简介
这是关于为我们自己、我们的社区和世界创造更美好生活的两卷本的第二卷。建造既指字面上的建设和生产，也指人们如何共同努力实现目标的社会意义。我们方法背后的核心思想可以概括如下
- 地球和太空拥有丰富的资源和能源。
- 拥有足够的知识和工具，我们可以利用它们来创造更美好的生活。
- 通过规划，这可以是可持续的，并避免不必要的副作用。
- 合作使其负担得起，自我完善使其可扩展。
- 智能工具可以完成大部分工作，使其更容易。
第一卷关于种子工厂和自我完善系统涵盖了这些想法的基础，包括它们的历程、设计此类系统的要素以及设计过程。然后我们介绍了几个在地球上使用这种方法的项目和系统的例子。每个示例都旨在通过自我完善在内部发展，并通过启用其启动套件的副本在外部发展。这些示例相互链接，因为较早的示例可以发展成后期的示例，可以为它们制作零件，或者可以为后期的示例制作完整的启动套件。
本卷涵盖了地球以外太空的截然不同的条件和位置。我们首先研究与太空相关的科学和工程基础知识。既然你必须到达那里才能做其他任何事情，其次是到达太空并移动的技术。第三是适用于太空项目的特定工程技术。第四部分继续第一卷中从轨道和行星位置到太阳系以外位置的项目和系统系列。第五部分提供一些设计研究作为示例，供在学习讨论主题时练习。最后，我们列出不在本书其他地方包含的参考文献和来源。
我们涵盖了过去和现在的太空项目和计划，但也涵盖了许多需要研究和开发的未来方法、技术和项目。并非所有这些都将被证明有用，但我们包括所有我们知道的。在启动项目时，了解其他人已经做了什么以及想到了什么会有所帮助。这可以避免重复工作，并有助于确定选择。在线格式也旨在解决传统印刷教科书的一些局限性
- 近年来它们的高成本。维基教科书是免费的，并且是开源的。
- 难以包含或链接其他媒体类型，例如音频、视频、模拟和软件。
- 在快速发展的领域中更新印刷书籍的相对难度。
- 该领域的信息量非常庞大。这些卷不受印刷技术的限制，我们正在建立一个补充参考库。
- 学习不仅仅是阅读。因此，我们包括一些项目，感兴趣的读者或团队可以将其用作设计练习，甚至构建。
我们的星球位于太空中，正如这张从远处拍摄的地球照片所示。太空不是一个不同的去处 - 我们已经在那里。我们之所以将其视为别处，是因为我们大多数人一生的大部分时间都生活在银河系中数十亿颗星球中的一颗星球表面附近最适宜居住的区域。这就是我们进化的环境，也是条件对我们来说相当适宜居住的环境，因此我们认为它是正常的。
实际上，我们舒适的星球是例外。绝大多数环境对我们所知的生活来说都是不利的。我们可以使用技术在这些地方生活，就像衣服和火让我们能够生活在地球的寒冷地区，船让我们能够穿越海洋一样。对于太空，我们首先学会建造可以在那里工作的设备。在那之后，我们开始建造人工环境，如太空舱、宇航服和空间站。这些让人们能够在太空中生活不同长度的时间。到目前为止，太空中同时最多的人数约为 17 人，而总人口为 80 亿。因此，太空生活才刚刚开始。
在未来，我们可能会开始改变太空环境，使其更宜居。原则上，我们也可以改变自己，以更好地生活在太空中，但对于地球上存在的所有其他生命来说，这样做将很困难。复制类地环境从一开始就更简单。
截至 2021 年，全球太空经济已达到 3860 亿美元/年，约占全球经济活动的 0.4%。随着我们更多地了解太空的使用并扩展到太空，预计它在未来会大幅增长。太空的能量和物质资源远远大于地球上的资源，使用它们可以最大限度地减少对地球环境的副作用。经济和保护地球都使太空系统工程成为一个值得研究的领域。
过去太空项目的主要挑战是能够到达太空的火箭，以及设计相对较小的卫星（作为其重量的百分比），这些卫星具有有限的寿命，并且可以携带。这些主题在现有的教科书中得到了充分的介绍，例如萨顿的火箭推进要素和格里芬和弗兰奇的航天器设计。
从较新的项目开始，例如国际空间站 (ISS)，新的设计特征变得越来越重要。这些包括长期居住、进化和发展、可持续性和工业能力。未来的项目将需要新型的推进系统、生命维持系统、生产和组装。单个项目也不再能够孤立地考虑。例如，ISS 依赖于多种发射运载工具来运送机组人员、物资和硬件，并依赖于中继卫星与地球通信。本卷的一个原因是解决这些过去教科书没有涵盖的最新和未来的变化。
我们无法将有关太空系统和项目的全部知识都纳入像这样的一本介绍性书籍。因此，我们将包含指向更详细来源的广泛链接和参考文献。种子工厂项目（本卷是其一部分）建立了一个参考库，其中包含一些更有用的公开可用的文章和书籍，以补充这套书籍。我们无法在未经许可的情况下分发该馆藏中的版权作品，但我们可以提供列表，以及感兴趣的读者在哪里可以找到它们。
请注意，流行文化错误地将太空系统工程称为“火箭科学”。它是工程的一部分，而不是科学，并且不只与火箭有关。我们希望认真的学生能够理解其中的区别。
工程师除了书籍之外，还会使用其他工具来完成工作，例如模拟软件和电子表格。维基教科书不支持包含软件文件，因此，随着时间的推移，将添加指向可以找到这些项目的链接。
我们制作了一份2023 年报告，它是我们想法和提议项目的简要介绍。我们正在将其中的一些想法纳入这套书籍。
本书的组织方式是从科学与工程基础知识（第一部分）到技术要素（第二部分和第三部分），到链接到组合程序的完整项目（第四部分）。第五部分旨在展示示例设计研究，展示过程的细节。本书以不在书中正文中包含的一般参考文献和来源，以及数据附录结尾。
每个部分都分为编号章节，章节有章节和子章节用于内部引用。我们将尝试强调基本原理和关键设计参数，因为这些参数比例如当前火箭的具体细节具有更持久的价值。
我们包含了许多目前没有使用的方法和概念。原因首先是，在启动新项目时，最好至少简要考虑所有可能的替代方案，然后缩小到最相关的方案。其次，这是一本面向未来的书籍。虽然某个概念可能今天没有用，但了解最新技术和需要关注的技术领域有助于判断它何时变得有用。第三，将所有想法都摆在眼前可能会激发之前从未想到的新组合或应用。这对我（埃德）不止一次发生过，因此我可以证明它的有用性。
所有工程学都依赖于数学和科学的底层知识。因此，我们首先介绍一些读者应该熟悉的、与空间系统相关的基本信息、重要原理、公式和方法（第 1.1 章）。其中大部分是物理学，但也包括其他科学的一些关键思想，包括天文学、行星科学和化学。
太空中的物体总是相对于彼此运动，而且它们之间的距离远大于地球上的距离。因此，接下来是轨道力学（1.2）以及可用于人工移动到选定目的地的力（1.3）和能源（1.4）。
在此之后，我们介绍了通用工程方法，包括 系统工程 学科（第 1.5 章）。系统工程的目标是在整个生命周期内优化复杂系统。大型太空项目足够复杂，因此这种方法非常有用。复杂性也要求有方法来跟踪细节，并使整个项目保持一致。请注意，较小和更简单的项目，例如第一卷中的一些项目，不需要这种级别的设计和分析。
然后，我们介绍工程师在工作中使用的工具（1.6），然后介绍各种专业的工程学科，例如结构和电气设计，这些学科与整体系统优化并行使用（1.7）。大多数大型项目使用不同领域的专家，因为任何一个人都掌握不了太多知识，而且需要大量的劳动力。
早期的概念工作可以由一两个人完成。随着大型项目的开展，越来越多的拥有合适技能的人员被带进来，负责处理细节。反过来，这要求项目团队内部高效的组织和协调（第 1.8 章）。经济学探讨了项目中除了人员和知识之外的其他资源，包括资金和财务分析。
第一部分的最后两章总结了现有的计划（1.9）和未来项目的主题领域（1.10）。建议的未来项目应与现有项目进行比较，以查看它们是否提供了足够的改进以证明其创建的合理性。未来活动的范围也有助于确定目标、要求和发展路径。
我们注意到，在太空做任何事情之前，你必须先到达那里。因此，第二部分讨论了到达太空并在太空中移动的方法。过去的火箭只能将总重量的 5% 或更少的货物送入轨道，更远的目标则更少。提高货物比例和减少货物重量成为太空项目的首要任务。但是这些努力使得成本非常高。虽然这仍然很重要，但我们在本书中采取了更加平衡的方法。改进的运输和利用已在太空中的材料将使质量平衡向目的地倾斜。因此，本书对运输和利用当地资源给予同等重视。
迄今为止，人们提出了许多（约 75 种）比实际使用过的（约 5 种）技术，其中一种，化学火箭，已被使用得最多。第 2.1 章到第 2.10 章按类别列出了许多已知和推测的技术。在列出可用的概念之后，最后一章（2.11）进行了一些比较，并讨论了如何为给定项目选择最佳候选人。
化学火箭使用如此之多的部分原因是“先发优势”。它们是第一种进行严肃研发的太空推进方式。它们拥有最长的历史、最优化的设计以及最熟悉的操作，因此它们继续被使用。但这并不意味着它们是客观上对所有时间和所有情况的最佳解决方案。近年来，其他方法（例如电推进）的使用变得越来越普遍。
如上所述，在启动一个新项目时，在将候选人列表缩减到最佳候选人之前，值得对所有可能的技术选择进行调查。这样就不会忽视任何好的选择。这也是第二部分和第三部分试图全面介绍的原因之一。此外，没有哪一种方法是针对所有位置和项目需求的最佳选择。例如，现在通常使用化学火箭到达初始地球轨道，然后使用电推进进行轨道改变。
第三部分考虑了用于到达太空的生产和运营技术，以及如何到达太空后利用其资源。到达太空是地球制造的子集。这种规模的自改进系统在第一卷第 7.0 章工业生产中进行了介绍。在太空中的生产以及随后产品的使用可以使用许多地球上使用的相同方法和技术，但需要适应当地条件。还有一些新的方法是太空环境和资源所特有的。与地球相比，太空使用的混合方法通常不同，而且太空中的不同位置也不同。
第 3.1 章列出了影响太空项目多个部分的整体设计因素。在第二部分介绍了运输之后，我们接着探索构成完整系统或项目的其他子系统（3.2）。大型计划或项目通常包含多个具有不同目的和功能的系统元素。
第三部分的其余部分介绍了适用于太空或太空特有的技术。这包括寻找资源（3.3）、提取资源（3.4）、将资源转化为有用的材料和零件（3.5）、组装和建造（3.6）、验证和测试（3.7）、操作和维护（3.8），最后是回收和处置（3.9）。在我们使用这些术语时，“技术”包括所需的知识和工具，“方法”概括地描述了如何完成给定任务，而工程“设计”则在特定实例中实现该方法。
到目前为止，大多数太空项目的做法是在地球上完成所有设计和建造，然后发射预先建造和预先供应的完整物品，例如通信卫星或星际探测器。这对于较小的项目来说已经足够了。随着大型项目的开展，这变得越来越困难和昂贵。
国际空间站就是一个例子，它太大而无法作为一件完整的物品发射，而且也无法为其整个运行寿命提供物资。相反，它是用较小的部分组装起来的，这些部分分别适合单个火箭发射。物资和新设备定期送达。这将每次发射的有效载荷减少到了一个可控的尺寸，但所有零件和物资仍然是从地球运来的。
随着更大更遥远的项目被考虑，运输需求不断增加，变得非常昂贵。这主要是由于地球的深重力阱，需要大量的能量才能爬出。在某个时刻，对于太空项目来说，从当地提取物资和能量，并最终进行生产，在经济上变得更加可行。我们的书对这些任务给予了高度关注。在太空中完成这些任务是新的，但地球上有悠久的工程历史，可以作为起点。
第三部分着眼于单个系统或项目。第四部分则考虑随着时间推移而演变或涉及多个系统的复杂项目。一个关键的要点是，没有哪个系统能够孤立地发挥最佳作用。例如，没有燃料供应的车辆只能行驶一次，只能使用其最初的燃料负荷。没有原料可供使用，燃料提取厂就无法发挥作用。将这两者结合起来，车辆可以将原料运输到工厂，并从工厂获取燃料用于以后的行程。然后，只要每次旅行都能生产出过量的燃料，组合后的系统就可以无限期地运行。为了设计一个完整的项目，你必须查看所有组成系统及其之间的相互作用方式。
项目的各个部分不仅相互作用，而且还会随着时间推移而发展。我们可以用地球上的公路项目来类比。最初的道路是从步行小路发展起来的，并逐步进行了升级。升级取决于将使用这些道路的车辆类型，以及现有的道路用于运送建造升级所需的机械和物资。各个道路项目也相互连接，形成一个公路网络，其各个部分必须协同工作。因此，合理设计的大型太空项目也将如此：一组车辆和设施用于帮助建造下一级改进，所有部分协同工作。
第四部分有一个关于一个复杂项目的详细示例，该项目既与自身相互作用，又随着时间推移而发展。这个例子有很多目的。一个目的是展示如何分析和定义这样一个项目。在提供了不同的选择时，我们解释了如何在它们之间进行选择。另一个目的是作为一项现实生活项目的提议，该项目从改善地球生活开始，然后扩展到太空。在这种情况下，你需要超越纯粹的设计问题，考虑适用于此类项目的经济学和其他外部因素。
最后，目的是通过“课堂项目”或“实验室实验”方法来学习。团队合作等技能最好通过实践来学习，在项目中使用新知识可以帮助将其固定在记忆中。将我们示例中未完成的部分带到下一个设计阶段，可以作为学习工具。如果有人打算将来从事该领域的工作，那么参与现实设计工作的经验也可能很有用。
我们提出的项目可能不是想象中的最佳项目，但它旨在作为进一步发展的起点。随着个人和团队利用这些卷来进行自我学习和自我提高，我们希望他们能提出建议并提供反馈，以便它随着时间的推移而改进，既作为一个提议的项目，也是一个教学工具。
在本部分，我们包含或链接到第四部分描述的项目元素的设计研究的详细信息，以及我们进行的其他研究。这使得本书前面部分的叙述能够在没有大量细节的情况下流畅地进行，并且也作为工程师经常被要求进行的各种研究和报告类型的示例。显示逐步假设和计算的完整细节通常作为项目工作历史的一部分保留，并且结果以报告和其他文档类型的方式分发，供其他人使用。
第一项研究是关于人类向地球以外扩张的概念级设计。它首先确定目标和益处，然后制定多个方案之间的选择标准。随后，制定了满足预期目标的项目级需求，以及满足这些需求的设计方法。研究的下一部分是识别整体项目中的功能和阶段。由于现已存在各种太空项目和私人项目，最后一步是确定需要对它们进行哪些更改或补充。这项研究的结果已纳入第 4 部分中描述的项目中。
第一项研究范围很广，涵盖了复杂的未来项目。第二项研究则更加专门，旨在识别地球和太空中的恶劣和极端环境。了解环境条件将指导设计必须在这些环境中运行的设备和项目。第三项研究是关于“开源太空计划”的需求、论证和设计，类似于开源软件。过去政府和商业太空项目出于国家安全或商业原因一直是“闭源”的。开源软件开发取得了相当大的成功，因此至少值得考虑在其他领域使用此类方法。
本书包含两种主要方式的参考资料和额外数据的链接。特定于某一方法或想法的参考资料或来源在本书正文中链接。行内链接以粗体和首字母大写显示。涵盖多个主题的额外参考资料包含在本节的最后，以及不适合正文的附加数据。T
例如，第一个附录列出了没有科学或工程基础的虚构运输方式。它们是为了完整性而存在的，但由于没有实际使用它们的可能性，因此我们将它们放在单独的部分而不是本书正文中。其他附录将包含特别有用的参考数据。大多数参考数据将链接到外部参考资料。