第 3.1 节 - 设计因素
本节介绍影响多种子系统元素设计的因素。最明显的因素是定义系统应该做什么的一组要求，以及用来评价设计好坏的标准。要求和标准在第 1.5 节中讨论过。
这些因素涉及不同技术的性能水平及其成熟度。项目或设计应该为给定技术假定一致的性能值和假设。这需要在设计中的不同子系统之间以及不同的替代设计选项之间进行。例如，如果在一个备选方案中使用了 100W/kg 的太阳能电池板功率/质量比，那么在其他设计备选方案中也需要使用相同的值。
技术的成熟度或准备度是衡量其从最初想法发展到普遍使用的程度。美国宇航局开发了技术准备度等级 (TRL) 来描述技术的现状。TRL 越高，对给定技术的成本和性能的不确定性就越小。应该注意了解技术的实际状态，并留出适当的风险裕度。
这些因素涉及给定的材料、组件、子系统、人力技能或设施是否可用于给定的项目。给定的设计选项可能需要供应有限的组件。即使它们性能更好，如果项目需要它们时不可用，它们会导致不可接受的延迟。供应有限的原因包括：具有生产该物品技能和能力的供应商数量、他们目前的订单积压、他们从供应商那里需要的上游资源、进出口限制、可能的生产中断、知识产权以及现有的合同协议。任何不明显供应充足的物品都应核实其可用性，至少要确定一家能够满足项目需求的供应商。在某些情况下，项目本身可以开发能力来提供给定的物品，但这会带来额外的任务。
- 材料选择 - 这涉及如何为设计的不同部分选择材料。通常，材料选择会涉及除强度和熔点等明显因素之外的多种因素。当重量很重要时，强度/密度比很重要，对于太空系统来说大多数时候都是这样。材料成本。材料的合格意味着经过足够的测试以了解给定的材料在给定的用途上的工作效果。新材料可能没有经过足够的测试。
- 设计裕量
- 设计寿命
- 腐蚀和疲劳
集成是将较低级组件组合成执行一组功能的较高级元素的过程。
- 设计预算
系统将对有限的物品（例如组件质量、维护时间、通信或命令输入）有预算。这些预算适用于多个子系统，必须进行估计、分配和跟踪。
- 可测试性
- 子系统交互
这是对不同系统相互施加的影响的考虑。这些可能包括加速度、振动、热量、电磁、辐射等。
你无法设计人类（至少现在还不行），因此你必须将人类特征纳入设计中。这包括加速度耐受性等物理因素，以及学习和执行操作任务的有限能力等心理极限。
人类有各种尺寸。因此，座椅和控制界面必须适应不同的眼睛位置、眼睛聚焦、手臂伸展范围、手部尺寸和其他特征。诸如宇航服之类的设备要么需要适合用户范围，要么需要进行人员选择以将尺寸范围限制在适合设备的范围内。太空项目数据的一个来源是美国宇航局的人机系统集成标准，但是由于大多数系统都与人类交互，因此这个话题在地球上已经引起了很多关注，因此必须设计这些系统以与人类交互。
操作复杂系统不是直观的，因此人类操作员必须接受任务培训。它要求自然技能的数量加上培训必须适合给定船员的能力。对于长时间运行，可能需要对不经常执行的任务进行再培训。模拟器用于以较低的成本进行培训，并用于训练危险情况，例如发动机失效。因此，除了设计操作硬件外，还必须在设计中考虑培训媒体、讲师和模拟器。
任何设计都必须能够经受住它所处的各种环境。这些将包括生产、存储、运输和操作环境。我们可以将环境大致分为两类：物体和空间，因为前者具有不同的局部条件。
太阳系及其以外存在着各种各样的天体，地球就是其中之一。这些天体的环境条件差异很大，而且个体天体上的局部环境条件也千差万别，因此我们不会尝试列出所有个体细节。相反，我们将重点关注在设计中应考虑的环境参数类型及其可能带来的影响。对于特定地点，可以参考之前科学或其他数据源获取详细信息。如果这些信息不可用，则可能需要新的观测或访问才能获取当地数据。
如果一个天体拥有大气层，则应考虑以下几个条件。
- 静压 - 系统的内部元素，例如人类，可能需要特定的条件。如果外部压力过高或过低，则设计需要包含一个压力壳来维持所需的压力水平。
- 动压 - 这些是由运动中的大气（风）或系统在大气中运动产生的力。结构必须设计成除了静压以外还要承受这些力。轻型或大型结构可能会因动压载荷而弯曲或发生整体位移。
- 成分 - 大气层可能含有与系统硬件发生反应的气体。例如，地球上的氧气和水，以及金星上的硫酸。一些气体易燃（快速反应）系统排放或泄漏的物质。例如，泄漏的氧气罐在甲烷大气中可能会发生燃烧。
- 尘埃 - 大气层可以输送尘埃和更大的颗粒。这些颗粒会磨损表面，或沉积在表面并积累。尘埃可能干扰机械设备，并对生物体造成危害。
- 凝结 - 在某些条件下，大气成分可以凝结成液体或固体形式，然后由于密度较高而以雨雪的形式降落。非常小的凝结颗粒可能以雾和云的形式悬浮在空中。对设计的影响包括表面凝结以及降雨和积雪在设备和地面上的积累。
- 透明度 - 大气层由于在特定波长上部分或完全不透明，可以降低能见度、通信，并过滤进出光和热。透明度可能是由大气中的气体、尘埃或凝结造成的，并且可能发生变化。
系统元素的平衡温度包括太阳辐射、任何存在的大气层的热量传输以及来自固体或液体地面的热量传输。大多数天体都在旋转，因此太阳辐射量会随时间而变化。如果它们的轨道是显著的椭圆形，那么太阳辐射量也会随距离而变化。大气可以通过辐射、对流和传导传输热量。在一定程度上，大气是透明的或不存在的，热量可以损失到宇宙的极冷背景温度中。在物体表面附近、表面上或表面以下运行的系统，除了太阳辐射以外，还会从物体中获得一些热量。
一个正常运行的系统通常也会从组件的操作中产生内部热量，因此平衡温度是在内部和外部热流平衡时产生的结果。如果该温度高于或低于系统运行所需的温度，则必须添加散热器、加热器和隔热等组件，以将内部温度控制在所需范围内。
在地球上，所有地点的重力水平都在标准值（9.80665 m/s2）的几个百分比之内。对于其他天体，除了气态巨行星以外，重力水平通常更低，变化也更大。当水平低于生物或工业过程的需求时，可能需要通过旋转产生人工重力。如果重力水平非常低，以至于摩擦力或重量锚定无法像在地球上那样发挥作用，则可能需要特殊的运动和固定方法。当存在显著的重力水平时，设计需要考虑由此引起的结构载荷，以及物体对载荷的承受能力以及物体支撑载荷的能力。
几乎所有地点都会从放射性衰变、太阳风和耀斑、俘获粒子带以及宇宙射线等多种来源接收辐射。除了自然来源以外，系统中还可能包含人工来源，例如放射性同位素发生器、加速器以及各种类型的反应堆。人类和其他生物、敏感电子设备以及某些仪器会受到高辐射水平的影响。对于点源，可以利用距离来进行防护，对于其他来源则需要使用各种类型的屏蔽。最佳屏蔽类型因辐射类型而异，设计中的其他部分可以通过其质量和排列来提供屏蔽。
太阳是太阳系的主要光源。它为加热和供电、光合作用和其他化学反应以及自然照明提供来源。当没有被大气层过滤时，光谱的高能部分（紫外线及以上）对人类和其他生物体有害，并可能降解其他材料。由于物体上的夜间阴影或系统元素内部的阴影，缺乏阳光可能需要人工照明。
在没有显著大气层的天体上，暴露位置的设计应考虑流星的自然通量。长期暴露会导致表面出现坑洼，在极少数情况下，更大的撞击会导致更严重的损坏。
天体表面可能会经历诸如地震、火山活动、强降雨和洪水、大风、沙尘暴、火灾等瞬态事件。它们还会经历季节性和长期变化，例如表面融化和地形变化。系统应通过设计特征或对低频事件进行财务保险来考虑此类事件的频率和严重程度。
太空环境并没有出现大型天体不存在的全新参数类别，但每个参数的细节将有所不同。
显著的大气层受重力的束缚，与巨大的天体相连，但它们会逐渐过渡到存在于不同天体之间的背景介质中。地球大气的上层会延伸到最低稳定轨道之外。虽然稀薄，但该区域中的导电等离子体和原子物种会影响硬件。这组粒子不同于辐射组，因为它们能量较低，因此无法穿透固体物体。
由于太空环境中的密度较低，它具有较低的热传导率，因此它内部的温度（由粒子速度决定）可能与嵌入其中的物体的温度截然不同。出于设计目的，系统元素将主要受到太阳辐射、附近物体反射的光或阴影以及热量损失到寒冷的宇宙背景的影响。
由于重力是通过平方反比定律作用的，因此它永远不会完全消失，只是随着距离的增加而减弱。对于轨道上的物体，重力表现为轨道的形状，这会影响设计，例如变化的通信距离、阳光和阴影时间以及到达所需目的地所需的时间。当硬件元素相对于巨大物体的距离很小时，系统不同部分的自由轨道轨迹几乎相同。因此，设计需要考虑元素之间缺乏力的因素。大型结构会看到重力的差异，称为潮汐，使用推进或旋转的物体会看到类似于重力的作用力。
太空环境通常比地球表面具有更高的辐射水平。来源包括来自太阳的紫外线和粒子辐射以及宇宙射线。具有强磁场的星体，如地球和木星，可以捕获粒子并形成具有特别高辐射水平的**辐射带**。辐射水平可能会因太阳耀斑等短期事件而发生显著变化。有关辐射的其他设计因素，请参阅之前“物体环境”部分下的“辐射”标题。
太空环境中的光通量与之前“物体环境”中提到的设计影响相同。不同之处在于它不受任何大气的过滤，以及根据位置的不同，存在不同的昼夜循环或没有昼夜循环。
太空环境包含从尘埃颗粒到各种尺寸的已追踪物体的自然固体颗粒（通常为 1 米）。除了自然粒子外，还有人造碎片、失效硬件和仍在运行的硬件。设计需要考虑小颗粒的随机撞击，以及追踪和避开较大物体，或以其他方式考虑因此类撞击造成的损坏风险。