯滕森进入他的办公室。 他以为自己会被祝贺。

“他说,‘关上门。 你在想什么?’”克里斯滕森说。 “‘你知道我的工作有多困难吗? 我们没有能力做到这一点。 我们无法接手这样的合同。 我没有职位可以安排给你。 着这使我的工作变得异常困难。’不用说,院长不再在ASU工作。”’

克里斯滕森(Christensen)向副院长索要办公室。

“他说,’好吧,你可以有几个文件柜。’他们只是没有得到。 我们有这份一千多万美元的合同。 这是ASU有史以来最大的合同。 他们不知道该怎么做。 他们不知道如何与一家航空航天公司打交道。 因此,从给我提供两个文件柜的人到(当前的太空计划和最先进的设施)……这所大学发生了很多变化。 看到这种变化真是太神奇了。”

吉姆·贝尔(Jim Bell)是地球与太空探索学院的一名行星科学家。 他负责目前正在执行的三项任务,包括过去八年来一直在火星上爬行的好奇号漫游车上的摄像头,以及其他五项正在研发中的仪器和任务。 下个月,他的最新相机将在美国国家航空航天局(NASA)最新的火星探测车“恒心”号卡纳维拉尔角(Cape Canaveral)发射。 他还是美国亚利桑那州立大学(ASU)新空间计划的主任。

后者是一个程序,将从事与空间有关的工作的学生和教师与从事同一工作的外部实体联系起来。 贝尔说,它们的范围从“ SpaceX到车库里的几个少年”。 “他们需要我们的帮助吗?你能用美国宇航局大任务的1%的费用来做一个任务吗?”

到目前为止,ASU的太空计划一直围绕着制造仪器进行,这些仪器被NASA抢购。 亚利桑那州立大学的教师已经参与了NASA的所有机器人任务。

贝尔(小行星(8146)Jimbell)说:”NASA从科学上了解我们,但也从工程的角度了解我们。”他曾为该机构制造了几台相机。

那是因为克里斯滕森和格里利。

贝尔说:“这两个家伙是亚利桑那州立大学担任的NASA工作的基一部分” 这事是一个伟大的故事“。 在行星科学和陨石研究方面,Greeley和Moore是真正使ASU出现在地图上的人,这些历史可以追溯到60年代。 他们能够吸引优秀的人才并获得联邦资助,并壮大了一个团队……他们能够围绕太空和太空科学与委员会,机器人任务,样本分析等创造出卓越的人才。 格里利(Greeley)能够吸引菲尔·克里斯滕森(Phil Christensen),后者更加深入地参与并为大学赢得了一些真正的设备。优秀的人吸引其他优秀的人进入他们的轨道。

如何吸引美国宇航局

20世纪80年代初,美国宇航局(NASA)选择了亚利桑那大学(University of Arizona)进行火星飞行任务。该大学问克里斯滕森能否为其制造一台仪器。 同时,雷神公司关闭了克里斯滕森一工作过的圣巴巴拉工厂。 他的三四个同事这时有空了。 他认为如果他们进来了,ASU也帮忙,就可以在ASU制造一个仪器。他们想要的仪器和他们已经制造的仪器非常相似。

克里斯滕森说:“这是一场完美的风暴。” “我们的目标是一个仪器,是更大项目的一部分。选择两所大学合作对美国宇航局(NASA)来说并不是很大的风险,亚利桑那大学(UofA)来执行这项,亚利桑那州大学(ASU)制造其中一种设备。 它与我们之前构建的非常相似。 亚利桑那州立大学说:“我们将建造这个豪华的新设施。”…幸运的是,一切都恰到好处地结合在一起。

他们努力工作了五年。

克里斯滕森说:“这是一笔一锤定音的交易。” “声誉是双向的。 如果我们不能解决这个问题,他们将永远不会再与亚利桑那州立大学(ASU)谈了。 这个项目的15个人对此非常重视。 不只是他们的职业; 亚利桑那州立大学在这座大楼和这些设施上花了很多钱。 我们迈向成功的道路有很多。 他们为这项成功感到非常自豪,而事实也确实如此。”

制造航天器的园区

在此之前,ASU尚无建造仪器或航天器的地方。

他说:“现在,我们可以在这座大楼中建造NASA飞行质量仪器。” “十年前,十年前我们会笑着说:‘我们做不到。 我们没有设施,人员,信誉。’但是我们做到了。正因为如此,人们来找我为欧罗巴和其他仪器。 吉姆·贝尔可以说我们可以在这里制造和测试相机。 我们有新的教员进来。十年后的今天,这栋楼将有几个人在建造仪器。”

现在,仪器,卫星和航天器都建立在园区中。 LunaH-Map任务完全是亚利桑那州立大学(ASU)的任务。 它是在这里开发,设计和建造的。

克里斯滕森说:“美国国家航空航天局 (NASA)的任务占整个过程的90%,” “你怎么做呢? 您如何使其工作? 您所要做的所有事情,所有一起工作的人,让大家团结在一起,防止他们互相残杀-对我来说,这只是乐趣的一半。 …在美国国家航空航天局 (NASA)内,就像在许多其他地方一样,这都与声誉有关。 你能做到吗? 一旦可以,那将是重大的一步。 突然间,你正在建造了更多,人们就会为此而来。”

无尘室

这所大学在空间计划上的实际投资距离和那两个破烂的文件柜有很大的距离。

占地300,000平方英尺的跨学科科学技术大楼IV于2012年开放。它拥有实验室,洁净室,办公室,高架房,一个250个座位的礼堂和校园内两个任务操作中心之一。

克里斯滕森说:“我在其他机构的同事都来了,他们很嫉妒。” 喷气推进实验室(JPL)的代表团走访并喃喃地说,他们没有那么好的设施。

克里斯滕森说:“要赚钱需要先花钱。” “您建立像这样的设施,它就能收回成本。 美国国家航空航天局(NASA)不希望你用唾沫星子和铁丝制造东西。 当他们来到这里看到这些时,他们说,“你们是真实的。”

航天大楼里的无尘室大约只有一个小型高中体育馆。 它具有通常的书桌,显示器和椅子。 通常不使用两个真空室,一个真空室的大小是包装箱的大小,另一个真空室的大小是大众汽车的大小。 它们用于模拟太空条件。 实验小组可以将所有氧气从燃烧室中摇出,将温度降低到绝对零(开氏0度),并观察他们制造的产品如何适应太空条件。

贝尔说:“你把它变成了外太空。” “对于大学校园来说,能够在那种环境下测试仪器非常罕见。 全国只有少数几个校园具备这种能力。 通常,您只会在NASA中心和大型航空航天公司中发现这一点。”

他们将机器放入真空室内,扔进一堆灰尘和石头,然后调高温度以观察它们的运转情况。 (如果人进去,眼球会爆裂,血管中的血会沸腾,最后人就气化了。外太空是一个艰难的地方。)

周六早上7点来到无尘室,发现研究生正在做项目,这并不稀奇。在任何时候,大约有15到20人在从事设计和开发的各方面工作。

没有炉灶管道

地球与太空探索学院不是传统的航空航天环境。 科学家可以走下走廊,告诉工程师他需要从环境恶劣且难以访问的地方获取数据,工程师可以想办法制造一台机器,能在恶劣环境里正常运转,并将数据带回家。

贝尔说,这很罕见。

“我之所以离开之前的大学,是因为我不能在那里做这种事情。那是一所典型的美国系统大学。您在校园一侧的工程学院里有工程师,而在校园一侧的艺术与科学系里有科学家,他们在空间上是分开的,在官僚机构上是分开的,学生可以参加另一堂课,并获得毕业所需的学分。那是典型的系统。他们称它为传统单线性系统。亚利桑那州立大学(ASU)打破了许多边界,我们也看到其他学校纷纷效仿。并且看到他们从这种整合,跨学科和学科间互通的模型中学习,并在同一学术单位内进行大量的协作和专业知识的混合学习,这在我以前是不可能的。 …到目前为止,这个实验效果很好。 …我的意思是,这确实是雇主所寻找的,并且正在寻找可以在团队中工作,了解其他学科的人。”

与上世纪60年代工程师与科学家彼此争斗的情形相去甚远。 现在他们在同一栋楼里,没有距离或官僚作风。

贝尔说:“太空探索的最前沿之处在于,仅仅告诉别人去建造一台相机,然后露面并使用它是不够的。” 您确实必须牢记目标。 您真的必须潜心研究并成为光学专家。 我必须与光学专家和电气工程师合作,这是因为我想在特定环境下以一定的精度进行特定的测量。 与了解电子学的工程学和胆量的人合作越多,我的实验就会越好。把这些人建立在大学这个以我为家的部门里,实在是非常高效。”

去太空需要什么

格里利(Greeley)逝世约40年后,美国宇航局(NASA)来到了亚利桑那州立大学(ASU)。

“当您做得很好-确实非常好-人们就会注意到。” 克里斯滕森说。 “不只是我。 (他们说),“哦,亚利桑那州立大学可以制造那些仪器。”然后流向吉姆和克雷格(Hardgrove,月球CubeSat任务的首席研究员)和林迪(前学校长Elkins-Tanton)。 我们已经建立了亚利桑那州立大学(ASU)的声誉。”

他说,火星漫游者也提供了很多帮助。

克里斯滕森说:“在探索火星等可见的事情上成为世界领导者,使亚利桑那州立大学得到了很多关注,而亚利桑那州立大学则将其有效利用了。” “很多科学都是神话般的,但是,登陆火星与为可乐瓶找到一种新型塑料并不相同。 在火星上着陆会让您登上杂志封面。”

地球与太空探索学院院长Meenakshi Wadhwa指出,在当今的太空探索时代,美国国家航空航天局(NASA)和洛克希德·马丁(Lockheed Martin)这样的大型航空航天巨头不再是唯一的参与者。 新太空公司(其中许多在亚利桑那州并雇用该校的毕业生)在这场竞争中占了上风。

地球与空间探索学院主任Meenakshi Wadhwa指出,在当前的太空探索时代,美国宇航局和洛克希德-马丁公司等大型航空航天传统企业不再是唯一的玩家。新的太空公司–其中许多在亚利桑那州,并雇用该校的毕业生–在这场太空游戏中取得优势。

Elkins-Tanton说,承担像Psyche这样的任务需要本土机构做出很多承诺。 您需要项目经理,相关教师的课程发行,物理实验室和办公室空间。

她说:“要做这样的事情真的需要整个组织的决心。” “事实是,我们需要各个领域的人员来使太空探索成功。 …许多大学无法真正提高自己的能力的地方是需要真正特殊的财务支持,预算,预测和报告。当然,仅仅是处理资金的进出和跟踪,一个真正的大任务的需求往往完全超出了大学所做的任何其他工作的规模和要求的特殊性。 因此,您需要整个大学来支持这项工作。”

团队合作是亚利桑那州州立大学(ASU)的一大优势,而Elkins-Tanton认为这是该大学在太空领域取得成功的一个方面。

她说:“当然,要在这些大事业中取得成功,特别是在太空探索中,就需要教师才能,但这就是人们的思维通常始于学术界的起点和终点。” “如果您雇用从事令人兴奋的工作的合适人员,那么这一切都会发生。 但是,太空探索与我们在大学中所做的其他事情之间的最大区别之一是太空探索是团队合作进行的。它是在大团队中完成的,有巨大的压力和绝对的质量和严谨性要求。而在团队中做这些事情,在学术界是公认的。事实上,我们被教育成独立的–我们小领域的个人英雄。”

她说,没有团队合作,你就不会进入太空。

“亚大的优势之一是……你可以从国内开始,把一些人聚集在一起,他们将提供帮助和支持,并试着看看他们是否能加入他们的想法,使核心变得更大,而不一定使它只是关于他们自己。而且你可以把这个核心能力带到外面去,你可以和你的美国国家航空航天局(NASA)和其他大学以及其他的人合作。但如果没有人们愿意把整体的大利益或者团队的大利益或者探索的大利益或者目标的大利益放在自己之上,你将永远无法进入太空。所以这也是ASU的一个特别之处。”

太空学生

当教师们带头冲向太阳系的时候,学生们也受益匪浅。 在ASU,本科生不会听到“你不行”。 学生从事项目工作时,他们不是研究模型,游戏或玩具。 它们执行地是真正的NASA任务。

瓦德瓦说:“在亚利桑那州立大学,我们为我们的学生不仅为今天的工作做好准备,而且为未来的工作做好准备感到自豪。” “这项准备工作的一部分是让学生有机会解决现实世界中的问题,以及进行将探索我们太阳系及其他领域的实际航天器飞行任务。 它还使我们的学生有机会学习许多雇主寻找的一些关键工作技能,例如如何在团队中发挥良好的作用。”

去年11月,国际空间站发射了第一枚完全由学生负责的CubeSat(卫星,它的大小相当于一个大鞋盒)。该大学内四所学校的约100名学生和教职员工在开发或推广Phoenix CubeSat中发挥了作用。

美国国家航空航天局(NASA)的本科生仪器项目(USIP)和美国国家航空航天局NASA太空赠款协会提供了20万美元的赠款,使本科生有机会从事实践项目,帮助他们为航天工业的职业做好准备,同时使美国国家航空航天局(NASA)受益。 他们学习了航天器的开发,跨学科的交流,项目管理以及如何从头开始制定科学目标的方法。

Elkins-Tanton说,大约有550名学生参加了Psyche任务。

她说:“我认为那改变了他们的生活。” “这为他们提供了通往其它领域的通道。 它将他们连接到更大的世界,以丰富他们生活中的所有其他体验。 对我来说,这是非常重要的事情,确实值得推广。”

触摸会在太空中飞行的机器是一种激动人心的的体验。 做到这一点对教师也是一种验震撼的经历。

埃尔金斯-坦顿说:“必须有人给他们提供支持” “作为一所大学,我们现在可以做到……我们一直收到来自学生的消息,说:“与美国国家航空航天局NASA合作是我毕生的梦想。 ‘ 他们能够参与人类最大胆的探索项目,这对我们来说,似乎是一个非常有价值的方式,我们可以花费我们的时间和资源来实现这个目标。”

参加“太空工程1”班的学生将确切地了解诸如Orbital ATK,Paragon和SpaceX等太空公司想要在员工做什么。 比如:他们可以团队合作吗? 他们知道里程碑是什么吗? 遵守时间表意味着什么? 行星科学和航空航天工程课程可以教给他们很多,但不是全部。

Sheri Klug Boonstra在创建和实施全国性的NASA STEM教育管道项目方面有二十多年的经验,这些项目从大学前的教育延伸到劳动力市场。 美国国家航空航天局(NASA)和工业界已经确切地说明了他们在新员工方面的需求。

她说:“他们将能够获得学位并直接在航天业工作。” “我们正在将我们在课堂上的活动应用到行业和美国国家航天航空局,‘这些是我们需要他们擅长的头等大事。’这些是本课程中所嵌入的。”

她与克里斯滕森(Christensen)共同授课。

他说:“他们在课堂上学到的东西真是太棒了,但我们要在现实世界中运用这种方式来尝试这种方式,” “什么是关键设计审查? 什么是最终商品数据包? 我希望从这里出来的学生出现在JPL,然后说:“是的,我知道那是什么。 我做过这个。 我明确地知道审查的具体内容。 我知道成为项目经理意味着什么。 我知道成为制造工程师意味着什么。” ……真正的工程师如何处理日常工作?”

政府一直在关注学生参与学校的任务和项目的程度。

“我们的学生合作是如此创新,非常具有创新性,而且规模非常大,其规模远远超过其他太空任务,美国国家航天航局(NASA)经常把我们作为学生合作的典范。”埃尔金斯-坦顿说。

学校最新的课程之一是卫星指挥与控制操作。 亚利桑那州立大学(ASU)拥有地面站,但功能仍在开发中。 它们可以与地球轨道上的卫星进行一点通信,但是它们都通过JPL,依靠美国国家航天航空局(NASA)的深空网络运行。

“我们当然正在培训未来的工程师,科学家,和管理人员,他们将与机器人技术一起工作,并且将来将为人类和机器人探索做大量的地面支持工作, 贝尔说。 “这是当然的”。

大家都可以乘坐。 瓦德瓦说,来太空吧。

她说:“在亚利桑那州立大学(ASU)性,我们的核心价值在于创新和包容性。” “在地球与太空探索学院,我们的太空探索目标还涉及创新和企业家精神,并包括希望参与科学发现的每个人。”

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