【蒋迅专栏（十四）】从科学家到宇航员又到教授 ── 记杰弗利·霍夫曼博士

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风流知音【科普之声】从科学家到宇航员又到教授 ── 记杰弗利·霍夫曼博士 CFDSA(2017)1014

作者简介

蒋迅, 本科和硕士毕业于北京师范大学，在美国马里兰大学获得博士学位。目前在美国从事科学计算工作。

“神舟十号”成功升空，三名宇航员进入“天宫一号”，科学实验也加倍了。我们看到的一个趋势是，随著载人航天的初步成功，应该有越来越多的科学家宇航员去承担越来越复杂的太空实验室中的科学实验。今天要介绍的是美国宇航员杰弗利·霍夫曼：哈佛大学天体物理博士，莱斯特大学博士后，五次航天飞机宇航员，麻省理工学院教授。让我们看看他的成长经历，听听他对科学家宇航员的看法。

杰弗利·霍夫曼 (Jeffrey A. Hoffman)
Source: ****

一、科学家霍夫曼

霍夫曼于1944年出生于纽约市布鲁克林区。童年生活在纽约市北的小镇斯卡斯代尔市 (Scarsdale)，直到1962年从斯卡斯代尔高中毕业。在那里，他还获得过美国童子军的最高级别“鹰级童军”。在“童子军”里，他的动手能力和生活能力都得到了初步训练。自从孩童时，他就一直对太空感兴趣。当第一位宇航员升空时，他对在太空中飞行就开始向往。但那时的宇航员都是从空军中的试飞员挑选出来的，而他并不想成为一名试飞员，所以只能转而求其次，希望找到能不升空也能探索太空的领域。上大学时，他尝试性地选修了天文课并发现非常喜欢它。最终他于1966年从美国马萨诸塞州的私立学院安默斯特学院 (Amherst College) 天文系毕业。

毕业后，霍夫曼决定继续朝着自己的太空梦想发展，他选择攻读天体物理学博士学位，主攻高能天体物理学，特别是宇宙伽玛射线和X射线天文学。他认为，做高能天体物理实验必须到大气层之上，而这正好可以与他多年的太空梦想联系起来，另一方面，因为人们是初次研究这个波段，所以几乎保证可以有新鲜的和有意思的发现。他和导师列文 (Walter Lewin) 教授的合作就是在这个方面。他们共同发现并澄清了X射线爆发的性质。做博士论文时，他们设计建造了低能量伽玛射线探测器，然后用气球送到高空进行测试和实验。那个时候，他们还不知道在气球里做γ射线天文学研究是不可能的，因为它需要更多的暴光时间。以后这样的实验都是在航天器里做的。这是后话。1971年，霍夫曼从哈佛大学获得天体物理学博士学位。

毕业那年，他得到了一笔“旅行奖学金”，就是资助旅费的那种，这样他可以到欧洲去做博士后。他的导师极力推荐他到英国莱斯特大学去。教授说，如果你想在美国之外做X射线天文系的话，就去莱斯特大学吧。於是，他只身一人去了那里。从1972年到1975年，在英国莱斯特大学做博士后。

在英国工作期间，他曾参与多个X射线天文火箭的有效载荷的工作。他还设计和监督制造及测试用于X-射线设备的测试设备。他用这个设备测量X射线聚光镜的散射和反射率的属性。在莱斯特的最后一年，他被欧洲航天局选为EXOSAT卫星上的中等能量X-射线实验的项目科学家，在这个项目的建议和设计研究中发挥了主导作用。

霍夫曼在莱斯特大学的经历是丰富的，不仅是得到了第一手设计建造科学仪器的经验，他还在那里找到了人生伴侣。工作结束后，他带着夫人和在莱斯特出生的儿子回到了美国。这段经历给他留下美好的记忆。

霍夫曼返回美国后到麻省理工学院 (MIT) 空间研究中心工作（1975年到1978年）。他是此中心的首个高能天体物理实验室HEOA-1的高能X射线实验项目科学家。这时，他的实验已经是在卫星里做了。MIT有一个自己控制的小型大学卫星SAS-3。指令是由NASA戈达德中心传送到卫星的，但是卫星是MIT的，MIT决定给卫星发送什么指令。他还负责1977年8月发射的在轨HEAO-1卫星上的A4硬X射线和伽玛射线实验。他参与了包括发射前的数据分析系统的设计，启动后监督其运作，并指挥MIT的研究小组进行的科学分析所传回的飞行数据。他还广泛参与和操作由麻省理工学院的SAS-3卫星的X射线数据分析。他的主要研究是研究X射线爆发，撰写或合作撰写的论文有20余篇。

二、宇航员霍夫曼

以上就是霍夫曼想像中自己的人生 ─ 在大学校园里研究太空。“我总是假定我将有一个大学校园的生涯，继续进行天文学的研究，但是我从来没有想到过我会成为一个宇航员。”就在这时，NASA为了更有效地在航天飞机上开展科学实验，公开招收科学家、工程师等具有自然科学方面高学位的人当航天飞机的宇航员。为什么不去呢？他毫不犹豫地递交了申请。正好，NASA要找的是那些可以实际中动手建造、修理并解决问题的人。而他简直就是完美的人选：在莱斯特大学做博士后的时候就已经是两个探空火箭实验的项目科学家 (一个是澳大利亚的，另一个是西班牙的)。在MIT更是高能天体物理实验室的项目科学家。由於他在哈佛大学、莱斯特大学和MIT的丰富经验，1978年1月，他理所当然地在第一轮就被选中。当然，并不是所有具有他相同背景的人都能被选上。作为宇航员，最大的挑战是在筛选过程中。绝大多数人都是在体检环节落选的。特别是现在，宇航员要在空间站里长期居住，这一关就更严格了。比如牙齿，必须是完美的。而拥有健魄身体的霍夫曼在体检关也轻松关过。1979年8月，霍夫曼到休斯顿市正式加入宇航员队伍。

霍夫曼的宇航员生涯正值航天飞机作为多用途运输机的火热年代，因而他很幸运能参与许多不同的有意思的任务：发射卫星、医学实验、绳系卫星、材料科学以及哈伯救援。

霍夫曼正拿着一个玩具。这是太空玩具计划 (Toys in Space Project) 的一部分。
Source: NASA

1985年4月12日至19日，霍夫曼作为任务专家在发现号航天飞机上进行了他的第一次太空飞行STS 51-D。几十年后，霍夫曼都还记得他第一次升空时的情景。他为了这一时刻已经做好了充分的准备。他从来没有想到过会出什么事情，因为他相信他们已经做好了准备去应对一切可能发生的事情，而且如果真有无法应对的事情发生的话，那也没有什么值得去担心的。当倒计时到零的时候，霍夫曼安静地坐在那里，想到的是自己从6岁就开始的梦想就要实现了。随着火箭直插云霄，他看着窗外地面渐行渐远，感受到的是一股巨大的力量。

第一次飞行就执行了历史第一次计划外的太空漫步。
Source: Youtu.be

本来这是一次普通的任务。他们要做的事情是把两颗卫星送入预定轨道，然后做几个实验后就在四天后回家。但上天似乎要考研他似的，给他出了一个难题。原来一个卫星发生故障，他们必须修理这颗卫星。他们不得不进行了一次计划外的太空漫步，这在NASA的历史上还从来没有过。任务落在了他的头上。就这样，他在第一次升空任务里就这样进行了一次完全计划外的太空漫步。他的出色表现给人们留下了深刻印象。

霍夫曼的第二次飞行是在五年以后。1990年12月2日，霍夫曼作为飞行任务专家乘哥伦比亚号航天飞机执行STS-35任务。这是一个天文观测的任务，主要是使用在航天飞机货舱里的专门的望远镜进行ASTRO-1紫外天文学实验任务。换句话说，就是把航天飞机变成了天文台。这对他来说，真是再熟悉不过了，这是霍夫曼博士自1982年以来一直投入的项目。唯一不同的是，这个天文台比他以前去过的都高得多。

1992年7月31日至8月8日，霍夫曼作为的有效载荷指挥官和任务专家搭乘亚特兰蒂斯号航天飞机进行了他的第三次太空飞行STS-46。在这次任务中，宇航员部署了欧空局主办的自由飞行科学平台欧洲可回收的载波（EURECA），进行了美国航空航天局和意大利航天局合作开发的绳系卫星系统（Tethered Satellite System）首次飞行试验。自1987年以来，霍夫曼一直在绳系卫星项目上工作。

霍夫曼哈勃空间望远镜维修任务里进行第三次太空行走。
Source: the Guardian

1993年12月2-13日，霍夫曼执行第四次任务。这是第一次哈勃空间望远镜维修任务。原来，从哈勃望远镜在1990年发射后就发现，它的光学性质没有达到设计标准，必须重新安装。这次任务被广泛认为是NASA最大胆的任务之一。4名宇航员，其中包括霍夫曼创纪录的五次太空行走。霍夫曼搭乘奋进号航天飞机作为EVA宇航员做了他的第四次飞行STS-61，在这次飞行中，哈勃太空望远镜（HST）被抓获，维修，并恢复到满负荷工作。宇航员安装了新的仪器，修复了哈勃的光学性能。这个问题从哈勃望远镜在1990年发射后就存在。 “我很满意地知道我可能因为修复哈勃望远镜而为天文学做出了可能比我当一名实际天文学家而更多的贡献”，他说。

霍夫曼乘坐哥伦比亚号航天飞机最后一次飞行行STS-75是在1996年2月22日。这是一个为期16天的任务，主要的有效搭载是绳系卫星系统（TSS）和美国微重力有效载荷（USMP-3）的第三次飞行。TSS成功表现出系绳产生电力的能力。TSS实验在19.7公里时断裂之前产生了大量的关于系绳的电动力学和等离子物理的新信息在系绳，这个距离只比预定的20.7公里目标小了一公里。宇航员们也日以继夜进行燃烧实验和研究相关的USMP-3微重力调查。在这个任务中，霍夫曼博士成为第一个飞行1000小时的航天飞机宇航员。在那次任务里，MIT毕业生张福林博士是第二名。还有一个小小的插曲：在宇航员传回地面的视频中有一个漂浮的东西被人们误认为是UFO，其实这只是一个没有对准焦距的太空垃圾。

霍夫曼和张福林在航天飞机上。他们的飞行时间都达到了1000小时。
Source: Astronauts Jeffrey A. Hoffman (left) and Franklin R. Chang-Diaz

当霍夫曼博士完成他的第五次太空飞行后，他有了1211小时太空时间和21500000英里的太空距离。霍夫曼有广泛的舱外活动（EVA）的经验，一共有四次25小时在航天飞机外。超过他的宇航员只有7位。

在准备宇航飞行的间隔期间，他在加州唐尼 (Downey) 的飞行仿真实验室 (Flight Simulation Laboratory) 工作，从事制导，导航和飞行控制系统测试。他实际操作了轨道机动与反应控制系统，航天飞机宇航员培训，和部署卫星的操作。霍夫曼博士担任STS-5支持成员，STS-8和STS-82任务中载人舱通讯员，霍夫曼一直是宇航员办公室有效载荷安全代表。他还多次执行过太空行走，包括发展高压力的宇航服，空间站的组装和准备。霍夫曼博士是宇航员办公室科学支持组的共同创办人。1996年，他领导了宇航员办公室的有效载荷研究室。在休斯敦，霍夫曼还把自己的空余时间挤出来，扩大自己的知识范围。1988年，他获得了位於休斯顿市的莱斯大学材料科学硕士学位。

在1997年7月，霍夫曼离开了宇航员大队，成为NASA驻巴黎的代表。同年获得了莱斯特大学授予他得名誉博士学位。在巴黎，他的主要职责是帮助NASA协调欧洲夥伴与NASA的关系，在巴黎他担任代表职务直到2001年8月。

三、大学教授霍夫曼

2001年8月，霍夫曼从美国航空航天局借调到麻省理工学院，任航空航天系高级讲师；自2002年以来一直在该系任实践教授。他从事的多项研究项目，他的研究专长包括载人宇航操作技术，航天技术，人机交互，太空漫步，太空实验室科研等。他与大卫·米勒教授一起设计一个宇航员训练计划和SPHERES项目的步骤，SPHERES是一个MIT空间系统实验室的技术显示项目，这个项目是用微卫星的编队飞行来试验分布式卫星和空间自动对接系统。他还与达娃·纽曼教授一起为改进的太空服技术使用机械反压力的研究。

在课堂上，霍夫曼使用宇航员在国际空间站和空间操作和设计训练课程的内容给学生们讲授，使学生们感受到更加直接的信息传递。他的教学领域包括空间系统的设计和空间政策等。MIT的航空航天系有一个“构思 - 设计 - 实施 - 操作”一体化计划 (Conceive-Design-Implement-Operate paradigm，简称CDIO)，目标就是把最优秀的学生培养成新一代具有领袖才能的工程师。霍夫曼所起的作用就是与学生分享他的操作知识和空间飞行的经验。他在MIT开设的课程有：“空间系统工程”和“航空航天和设计导引”。2005年，他和 (Cohen) 教授一起开了一门“飞机系统工程”(Aircraft Systems Engineering) 课程，并把这个课程的全部录像放在了互联网上。这是一个以航天飞机为背景的系统工程课，他们请了NASA和美国空军的专家来讲授航天飞机的来龙去脉和方方面面。是一次非常有内容有意义的课程。

霍夫曼在欧洲航天局的的“整合应用推广”(Integrated Applications Promotion) 计划上讲授了“进入空间”，“在真空中工作：空间行走”，和“在载人航天环境做科学”三个课程。2008年，莱斯特大学邀请他到物理天文系做访问讲师，这使得莱斯特大学成为英国高等教育里第一个由前宇航员讲授载人航天的课程。 2009年12月，霍夫曼再次访问了该校，并讲授两个星期的本科课程，他还应邀在大学的天文台为一个英国最先进的望远镜揭幕。回亿起他在1970年代在莱斯特大学建起的旧式的X射线探测器，而现在这里已经有了最先进的微芯片和先进的电脑处理器。他为这所大学感到高兴。这个系“仍是一个世界级的系”，他对学生们说，“最终可以使用世界级的大型望远镜对於理解望远镜是如何工作的以及得到第一手经验真的很重要。没有比在当地有望远镜更好的途径。 ”

霍夫曼的名称有很多。他是国际宇航学院、国际天文联合会、美国航空航天学会、美国天文学会、西班牙工学院的成员。麻省太空联盟联合主任和航空航天系实践教授。但是他不是一位像阿姆斯特朗那样的家喻户晓的人。不过，只要他告诉人们他曾经是NASA宇航员时，大家都会瞪大了眼睛，然后向他提出一大堆问题。他对这种状况很满意。一方面，他不喜欢象个明星一样走在大街上被太多地打扰，但另一方面，他也希望看到人们对航天的**。因为，如果公众对航天最终失去了兴趣，那将是未来太空探索的灾难。

四、科学家宇航员霍夫曼

霍夫曼的最大特点是他的科学家 → 宇航员 → 教授的特殊经历。他用切身经历证明了科学家宇航员的重要作用。

事实上，NASA宇航员与科学家密切合作的传统可以追述到地质学家训练阿波罗宇航员。但培养有科学家背景的宇航员则是在航天飞机进入实际应用以后。1977年，NASA 第一次宣布招募航天飞机宇航员。霍夫曼则幸运地成为了第一批科学家宇航员。可以说，他们这一批科学家宇航员是否成功关系到NASA以后的决策。

关于科学家宇航员，他谈了很多。

霍夫曼认为空间实验室对很多学科极为重要。比如在很多例子里，失重环境改进了测量的精度。他记得一个实验，实验室里测量流体的压力梯度受到重力引力的限制。在微重力空间中没有压力梯度，所以测量结果可以得到一个数量级的改善。他认为，有一些计划中的原子钟的实验将在空间。因为不会由於原子的重力而落出激光视线，所以你可以观测的时间更长，因而得到更高的精度。人们希望的是能够得到一个数量级的精度测量时间。每当我们在测量时间上做出了改进，都会有技术转移的副产品，GPS就是最明显的例子。但最有可能显示空间站的好处的是生物技术。在轨生物反应器 (bioreactor) 计划可以导致更好的疫苗和药品。普通民众对这样的结果最能发出正面的反应。只有当空间站里的实验产生出了积极的结果时，这些实验才会进入人们的视线。还是拿生物反应器来说，假设在地面上有一个肝组织，它开始生长。当它变得越来越大时，它会沉到底下。所以必须转动容器使得肝组织仍然在上面。当它再次沉底时，就只能再次翻转。问题时当肝组织生长得越来越大时，它下沉的速度也越来越快，容器的转动也必须越来越频繁，於是剪切力就产生了，而这个力量可以把培养的肝组织撕裂并导致实验失败。而在微重力环境里，这种现象不会出现，肝组织就可以生长得更大。类似的生物组织还有血管、膝盖软骨和癌细胞等等。有了这些组织就可以做药物实验了。在太空中做组织培养可以节省大约一到两年的时间。而时间对医药公司是极为关键的。

霍夫曼认为在太空里有科学家的最大收获是在地面上为将要上天的实验做准备工作，利用他对空间环境的了解来帮助不同领域的科学家计划实验。他与很多不同领域的科学家一起工作过。每一次有一个新的项目，他都象是一个重新成为了一名试图明白将要做什么的研究生。他总是对脚踩两只船 ─ 科学和工程 ─ 的感觉很好，即使是在运载火箭和卫星方面。能够在两个领域里工作是重要的。有很多设计实验的科学家不知道空间的局限性，也不认识到他们可能有的特殊机会。他说，“当你在空间做实验时，你对实验的认识越深，你就越有可能认识到不寻常的结果，并利用这些意外发现，而这正是实验室科学的一个重要部分。你必须做你的实验，然后停下来，开始另一个实验。他们没有一个豪华宽松的实验室。NASA运行任务非常棒：组织一次太空行走或计划一次供给任务。但是一个实验室必须具有灵活性，能有迅速的反应。你需要有一定的步骤，但你又必须具有灵活性，知道什么时候必须做出改变。这是我希望有一天空间站能做到的事情。”

当宇航员在空间实验室 (Spacelab) 任务中，他们有很多时间里都与科学家在一起。在很多例子里，他们亲自投入到实验中，因为他们在实验室里呆了很多时间，他们知道科学家想要得到什么。他认为，这对於空间实验室的许多成功实验都起到了作用。

现在的国际空间站还有很多的模块：美国的，俄国的，欧洲共同体的和日本的。仅仅是熟悉这些模块和机器人训练，太空行走 (EVA)，宇航员们就会被五花八门的培训压得喘不过气来。宇航员实质上被排除出了空间实验室任务中的科学训练。从这个意义上说，具有科学家背景的宇航员就显得特别重要，因为他已经是科学家了。

想象一下，如果宇航员都只是试飞员，那么在科学家和宇航员之间就有各种各样的障碍。一位科学家想要委托宇航员做个微重力实验，他必须递交一份申请，申请必须送到可能对此项科学没有很深了解的搭载指令长 (PAYCOM) 手里，他必须传送到某个可能并不合适的宇航员手里。这不是实验室应有的工作方式。

当然，他不是唯一一位认为科学家宇航员重要的人。还可以举出的例子有：华裔宇航员张福林 (Franklin Ramon Chang Diaz)、邦尼·顿巴尔 (Bonnie Dunbar)、里娅·塞顿 (Rhea Seddon) 等。NASA把科学家宇航员称为“任务专家”(mission specialist)。NASA根据每一次任务的内容选派任务专家。象上面提到的紫外天文学实验任务和哈勃空间望远镜维修任务，霍夫曼都是再好不过的人选。第一位华裔宇航员王赣骏也是作为科学家宇航员被NASA选中的。

通过霍夫曼、王赣骏等人的经历，我们清楚地看到，载人航天的未来取决于科学家宇航员的培养。这是所有载人航天的大国所必须看清的事实。

退役后的霍夫曼
Source: CollectSpace