第 4 部分：项目和计划
在本系列书籍的前几部分，我们讨论了执行特定功能的单个系统。在第 4 部分，我们将考虑更复杂的项目和计划，这些项目和计划涉及多个系统。多个系统可以同时存在并相互作用。它们也可以作为一组在较长时间内增长和演变，新系统取代旧系统。当多个系统针对一个或多个共同目标时，我们称之为计划，例如美国民用太空计划。
一个优化的计划通常会产生一个包含多个系统的设计。以下将介绍其中的原因。为了设计和管理目的，一个大型复杂的计划可以组织成一个多级结构，从整个计划到单独设计的系统。然后我们需要方法来描述计划的部分。一些常见的描述包括
- 项目 - 在一个管理之下同时存在的一组系统，并且具有一个共同的目标。
- 部分 - 计划中的一组系统，具有不同的管理和共同目标。
- 阶段 - 计划的一部分，存在于一个较长时间内，并且有显著的增长、演变和用新系统替换旧系统。
然后将项目、部分、阶段和其他部分组装起来形成更大的计划。名称和结构在某种程度上是任意的，并且根据特定计划的需要进行选择。重要的是，选定的结构涵盖计划所需的所有工作，并且所有参与工作的人员对结构及其部分如何组合在一起有一个共同的理解。尽管大型计划可能很复杂或很长，但系统工程的原则仍然可以应用于优化整体设计。当计划的生命周期相对于技术、社会和环境的变化很长时，系统工程任务可能会重复执行，或持续执行以获得最大的收益。
一般来说，项目越复杂，或在位置、体积、流量或时间上越扩展，就越有可能导致多个系统。不同的环境和可用资源将推动不同的本地解决方案。技术的进步和经济的变化也会随着时间的推移而指导设计的变化。在任何大型或长寿的计划中，都应该至少考虑多系统方法，看看它是否能带来更好的结果。一些具体原因包括
- 非线性 - 给定的运输或工程方法在其方程中通常有一个非线性项 - 至少是二次的，如果不是指数的。例如，阻力与速度的平方成正比，而火箭方程将质量比和推进剂作为速度的指数函数而增加。将总工作分解成组件通常更有效，因为较小的非线性项之和小于一个应用了指数的单个较大项。
- 复杂的需求 - 人们的需求很复杂，我们希望完成的项目通常有多个目标。这推动了使用多种材料、设备、能源等的设计解决方案。因此，没有一个单一系统或技术解决方案可能最能满足所有期望的结果。
- 经济学 - 一个单一的大型“孤注一掷”式整体系统，需要大量的预先投资，通常会导致浪费。除了上面提到的非线性影响之外，我们无法预测未来的技术发展，大型项目通常需要很长的开发时间。如果你分步骤构建，你有机会在出现新的改进时改变方向，或者只对需要改动的部分进行改造。最后，有了增量项目，你可以更早地开始使用它。这可以产生更高的经济回报率。
在单一系统还是多个系统之间进行选择，不应该在事前随意进行。如果可能，这个决定应该通过对备选方案进行分析并选择最佳方案来做出。有时，出于非工程原因，可能无法做出正确的选择。例如，美国的民用太空计划由 NASA 全面运营，并由国会拨款资助。一个从单一来源获得资金的单一机构可能会让划分或建立单独系统变得更加困难，即使从工程的角度来看这是合理的。组织结构、预算审查流程和国家政治倾向于支持单一和保守的解决方案。反之，美国政府资助的太空活动在 NASA、国防部、商务部和能源部之间的历史性划分，可能会让合并项目和计划变得更加困难，即使它们在经济上更合算。
第 4 部分的主要目的是展示如何将本书前面部分介绍的各种工程流程和技术付诸实践。因此，我们提供了一个长期复杂计划的扩展示例，该计划涉及多个陆地和太空系统。与印刷书籍不同，本书中的示例不必保持静止，而是在时间推移中发展。完成的部分将通过示例展示如何进行计算和决策。个人或团队也有机会进一步发展这些想法，并练习他们的设计技能。他们的工作可以记录在第 5 部分的设计研究中，或作为要链接的单独文档。最好的想法可以重新纳入本书的主要讨论。希望这种方法是一种有效的教学方法，让读者获得真实的的设计经验，并为未来项目取得真正的进展。
状态 - 到 2017 年 9 月，本书整体上完成了一份大约 65% 的初稿。第 4 部分仍然不完整，但截至 2017 年底正在进行重大修订。
我们选择的示例的总体目标是将地球文明升级并扩展到更困难的环境，然后扩展到太阳系的更遥远和更困难的区域，最终超越太阳系。我们将把为这个多区域努力选择一个朗朗上口的名称留给其他人，只将其称为“我们的计划”。计划的组成部分并不打算在一个单一的集中控制之下。这既是为了说明分布式计划元素之间的交互，也是因为在现实世界中以单个实体运行如此大型的计划是不切实际的。因此，计划的每个部分都需要自己的理由来进行，无论它们是经济上的还是有其他动机。计划的描述和支持概念有助于提供这些理由，以及一个结构来告知和协调独立的努力。各个部分将相互作用，以及与外部世界相互作用。相互作用的部分以及整个计划都不是静止的，而是在不断发展。
我们选择这个示例有几个原因
- 作为一个长期的、范围广泛的计划，它让我们能够展示许多类型系统和子系统的设计考量和方法。
- 在后续的设计研究和单独的文档中，我们可以通过示例进行教学，详细展示如何进行计算和决策以得出设计。
- 这是打算作为一种现实的计划概念，包含了当前最好的技术和想法。如果足够好，提议的元素可能实际上会被采用并建造。
- 一个使用新概念和新技术的开放式计划允许读者进行有用的原创工作。与此同时，他们可以获得个人设计技能和经验，并练习在不同的团队中工作。
计划概念部分基于Dani Eder 的工作，他是规范列表 的最初作者，本书就是由此衍生而来。它还包括许多政府或商业计划尚未追求的新想法。在目前的状态下，它并不完整，也不声称是最好的计划概念。相反，它打算作为使用最近太空开发想法的起点，许多其他人的贡献可以由此发展出一个最佳设计。我们打算在进一步发展提出的计划中使用第 1 部分中描述的工程方法。
一个大型而复杂的项目自然无法在一页，甚至一本书中完全描述。第 4 部分中的章节和页面按照项目阶段的顺序，大致按时间顺序介绍了该项目的概念探索阶段。第 5 部分的设计研究以及其他地方的相关信息将提供有关设计选择和计算的更多详细信息。当前的章节和页面包括
- 第 4.1 节：项目概述 - 总结了迄今为止开发的项目概念。
- 第 4.2 节：第 0 阶段 - 研究与开发 - 确定了后期项目阶段所需的新技术或改进技术和方法，以及如何开发这些技术和方法。此类项目必须在使用前开发，因此第 0 阶段在逻辑上先于其他阶段。当识别出所需项目时，会将它们反馈给第 0 阶段，以进行规划并与其他工作整合。
- 第 4.3 节：地球的第 1 到第 3 阶段 - 总结了通过种子工厂在地球上改善和扩展文明的方式。这些系统从启动集开始，并使用智能工具、当地能源和材料以及工艺和设计知识发展到所需的任何规模。此类系统将在项目的太空部分使用，但它们在地球上的应用超出了本书的主题。这些应用和种子工厂的概念在另一本书中进行了讨论。
- 第 4.4 节：第 2B 阶段 - 太空工业地点 - 描述了地球上进入和支持太空工作的工业子集，例如火箭工厂和发射台。其他行业已经存在，因此地球上的太空相关行业不必从启动集开始。这种方法在太空更有用，因为目前太空中的工业非常少。
- 第 4.5 节：第 4A 阶段 - 低轨道开发 - 第 4 阶段通常涵盖远离地球表面的轨道区域。第 4A 阶段涵盖了现有轨道和现有项目的延伸，包括 160 到 2700 公里高度之间的区域的进一步开发。
- 第 4.6 节：第 4B 阶段 - 高轨道开发 - 涵盖了地球表面 2700 到 150 万公里之间的轨道区域的进一步开发，不包括月球及其周围的轨道。
- 本书的目录列出了第 4 部分中的其他几个页面：超高速发射器、低重力运输、电推进、轨道采矿（2 页）、加工厂、航天港网络和星际转移。这些内容来自本书的早期草稿，并将合并到相应的新的章节中。其他一些章节将为额外的阶段添加，所有章节都将重新编号。
- 第 4.12 节：第 5A 阶段 - 月球开发 - 第 5 阶段通常涵盖行星系统及其周围的附近轨道。月球的尺寸和位置非常重要，因此我们将它放在其他主要行星系统的同一个阶段。月球和更远的区域仍处于科学和探索阶段，尚未得到进一步开发。
- 第 4.14 节：第 5B 阶段 - 火星开发 - 本节介绍了火星及其周围轨道区域的开发，超出了当前的科学和探索活动。
- 后期项目页面目前是一个占位符，用于以后添加的其他页面。
- 第 5.1 节：项目概念设计 - 这是一项设计研究，展示了如何开发升级项目的概念设计。它比典型的技术研究最终报告更全面。最终报告记录了研究结果。在这里，我们还展示了得出结果的逻辑和计算，以便其他人可以从中学习并改进。