第 5.1 节：人类扩张（第 2 页）
在设定了我们想要达成的初始目标后，我们现在想要开始开发一个最符合这些目标的设计，并评估它与现有系统的比较情况。其中一部分是将模糊的术语“最佳”转化为客观的测量方法。像这样的复杂系统将具有许多参数，这些参数可用于比较替代方案。这些参数将具有不同的测量单位。由于设计的不同特征（如成本和性能）无法直接比较，因此我们将它们转换为统一的数字比例，然后可以选择在该比例上得分较高的选项。转换公式代表了对客户期望的数学模型。换句话说，它是“最佳”的客观模型。该模型将在概念设计过程中不断发展。此时我们只能开始着手进行。
建模和评估是一个客观的过程。然而，选择要测量的参数及其相对重要性是主观的。它源于人类的需求和愿望，而这些需求和愿望并非客观设定。此外，人类往往不知道他们想要什么，因为他们对某一主题知之甚少。在我们当前的计划中，最终客户是整个文明。大多数人没有足够的兴趣或信息来了解他们会重视哪些参数。因此，直接客户必须充当代理人，为他们表达他们的偏好。直接客户将是与设计师直接接触的人。目前，将是研究基金的贡献者，以及项目设计师本身。在此阶段，他们无法教育和调查所有文明以确定他们想要什么。相反，他们必须估计如果他们了解情况并被询问他们的意见，他们会想要什么。作为这种代理方法的一个例子，智能手机的最终客户是最终使用它们的人。由于你甚至不知道这些人是谁，你无法询问他们的偏好。因此，管理部门、营销部门和工程部门充当这些客户的代理人，并尽最大努力确定他们的偏好是什么。
某些标准是明确的 yes/no 或 pass/fail 类型。如果设计未能满足此类标准，则它在客户眼中毫无价值。此类型不会建模或评分，因为如果未满足，得分将为零。相反，它们被包括在必须满足的明确定义的程序需求中，而其他参数允许根据需要变化以满足“硬性”（固定和不变）需求。通常，此类型代表基本程序目标和目标。其他参数（如成本）具有增量的期望水平 - 成本的每次增量都更可取。此类参数可以在从期望到不期望的滑动范围内进行评分。
任何对最终用户/客户有价值的参数都可能被用于设计选择。因此，它们可以涵盖所有目标、需求和设计特征。在实践中，有些比其他更重要，或者仅在设计特定级别时才相关。一组非常庞大的标准难以应用，因为你必须评估每个设计选项的所有标准。因此，选择标准通常限于更重要的标准。无论选择哪些标准，都应该有一个明确的描述，说明它们与客户期望的关系以及评分公式的推导方式。我们将给出几个成本标准的例子，以说明如何做到这一点。目前，它们不是最终选择参数，而仅仅是示例。
我们假设整个文明将为整个计划开发买单，并从结果中受益。因此，从系统工程的角度来看，他们是最终客户。选择新设计而不是当前设计的主要原因之一是成本，成本是衡量投入计划的资源的一种度量。因此，我们将以开发成本和运营成本作为我们的示例标准。在这两种情况下，越低越好。
- 可负担的开发
现有的太空计划已经相当庞大，表明它们受到社会重视。截至 2011 年，全球政府航天机构预算总计 330 亿美元。卫星行业协会估计 2011 年全球太空产业规模为 2900 亿美元。行业通常向政府计划出售，因此为了避免重复计算，我们只将政府预算的 30% 作为独特数据。这导致所有太空相关活动总计每年 3000 亿美元。现值将资金的年度流量转换为等效的单笔金额。标准普尔 500 指数的当前市盈率为 12，这意味着当前太空计划的现值为 3.6 万亿美元。
新的或修改后的计划不应该大大超过人们显然愿意花费的金额。因此，我们将新的组合系统的净开发成本除以当前太空计划的现值作为可负担性的衡量标准。小值表示良好，表示额外的成本并不多。负值甚至更好，表示节省了成本。如果收益超过成本，则可以接受一些净成本。这里的净开发成本是指系统的折现现值开发成本，包括产生的收入。因此，这是你在今天需要用于为所有未来开发提供资金的最大金额，在考虑到任何可以支付后期成本的正收入后。
我们没有绝对的度量标准来将净开发成本转换为评估分数。在没有度量标准的情况下，我们将假设文明愿意将其总产出的相同比例花在太空计划上。由于世界实际 GDP 每年增长约 3%，我们将根据 12 的现值倍数设置净开发成本的增长，以设定 12 年的等效时间范围。这将给出 12x3% 或 36% 作为名义值，我们将其分配给 50% 的中间分数。我们将分配 0% 的净开发成本为 75% 的分数，成本降低 36% 将得分为 100%。成本增加 108% 将得分为 0%，比例将扩展到 0 和 100% 之外。分数值是任意的。重要的是它们如何与其他选择标准的分数相关联。这隐式地定义了标准之间的交换比率，例如“推力增加 1% 价值 500 万美元的开发成本”。
通过在解释程序效益后对人们进行调查，可以获得更好的开发成本评分。我们也可以对评分进行敏感性分析。这在计算概念设计的结果在改变选择标准或其评分的情况下是如何变化的。如果你在一个广泛的评分标准范围内得到相同的设计结果，那么这个设计就被认为是 **稳健的** 或 **对变化不敏感的**。这是可取的。如果微小的变化导致设计结果差异很大，那么它可能不是最佳设计，或者需要做更多的工作来区分备选方案或减少不确定性。
- 低循环成本
之前的指标反映了任何时间点的最大净开发成本。一个好的概念设计也应该有较低的运营成本。目前太空项目的主要循环成本是发射到地球轨道。总发射成本是发射多少公斤以及运输系统的每公斤成本的乘积。改进，例如更强的材料或使用太空资源，可以减少给定项目所需的公斤数。循环成本/公斤由许多组件成本组成，但最大的改进将来自用于运往轨道的不同设计和技术。
在这个例子中，我们将成本降低与目前的（2012 年）值作为基准进行衡量。典型任务的当前太空硬件和推进剂质量决定了所需的总质量。新的设计和技术导致任务的质量不同。然后，质量改进率为当前质量/新质量。对于发射成本，我们将假设猎鹰重型火箭的报价成本为每公斤 1566 美元作为基准。对于新的运输系统，使用支付开发成本后的低地球轨道边际运营成本。然后发射成本比率为（1566 美元/公斤）/（新的发射成本）。总成本降低是（质量改进率）×（发射成本比率）的乘积。我们将假设成本等比例降低具有恒定的客户价值，因此我们将总成本降低的对数转换为分数。最大潜在改进的一半，比率为 148:1，其自然对数为 5，得分 100%。其他成本降低的得分是 20% × ln（成本降低）。
开发设计的下一部分是定义需求。项目需求将说明如何根据可衡量特征、参数和值来满足一般项目目标。它们将在概念设计阶段结束时记录。在这一点（概念设计的开始），我们可以从识别每个项目目标下的需求类别开始。然后，需求分析步骤将检查并从这些需求中选择单个需求。
这个项目目标被列为第一个，因为在我们能够合理地计划一个项目的时期内，大多数人类将生活在地球上。因此，我们在这里的生活质量至关重要。从历史上看，在不久的将来，几乎所有从事太空计划的人员、办公室和工厂以及材料来源也将在地球上。如果开发了新的方法和技术来满足具有挑战性的太空任务需求，那么这些方法和技术可以反馈到文明通常用来工作的工具箱中，从而改善这里的生活。这已经发生的例子是为管理复杂的航空航天项目而开发的系统工程方法。这些方法可以应用于地球上所有形式的复杂项目。
为了将这个总体目标与特定需求联系起来，我们可以看看新的太空技术对现有生活质量指标的影响。一个例子是高效的闭环食品生产。这可以应用于地球，从而导致食品安全改善或农场废物减少。因此，在概念设计期间，我们应该寻找具有地球应用的方法和技术，确定它们可能对生活质量产生什么影响，并优先考虑那些具有更大应用潜力和影响的方法和技术。因此，聚变火箭将优于风化层发动机，因为运行的聚变反应堆也可以帮助解决地球上的能源安全问题。使用原始岩石作为推进剂反应质量的设备没有那种地球应用（我们所知的）。
**生活质量**指标包括 GDP、预期寿命和污染水平等物理指标，以及教育、休闲时间和公民权利等社会指标。建立项目需求的一步将是选择适当的指标。下一步将是设定我们的项目应该对这些指标产生多少潜在影响，以及希望达成的改进水平。
了解我们的家园星球主要是一项科学事业。它包括收集数据、发展理论和模型，然后根据现实检验这些想法。在你获得了更好的理解之后，然后决定如何处理这些知识是一个社会和政治问题，超出了该项目的范围。它可能会导致新的项目，例如轨道遮阳板，以降低地球的温度，但启动这些项目的决定应基于可靠的知识。这组需求将解决获取这种知识问题。
我们希望收集有关地球和其他行星系的数据。后者的原因是其他行星是在其他环境下发生的事情的自然实验。我们不能通过实验我们所居住的唯一一颗行星来获得知识，但我们可以通过观察其他植物来检验我们的理论和模型。收集数据具有时间和空间维度。我们想知道行星及其环境的当前属性在三个维度上的情况，以及这些属性随时间的历史。然后，我们可以根据这两个方面的细节增加来设定项目需求。一个例子是“将所有太阳系物体映射到 1 公里或更好的分辨率”。大量的数据本身并不实用，因此还需要足够的资源来组织它并发展理论，然后进行新的数据收集周期来检验这些理论。项目需求将包括利用这些数据并指导后续数据收集周期的科学人员，以及以一种向人们介绍他们可能需要做出的选择的形式展示累积知识的结果。
这类项目需求包括识别来自太空的危害，然后为其做好准备或防止其造成的损害。已知的危害包括小行星和彗星、太阳耀斑和恒星爆炸。需求类型可以包括偏转危险物体的能力，以及限制无法防止的耀斑等事件造成的损害。
单个不受控制的生物圈本质上是不安全的，容易受到自然和人为变化的影响。由于我们现在几乎所有人都依赖于这一个生物圈，因此我们希望设定能够提高安全级别的项目需求。了解地球和减少太空危害的需求组有助于实现这一目标。这组需求更进一步，以抵消不良变化并采用计算机技术中的备份理念。具体的需求可能包括为生物样本提供安全的存储以及在地球以外进行生物危害测试、主动控制生物圈参数以及在太空或其他行星上建立人工生物圈。
所有文明都需要资源才能运作。这组项目需求可以包括识别稀缺的物质资源、材料资源和能源资源，并设定增加其可用性的数量和成本目标。物质资源包括质量生活、生长和工作空间，包括尺寸和环境。物质资源是所有需要的原材料、特殊化合物和设备。能源资源是不同目的所需的各种形式的能源。所有这些都与不同任务的资源流动相互关联。
该领域的项目需求将包括检查长期资源枯竭。例如，继续使用核裂变发电最终将耗尽地球上的铀和钍。如果这是保持文明运作的关键部分，那么最终将发生崩溃。还有其他能源来源，因此这个特殊的例子并不致命，但它表明了寻找在长期内会耗尽的项目的思想。太阳也以每 1 亿年 1% 的速度从恒星演化中变得更亮，地球永久地以每秒 3 公斤的速度损失氢气，这是水分解的结果，相当于每年损失 850,000 吨水。这些长期变化最终将使地球变得不适合居住。因此，项目需求可以设定为抵消地球的枯竭和变化，或者在问题变得严重的时间尺度内使我们能够迁移到其他地方。
在我们当前的文明中，地球上的存在受到自然和人为的限制。这方面的措施着眼于消除或解除这些限制。一些例子包括居住自由 - 在地球上，你被国家政府限制在你想居住的任何地方。另一个例子是重力自由 - 你现在不能选择生活在不同的重力水平下。
地球上的大部分地区（至少是好的部分）已经被其他人占有。通过使新的未被占有或未被充分利用的区域变得可及，这将为想要开始新事物的人提供更多机会，而无需先偿还之前的业主。这方面的措施将包括增加可用面积或资源。
在建立了一种衡量设计好坏的方法并确定要求之后，我们接下来需要一种方法来制定 **系统概念**，即对组合空间系统是什么以及如何工作的概括性描述。没有一个单一的灵丹妙药（或神奇的火箭）能够单独满足所有项目的需要。如果有的话，现在有人已经使用它了，或者至少正在认真地追求它。因此，我们采取 **利用多个好主意** 的方法，这将使节省的效益相乘。这将导致一个由多个系统组成的复杂项目，这些系统需要组合起来才能取得最佳效果。
为了满足经济实惠的开发成本标准，我们不会一次性构建所有内容。相反，**这些想法将逐步应用于相互借鉴的增量项目和系统**。这将使早期部分产生一些回报，帮助支付后期部分的费用。早期部分的规模比后期的部分要小，这进一步降低了初始开发成本。这将导致一个时间上延长的项目。
为了开发我们的系统概念，我们将使用以下想法
- **减少或消除传统火箭** - 它们已经使用了几十年，并且进行了大量的工程开发和优化。因此，使用另一枚传统火箭不太可能带来很大的改进，而且其他项目已经在尝试这样做。相反，我们将尝试使用第二部分中确定的其他数百种运输方法和变体。这使我们有可能大大提高化学火箭的性能和成本限制，这些限制是由其化学性质决定的。
- **设计用于重复使用、维修和回收** - 应该很明显，这些特性将降低硬件和供应成本，但许多发射器和卫星只使用一次就报废。例如，对于空间站上的宇航员来说，氧气和食物供应也是类似地使用一次就报废。一些太空硬件被设计用于维护和维修，但大多数没有。因此，我们将尝试将这些多用途和长寿命特性融入设计中，以最大程度地利用硬件和物资。
- **利用空间的物质和能源资源** - 同样，应该很明显，从地球上运送所有东西是一个限制因素，而且你进入太空越远，这样做所花费的成本就越高。太阳能非常有用，几乎所有太空项目都使用了太阳能，但其他物质和能源资源尚未得到开发。因此，我们将尝试设计使用它们来利用从地球上带来的东西。
- **建造多功能设施** - 到目前为止，许多一次性任务都倾向于不留下任何有用的东西。因此，下一项任务与上一项任务一样困难和昂贵。因此，我们将尝试设计可以多次使用或永久使用的设施。一个例子是在月球上着陆一个太阳能阵列，该阵列用于快速为漫游车充电，然后可以用于为开采工厂供电。这比在漫游车上安装一个太阳能阵列，然后再为工厂安装另一个太阳能阵列更有意义。
- **使用多种模块化设计** - 单片式或整体式设计要求在您的需求发生变化或您能够使用升级的技术时更换整个物品。对于长期和复杂的项目，您无法预测可能需要的所有更改和升级。因此，我们将尝试尽可能使用模块化设计，以使更改更容易。模块化设计也可以从小规模开始，并逐步添加，从而降低初始成本和运输系统的规模。不需要使用一种方法来做所有事情。在地球上，我们使用管道等工业运输系统来低成本地运输大量货物，并将更昂贵和更安全的方法保留用于运输人员。当这种专门化在成本和技术上合理时是可以接受的。
使用上述想法并不意味着在不适当的地方盲目地使用它们。这意味着在有意义的地方将它们融入其中，以优化数量。过去的项目往往没有充分使用它们，甚至没有使用过。这导致了高成本和有限的性能，我们的新项目试图纠正这些问题。
我们不会试图一次性完成所有工作，而是采取逐步增量的方式设计和建造我们的太空项目元素。随着增量的添加，这些增量将在几个维度上建立新的地点并改进可衡量的参数
- **工作环境范围** - 从地球上的温带地区开始，提供生产、居住、运输和其他系统元素，这些元素在给定的环境中工作。然后将它们的工作范围扩展到更热、更冷、更潮湿、更干燥以及更高和更低的压力。之后将工作环境的范围扩展到空间地点，包括重力和辐射水平等额外变量，以及温度和压力的更大范围。
- **时间和能量范围** - 时间包含通信时间、旅行时间和停留时间。能量包含到达特定地点所需的势能和动能。新的地点将增加通信和控制距离的范围，并需要更长的旅行和停留时间。它们还将需要更大的能量变化才能到达。
- **性能水平** - 这些是货物容量、工业产出、效率和关闭率以及支持的人数等指标。它们被指定为特定项目元素和系统的性能要求。每个地点都从给定的性能集开始，并在阶段中逐步提高到更高的水平。
时间上遥远或需要远远超出当前经验的参数的增量，对于设计来说变得不确定。在间隔时间内可能会开发出新的技术，并且满足未经验证的参数水平可能很困难。因此，在某个时间点，详细规划未来的项目不再有用。相反，可以列出这些项目的选项，并制定一项计划来开发所需的技术并减少不确定性。因此，项目工程工作不是一次性完成的，而是一个持续的努力。在任何时间点，项目都将有一个基线记录当前状态和未来计划，但该基线将定期更新。
根据以上讨论，我们将描述项目概念的起点。我们强调，这只是一个起点，最终的概念是概念设计阶段的终点。
- 项目描述
我们项目的基本概念是将人类文明的范围扩展到新的地点，同时满足上述项目目标和要求。任何类型的文明似乎都需要能够生产食物和其他实物物品，提供住所，以及在不同地点之间运送人员和物品。可能还有其他基本要求，但我们将从这些要求开始。因此，对于每一个新的地点，我们都会建立并逐步扩展生产、居住和运输元素。我们从现有的文明开始，建立一个新的地点，一旦它得到充分的发展，我们就前往下一个地点并重复这个过程。
第一个新的地点将是地球上容易的地方，位于温带气候。首先在那里展示新的技术，如远程操作、自动化和资源开采。一旦建立起来，我们就将新的元素运送到地球上更困难的地方，如沙漠、海洋、高海拔地区、寒冷地区或地下。这扩展了环境的范围和远程控制的距离。扩大人们可以居住和工作条件的范围满足了项目的许多要求，并且新的地点应该在物理和经济上自给自足。
在在地球上建立了足够多的地点之后，生产能力将用于建造前往轨道的运输工具，并将远程操作和其他技术进一步开发用于空间地点以及真空、温度、辐射和失重等更困难的环境。
为了在新地点实现增长，我们设计和建造了以下类型的硬件
- 种子工厂
开发新地点一直都需要带上一套启动知识和工具。历史上这意味着要带动物、种子、斧头和锤子，以及当时技术所需的任何其他东西来开始建造。对于我们的未来项目，我们希望使用现代技术允许的最佳方法。我们的启动套件应使用自动化和远程操作，并能够不仅制造固定的一套产品，还可以为自己制造更多设备以扩大产出范围。因此，我们的理念是使用**种子工厂**在每个新地点建立生产能力。与只生产特定产品组的传统工厂不同，种子工厂利用其生产的一部分来为自己制造更多设备。因此，随着时间的推移，它能够制造更多种类的产品，并使用更多种类的当地资源。最初的种子设备，加上它目前还无法制造的供应品和必要组件，将从先前的地点运送。随着时间的推移，生产能力将需要更少的供应品和零部件，并能够在当地制造更多物品。
除了自我扩展之外，工厂的产出部分是特定地点生活和工作所需的物品。在太空中，这将包括住区、车辆、采矿设备、水和氧气等部件和供应品。剩余的产出将是用于交易以获得所需外部供应品的商品。在地球上，这可以是任何有市场的商品。在轨道上，一个例子是建造大型通信卫星。车辆将携带种子设备的副本前往下一个地点以开始在那里生长。由于人类的住区是生产产出的一部分，因此最初你可能没有能力在新地点支持很多住区。因此，种子工厂的设计考虑了自动化/机器人、远程控制和直接人工操作的混合，以最大程度地减少后者。第一个种子工厂建在地球上的各个地点。当它们充分扩展后，它们将利用其工业能力建造运载火箭和太空硬件。这用于在地球轨道上建立组装和加工设备。这将发展成为一个完整的种子工厂，并从那里扩展到太空中的其他地点。
- 循环系统
线性系统可能会开采一种资源用作肥料，使用一次，然后在收获的作物和径流中去除。在人口稠密的地球或太空中，获得新供应品很困难，一次性线性设计的资源变得昂贵且不可持续。因此，我们的概念包括使用循环系统，将旧物品送回早期生产阶段进行修理、再利用、回收或再加工成新物品。由于运输是一项间接成本，我们更倾向于在本地进行循环，但如果事实证明在其他地点执行任务更优化，我们将这样做。
- 高效运输
新地点从以前的地点开始交付，并将继续需要运输来交付新设备、供应品和人员。一旦建立了足够的生产，就需要将成品运回以前的地点。此外，在建立永久性住区和完全循环系统之前，还需要将人员和用过的物品运回以前的地点。因此，运输是一个必要的功能，我们更倾向于尽可能高效地执行它。
在地球上，内燃机等机器特别低效，因此我们将寻找更高效的替代品。在太空运输中，传统火箭进入轨道的效率甚至低于汽油发动机。虽然化学火箭本身作为热机非常高效（~80%），但当将其视为整个运输车辆的一部分时，大部分工作都用于加速燃料，这些燃料随后被燃烧和丢弃。因此，我们的理念是用各种更高效的运输方式尽可能地取代传统火箭。这包括几个进入轨道的初始发射选择，以及主要在轨道上的电推进器。化学火箭不会完全被淘汰，尤其是在最初，但随着项目的演变逐渐被取代。电推进器在燃料使用方面效率大约高出五到十倍，再加上能够在当地提取燃料，因此需要从地球上获得的燃料量大幅减少，所以我们将在设计中努力大量使用它们。与所有火箭一样，化学火箭的燃料使用量随速度呈指数增长。因此，即使部分取代它们的使用也会显着减少总发射质量。因此，即使在早期阶段采取较小的步骤，我们的增量方法仍然会带来巨大的收益。