第 5.1 节：人类扩张（第 3 页）
我们通过说明目标和潜在益处、初始选择标准、需求类别、设计方法和初始程序概念，为概念设计阶段设定了起点。我们现在应用第 1.5 节中的系统工程方法，以越来越详细的方式进一步发展设计。读者应该记住，像这样的书籍是章节和页面的线性展示，但实际方法是迭代的，后续步骤的结果会反馈回来更新早期结果。我们将尝试在这些实践与描述之间的差异出现时进行指示。
到目前为止，我们已经以非常笼统的术语说明了该程序的预期目标。需求分析步骤将这些笼统的陈述发展成更具体和可衡量的程序级功能。在设计的后续阶段，这些功能将被更详细地分析并分配到各个系统和更低级别的项目，作为系统和设计需求，其设计试图满足这些需求。在这个过程中，我们将一般需求映射到特定需求，以确保所有需求都得到满足。在程序开发的每个级别都应该定义最少数量的必要需求。过多的需求会限制设计选择并增加为设计和验证而产生的额外成本。
需要注意的是，设置初始需求并不意味着它们在物理上是可能的、经济上可行的，或者比现在存在的东西更好。它们只是确定设计目标，后续工作将确定它们是否正确。
首先，我们确定需求分析的来源或输入。这些应该来自程序本身的外部
- 程序目标和益处 - 这些在该节的第 1 页中有所说明，并且来自我们尽力确定的整个文明未满足的愿望。
- 系统工程经验 - 开发复杂程序的过去工程经验已经确定了需求类型，这些类型往往被证明是必要的。我们可以使用主题文献来确定与该程序相关的需求类型。
- 外部约束 - 这些是由自然或人为原因（如法律要求）强加的限制。
除了外部需求外，我们还有一些从程序目标和益处、设计方法或初始程序概念中识别或推导出的内部需求，这些需求在第 2 页中有所说明。
目标和益处 - 我们检查了第 1 页中所述的每个程序目标和益处，并试图以目标、性能、进度、成本、技术风险、安全、可持续性和开放性等方面来编写程序将实现的个人陈述。这些类别的标题来自第 1.5 节中列出的需求类型列表。不同的程序会产生不同的这类陈述。我们试图使这些陈述具体并具有可衡量的特征或参数。在某些情况下，这在设计过程的后期阶段是不可能的，必须等到后期。对于不完整的陈述，使用占位符。此次检查的结果以及对每个陈述如何推导的讨论成为下一节程序需求初稿的一部分。
系统工程经验 - 接下来，我们考虑了需求的一般类别，例如第 1.5 节中列出的类别，看看哪些可能适用于该程序。在分析的这一级别，该程序的范围很广，而且是长期的。因此，许多适用于更详细级别的需求在此时并不相关。出现的一个项目是“生命周期”，即程序何时结束？我们在 1.2 中的讨论中包含了这样一点，即终点是达到所述人口并能够在之后继续支持他们。遵守法律、法规、规范和标准过于具体，无法在这一级别应用，耐用性和质量特征也是如此。就其本质而言，该程序旨在对社区和环境产生积极影响。在更详细的级别，这些可能会成为单独的需求。制造、测试和维护也适用于详细级别。灵活性、可扩展性和演进预计将在位置或系统级别应用。由于这些位置是整个人类文明的一部分，因此互操作性在程序级别得以满足。在更详细的级别，此类别可能会出现特定需求。最终结果是，从这一步骤中，在程序级别没有识别出许多新的需求。
外部约束 - 现在，我们认为在更困难的环境和更偏远的位置运行的要求足以识别外部约束。对于特定位置，例如月球 L2 点，物理环境和法律制度将成为更详细需求的输入。
内部程序需求 - 接下来，我们查看第 2 页中识别的需求类别，看看其中哪些适用。从“改善地球生活”标题中，我们定义了相对于当前水平改善生活质量的要求（2.4）。“了解地球”目标是通过居住在更困难的环境中而间接实现的。当人们能够居住在这些偏远地区时，他们可以更容易地研究这些地区，科学可能是居民的主要“职业”。数据需求（2.5）明确地帮助了这一目标。 “减少太空危害”类别由人口风险（6.2）要求涵盖，但我们尚未定义具体的风险和减少目标。此要求也部分解决了从“提高生物圈安全”标题中迁移危险研究的问题。提高生物圈安全方面的积极措施在生存能力（7.2）中得到体现。“扩展资源”类别下的措施包括物理方面，即在位置、区域、体积和环境范围方面的维度。这在主要程序目标（1.1）中得到体现。物质和能量资源在资源需求（2.6）中得到体现。从“长期生存”中，我们在生存能力需求（7.2）中增加了对关键资源枯竭的设计。 “增加选择”标题由同名需求（1.3）涵盖。扩大文明范围的主要目标（1.1）在通往未被认领和未充分利用位置的意义上解决了“增加机会”类别。开放性需求（8.）维持了该技术和位置对该计划外部人员的访问，为他们提供了更多机会。
设计方法 - 我们的下一步是查看我们的设计方法，看看它是否会推动任何程序需求。通常，设计从需求到解决方案进行，但这是一项检查，看看我们的方法是否会以相反的方向反馈回来。减少传统火箭使用的想法不是程序级别的需求，而是该程序空间部分的设计解决方案。降低地球发射成本的程序需求（4.3）可能会推动使用该想法。该要求还将推动在更长的车辆寿命方面使用再利用/维修/回收。改进的技术（2.3）和剩余资源（2.6）以及其他要求也推动了再利用/维修/回收，因为该想法是设计优化的通用解决方案。对于我们程序的空间部分，利用太空资源是另一种优化设计的通用解决方案。剩余产出的资源需求（2.6）将推动使用该想法。建造多功能设施是另一种优化与针对每个任务的单一用途设计的优化方式。该程序的规模需求（1.2）要求持久性和规模可能会推动使用该想法。与增长（2.2）一起，它将推动使用模块化设计的想法。逐渐增加环境范围、距离和性能的设计方法已经包含在多个需求中。因此，我们发现需求往往会利用我们设计方法中的想法，但这些想法不会强加新的需求。
程序概念 - 同样，我们检查第 2 页中的初始程序概念，看看是否确定了任何新的需求
- 程序描述：我们确定了生产、居住和运输是文明的基础，但这些将作为每个位置的更低级别功能开发，而不是该程序的顶级需求。顶级需求由支持一定数量人口的需求（1.2）涵盖。这些功能的建立和扩展在（2.2）增长中得到体现。主要程序目标（1.1）是迁移到更困难和更偏远的位置。这将推动远程操作和自动化，因为在栖息地到位之前，人类无法在那里居住。资源提取被明确包含为一项要求（2.6）。特定地球或太空位置未作为程序需求确定，但隐含在位置数量（2.1）中。
- 种子工厂：使用工厂产出来扩展自身的想法是解决增长（2.2）和改进技术（2.3）需求的良好解决方案，但不会在程序级别强加新的需求。此类工厂的技术细节以及它们生产的产品将是更低级别的设计和需求。
- 循环系统：尽可能使用循环流的想法也是解决许多程序要求的良好方案，例如 7. 可持续性和 4. 成本，但我们没有从这个想法中看到新的顶级要求。
- 高效运输：同样，这对于成本和效率原因来说是一个好主意。我们已经设定了地球发射成本要求（4.3），这将指导我们努力将这个想法纳入其中。具有挑战性的成本目标将倾向于迫使减少化学火箭的使用作为解决方案，但这不会强加新的顶级要求。
目前，我们的分析过程到此结束。与任何工程设计一样，以后的更详细的工作可能会导致这些结果的更新。
以下需求列表是根据上一节中描述的过程得出的初稿。各个需求按类别排序并编号以方便跟踪，并讨论了它们是如何开发的。进一步的概念设计工作将增加和完善此列表，以生成最终的程序需求文档，这是程序概念设计阶段的输出之一。
- 1.1 程序目标 - 该程序应将人类文明扩展到一系列新的地点，这些地点的环境和距离越来越困难。
讨论：我们的程序理念是从最容易的地方开始开发新的地点，但在能源、自动化和循环利用等领域改进技术。这应该会导致成本降低和生活质量指标提高。第一个要求只是将概念的第一部分重述为明确的目标。所有后续要求对其进行了量化和完善。请注意，新地点包括地球上困难的地点以及太空中的地点。
- 1.2 程序规模 - 扩张应通过在新的地球地点永久支持至少 95,000 人，以及在每个新的太空地点永久支持至少 2,000 人来证明。
讨论：需要一个目标规模，以便知道何时达到程序目标，并确定硬件设计的规模。它们旨在足够大，以证明新的地点是永久居住的，并且新技术可以可靠地运行。它们是本程序的最终目标，但没有任何东西可以阻止之后或由其他程序并行进行进一步的扩张。生命周期分析在此结束，但这些地点被设计为继续运作。最初的人数会少得多，如果机器人和远程操作是开始建造太空的最佳方式，则可能为零。作为一个起点，这些数字是任意选择的，是 2050 年人类总人口的平方根和立方根。以后的尺寸分析可能会改变它们，但需要一些东西用于第一轮设计工作。
对新地点的展示以及满足所有其他要求支持对未来的乐观主义。它提供了一条通往不断增长、开放和改善生活的可理解的道路，而不是有限、封闭和零和的世界。
- 1.3 选择 - 具体地点及其内部组织、功能和运作应由程序参与者和地点居民在设计约束的范围内选择。
讨论：包含此要求是为了实现增加选择和自由的目标。因此，诸如在哪里建造新地点的选择并非自上而下地强加，而是内部做出的。参与者是像设计师这样的人，他们可能最终不会居住在新地点，而居民则是那些确实居住在那里的人。约束是由自然强加于设计的限制，例如某个地点的阳光照射水平，或者是由人类强加的，例如禁止在某个地点使用裂变反应堆供电的法律。
- 2.1 地点数量 - 设计应最大限度地提高新地点的数量，其中新的定义为环境参数或距离（以时间或能量形式测量）至少增加 10%。
讨论：要求可以是固定数量或可变参数。这里它是一个可变的，表示为“最大化”，没有具体数字。一个可以无限增加的要求会导致不平衡或不可行的设计。因此，诸如“更多地点”等理想参数通过使用效力指标和跨整个程序的评分来平衡其他参数。要求的第二部分确定在位置方面，多少差异才算得上是新的。
- 2.2 增长 - 每个地点都应以渐进的方式提高生产、居住和运输能力。
讨论：我们最初的程序理念将这些确定为文明的基本功能。设定增长要求而不是一次满足给定水平，允许增量和模块化设计。每个功能的增长率和目标能力尚未确定。以后的建模和优化将确定什么是可行的，然后将特定值应用于选定的地点。
- 2.3 技术改进 - 地点应以渐进的方式提高自产率、循环流和自主性水平。
讨论：该程序理念不仅是扩展到新的地点，而且是提高技术水平。此要求设定了主要改进类别。它是针对所有地点作为一个整体而言的，因为一个地点可能专门用于一项任务，例如采矿或种植食物。然后，不同的地点进行产出交易。在每个地点做什么以及它们之间需要多少运输的选择是一个设计优化，将在以后解决。自产率是内部完成的量，而不是从外部来源获得的。循环流是得到回收和再处理的材料，而不是新的投入和废弃物输出。循环流不计入用于内部增长或外部交付的新生产。自主性衡量自动化和内部控制的水平，以便一个地点不需要那么多外部支持或人工来保持运作。这些参数的数字水平将在以后根据可行性设定。
- 2.4 生活质量改善 - 完成的地点应提供相对于地球文明前 10% 而言改善的物质和社会生活质量。
讨论：这将改善地球生活的目标具体化，通过展示远高于当前平均水平的生活质量来证明这一点。用于比较的确切衡量标准将需要在概念开发的后期定义。10% 的阈值是一个名义上的目标，代表“比大多数条件好”的条件。
- 2.5 数据 - 该程序应收集和传播关于地球环境、周围空间及其物体[待定]的数据。
讨论：此要求支持该程序的目标，即通过观察地球的环境以及其他行星和物体的历史和演变来更好地了解地球。在这个阶段的分析中，我们不知道哪些类型的数据有用，什么级别的细节或什么成本，因此我们使用占位符值。现有的天文学和行星科学计划已经在执行这项任务，因此最终的要求将是该程序将增加哪些超出这些能力的能力。此外，一些数据收集是支持未来向太空中的新地点扩张所必需的。
- 2.6 资源 - 该程序应输出至少 100% 的内部材料和能源资源需求的生命周期盈余。
讨论： - 这支持该程序的目标，即扩展文明的物质和能源资源。该程序将在内部消耗资源以运行，并且不会立即产生盈余，因此此要求为该程序从文明返回的整个生命周期设定了一个净输出要求。
- 3.1 完成时间 - 在预计的技术进步表明需要重新设计之前，应完成向新地点的扩张。
讨论：如果该程序开发新地点的速度太慢，那么在你完成之前，就会表明需要重新设计以适应新技术，因此之前的设计工作将被浪费。这与可能表明特定时间表的经济或其他原因是分开的。如果多个要求驱动一个参数，则使用最严格的要求。
- 3.2 运行寿命 - 地点应设计为无限期运行，并提供维护、修理和更换。
讨论：文明的扩张是一个开放式过程，因此意图是建立永久性的新地点。人类制造的任何东西最终都会磨损、损坏或可能被更好的东西取代。为了实现无限期运行，我们需要提供持续的维护、故障项目的修理以及最终的更换或升级。
- 4.1 总开发成本 - 新技术和硬件设计的总开发成本应小于地球上单位成本的 50 倍，以及太空硬件单位成本的 5 倍。
讨论： 只有少数政府和企业有能力和动力进行大型太空项目。在早期阶段，规模缩小意味着更多可能参与项目的实体，从而增加了项目实际完成的机会。大型实体并未被排除在这些项目之外，只是它们不应该是唯一能够执行这些项目的人。这是限制总开发成本的原因之一。另一个原因是产生经济回报率，使项目能够自筹资金（或至少部分自筹资金）。基于对硬件使用地点数量的估计以及希望将开发成本与单位生产成本保持在合理的范围内，我们分别为地球和太空设定了硬件单位成本的 50 倍和 5 倍的合理价值。
- 4.2 新地点成本 - 新地点的峰值净项目成本应低于预期长期净产出的 50%。
讨论： 为了证明一个新项目比无所作为或继续现有的项目更合理，它必须表明一些利益或改进。此要求以纯粹的经济术语设置了最低收益标准，即生命周期产出价值是峰值项目成本的两倍。除了货币收益之外，还有其他类型的收益，这些收益将在其他要求中涵盖，更详细的成本目标将在设计后期阶段制定。
- 4.3 地球发射成本 - 该项目应逐步降低总系统成本中的地球发射成本部分，目标为每公斤总系统质量 0.08 美元。
讨论： 项目的潜在收益之一是大幅降低太空项目的成本。我们将此作为一项要求，以推动设计明确尝试实现该目标。这仅涉及该项目的太空运输部分，地球陆地位置的地球表面运输已经过优化，任何降低其成本的项目要求将是独立的，目标也小得多。假设在太空中使用本地资源，一个合理的长期目标是从地球上获得 2% 的总质量。因此，发射质量的目标将为 4 美元/公斤。这两个因素的乘积得出地球发射成本，因此组件要求成反比。这是一个长期目标，在项目初期不会实现。总系统质量包括消耗的质量，如推进剂，因此推进剂生产可能很容易实现从地球发射的质量百分比非常低。
改进的技术（2.3）、剩余资源（2.5）和此要求的结合支持该项目的扩展市场的收益。
5. 技术风险
[edit | edit source]- 5.1 风险容忍 - 项目设计应包括对知识、性能、故障率和其他技术参数中的不确定性和未知因素的容忍。项目计划中可以包含风险更高的全新设计，但应包括解决风险的流程，并维护风险较低的备用设计，直到问题解决。
讨论： 请注意，技术风险源于设计中的未知因素，与事故风险不同。该项目的目的是利用新技术开发环境更恶劣的新地点。这种突破界限的本质意味着最初会遇到相当大程度的技术风险。但这并不意味着为了风险而冒险 - 应有足够的潜在收益来证明更高风险的合理性。我们采用容忍方法来管理技术风险，这意味着我们估计不确定性并将它们纳入我们的设计。我们没有被动地承担风险，而是增加了降低风险的要求，例如通过测试来降低风险，并在新技术未能达到预期效果时提供备用设计。管理风险的另一种方法是安全保守，但那不会带来进步。
6. 安全
[edit | edit source]- 6.1 新地点风险 - 新地点应逐步降低内部的生命和财产风险，目标是比一般人群的风险显着降低。
讨论： 扩展到新的和恶劣的环境本质上会涉及一些风险。最初的风险高于平均水平是可以接受的。如果人们知道风险，许多人会自愿接受这些风险。此要求设定了一个目标，即在某个地点完全开发后，对于该地点内部的人员和财产来说应该是相对安全的。
- 6.2 人口风险 - 该项目应显着降低对一般人群的自然和人为风险，包括该项目产生的外部风险。
讨论： 已经存在自然风险，例如太阳耀斑和小行星撞击，以及人为风险，例如轨道碎片和发射事故。这些对社会总体来说都是危害。为了实现该项目的降低太空危害的目标，我们设置了降低这些危害的要求。该项目本身会对项目之外的人员和场所造成一些新的危害和风险。目标是降低总风险，包括新产生的风险。
7. 可持续性
[edit | edit source]- 7.1 生物圈安全 - 该项目应通过建立替代生物圈和长期储存生物材料来提高生物圈安全。
讨论： 地球上的所有生命和人类文明目前都依赖于单一的自然生物圈。这是自然或人为原因导致的潜在单点故障。拥有额外的功能性生物圈和储存形式的备份可以提高安全性。性能下的栖息地要求可以通过完全机械的方式满足，因此此要求增加了生物特征。我们无法合理地复制整个地球，因此此要求的范围将由可行性决定。
- 7.2 生存能力 - 该项目应设计用于应对地球的变化，这些变化将使地球无法居住，并导致关键资源枯竭，以确保生命和人类的长期生存。
讨论：众所周知，太阳会变得更热，最终会变成一颗红巨星。可能还会出现其他长期变化，例如地球轨道的变化。此要求将设计要素纳入其中，这些要素将能够对这些长期变化做出反应。由于它们是遥远的未来，因此除了了解这些变化的性质之外，近期可能不需要采取太多行动。关键资源是文明正常运行所必需的，这些资源来源有限，在某个时间点会枯竭。设计的一部分是考虑这些资源是什么，并寻找替代资源或额外资源。
8. 开放性
[edit | edit source]- 8.1 开放设计 - 在该项目中开发的技术和设计方法应向其他人开放使用。特定设计实例和生产的物品可能是专有的。
讨论：首先开发地球位置（上述 1.2 和 2.1）、改进技术（2.3）和此要求的结合旨在实现技术衍生/地球应用的效益。由于它们首先在地球上使用，并且是开放的，因此应该在项目之外进行大量转移。
- 8.2 访问 - 开发新地点不应阻止对过境或未使用的资源的合理访问。
讨论： 8.1 和 8.2 都解决了增加机会的目标。开放通用技术和方法使项目之外的其他人能够使用它们。特定设计和人工制品可能是专有的，因为有必要支付成本。进入壁垒会减少机会，因此允许后来的到达者穿越或访问未使用的资源可以最大程度地减少这些壁垒。不合理索赔的一个例子是，从高轨道平台延伸 1000 公里的禁区。出于安全和防止太阳遮蔽的原因，一些禁区是合理的，但不能那么大。