第 4.2 節：第 0 階段 - 研究與開發
主要專案目標是升級地球文明，並逐步擴充套件到更具挑戰性的環境，包括太空。為了實現這些目標，需要一些新的或改進的技術和方法。一旦可用，就可以將它們納入適合其目標位置的設計中。特別是對於太空位置，生產和居住能力嚴重不足，目前主要關注點是運輸和資訊服務。這種不平衡在地球困難環境中程度較輕。例如，許多船舶（運輸）橫跨海洋，但相對而言在那裡生產的東西很少，並且很少有人居住在海洋中。因此，第 0 階段被納入專案中，作為對後續階段所需事項的準備，並有意識地糾正可能存在的失衡發展。因此，研究與開發 (R&D) 階段的主要目標可以表述為
- (1) 確定涵蓋生產、居住、運輸和服務功能全範圍的系統和要素。
- (2) 以經過測試和可立即使用的要素的形式提供所需的新技術和方法。
- (3) 為裝置和地點提供詳細設計，結合現有和新要素。
整個專案非常複雜。系統工程 方法（參見第 1.5 節）已經發展到可以處理這種複雜性，因此我們打算在該階段及其後續階段使用這些方法。其他工程方法也將適時使用，但系統方法在整個專案中特別有用。這包括它們與專案外部世界的互動，以及專案各個組成部分之間的相互作用。系統過程的一部分是將複雜性分解成更小的部分，這些部分更容易理解和設計。我們已經在第 4.1 節中根據規模、環境型別和距離，確定了階段和子階段的順序，從而開始了這項工作。子階段內的給定地點集可以共享類似的設計，並且在一定程度上與主要階段和整個專案共享。
整個文明在所有方面都有共同的元素。例如，無論人們身在何處，都需要免受環境侵害和食物。熱處理合金鋼可以使用相同的工藝在任何需要的地方進行。因此，我們可以為文明的這些共同元素定義一個參考架構，並將其應用於組織升級和擴充套件任務。文明和元件技術的許多現有部分對於我們想做的事情來說已經足夠好了。在這些情況下，我們無需更改它們，只需使用它們。其他專案存在缺陷或尚未開發，並且在其他地方沒有進行。當我們確定它們時，我們可以根據收益率、成本、難度、成功機率和完成時間等引數對其進行排名。然後，我們可以將它們按照最佳順序新增到我們的研發計劃中。我們開發的新技術將在專案內部使用，並作為一項好處提供給整個文明在其他地方使用。這些外部用途也將被考慮在決定要進行哪些研發中。
研發工作可以分為適用於整個專案的通用部分，以及涵蓋針對特定環境和地點工作的子階段。子階段和任務將在下面詳細說明。我們目前知識的侷限性和可用的專案資源的侷限性意味著我們無法預先或一次性完成所有研發工作。在某些情況下，必須成功完成某個研發的特定領域，然後才能進行後續工作。由於我們事先不知道是否會成功，我們預計研發計劃往往需要改變，或者遵循多種路徑。我們還預計文明中其他技術的進步，因此給定設計可能不再是最優的，需要升級。因此，預計研發階段將在專案持續期間與後續階段並行進行。
早期階段產生的產品和服務可用於內部支援後續研發。例如，我們可以將工業建築的自我擴充套件作為研發任務進行演示，然後將該建築用於進一步的研發，或作為其產品銷售資助進一步工作的生產區域。早期階段的現場經驗可以反饋給研發階段，以改進後續設計。在研發規劃中也應考慮自我使用和反饋。
研發流程將在所有階段和子階段中保持一致。我們對元件任務使用一致的編號系統，以便它們可以在整個專案中進行協調和比較
任務 0：協調研發 - 此活動包括協調外部資源流、任務分配、規劃和排程，以及分析。
- 0.1：協調研發外部流 - 此任務包括安排和管理進入和離開階段的資源流，來自專案外部和來自其他階段。
- 0.2：協調研發任務分配 - 此活動包括安排哪些資源將用於階段任務。
- 0.3：協調研發規劃和排程 - 此活動包括制定階段的未來計劃和時間表。
- 0.4：協調研發分析 - 此活動檢查過去的表現並研究改進研發流程的方法。
任務 1：概念設計 - 這包括探索新概念和開發參考架構。隨後是系統工程過程，以達到概念級設計。這包括定義專案的主要功能和要素，以及如何在生命週期的各個階段對其進行操作和維護。該模型本身是概念設計的組成部分。根據以往經驗，系統工程工作在專案總工作量的約 10-20% 時優化了專案成本和時間表，系統任務的權重偏向專案早期。系統工程流程在後續設計階段被迭代地使用。這裡列出的子任務是這些流程的模板，但為了避免重複，它們在下面不會每次都單獨列出。
- 1.1：探索新概念 - 此步驟涵蓋採用自我擴充套件和自動化等想法，並將它們應用於建立新產品和專案。某些概念僅適用於特定階段或要素，因此應用程式矩陣是此任務的輸出。
- 1.2：開發參考架構 - 參考架構是一種高階設計，用於識別技術風險和就緒級別 (TRL)，並對成本和時間表進行早期估算。它是概念級設計的起點。它包括專案目標、架構描述、高階介面、要素需求和要素描述。參考架構的支援資料包括資料來源、支援概念選擇的分析以及從目標到較低要素的跟蹤。
- 1.3: 識別需求和指標 - 這些建立了設計必須滿足的可衡量特徵，以及在設計方案之間進行選擇的標準。有關詳細資訊，請參見第 1.5 節 需求分析。
- 1.4: 執行功能分析 - 這將設計的功能分解為其執行的功能或一系列操作。有關詳細資訊，請參見第 1.5 節 功能分析。
- 1.5: 分配需求 - 這將任務 1.3 中的需求分配給任務 1.4 中的功能，以確保所有需求都在設計中得到滿足。
- 1.6: 建模方案和系統 - 存在許多可能的方法來滿足給定的需求集。對選項進行建模提供了每個選項的可衡量細節。建模過程包括
- (1) 收集外部技術資訊: 這包括建模和後期設計所需的資料，例如現有產品資料，行業專家聯絡，以及當前的書籍和文章等技術水平。
- (2) 開發替代方案
- (3) 構建系統模型。
- 1.7: 最佳化和權衡方案 - 這包括改變設計選項的引數，並比較不同的選項，以找到最符合選擇標準的選項。
- 1.8: 合成和記錄設計 - 此任務的輸出是記錄所選概念的文章、報告和書籍。
任務 2: 初步設計 - 假設概念設計產生了足夠有希望的概念，下一步是更詳細地定義程式的元素。這與元件技術（任務 4）和原型系統（任務 5）同時進行，因為否則尺寸和效能將過於不確定。在這個階段可能存在多個設計方案，直到競爭技術和測試進行到足以允許選擇為止。這遵循與概念設計相同的步驟，但細節層次更高。
任務 3: 構建研發場所 - 此活動包括建造或獲得研發工作所需的辦公室、研究車間、傳統生產車間和原型測試區域的使用權。研發場所的設計需求來自之前的設計工作、技術開發需求以及原型建造和測試需求。還應考慮將研發設施改造成後期階段使用的設施。
任務 4: 開發新技術 - 這包括根據概念設計和初步設計確定所需的效能，調查當前技術的現狀，根據影響對改進領域進行排名，然後在最有希望的領域投入努力以提高效能或降低不確定性。一些技術已經在程式之外得到大力發展。因此，我們不是重複這些努力，而是選擇在有限的預算能夠產生最大影響的領域，或者鼓勵其他人投資於最需要改進的領域。技術水平的工作目標是單一流程或元件。
任務 5: 建造原型元素 - 在某些時候，有必要透過建造原型硬體來驗證整合元素並展示效能水平。這可能是最終設計的簡化版本，大型設計的比例版本，或者展示功能但沒有使用最終材料和元件的版本，因為這些材料和元件尚未製造。如果原型元素執行良好，則可以延續到後面的階段，或者在某些情況下可以升級到最終版本。
任務 6: 測試原型 - 此任務透過展示原型系統元素的實際效能來降低技術風險。初始測試將使用當地的研發環境條件，但後續測試將使用全範圍的操作環境，無論是在測試室中還是透過將裝置帶到合適的場所。測試期間發現的缺陷將反饋到新技術開發中。給定元素的早期原型可能具有較低的效能目標，隨著改進的設計開發，這些目標將在以後提高。在某些情況下，測試單元可以繼續投入執行，因此被轉移到後面的階段。
任務 7: 詳細元素設計 - 此活動涵蓋特定設施位置和裝置的詳細設計。這包括研發場所、後期階段的運營設施、這些場所內的單個裝置專案，以及在場所內和場所之間移動的車輛和其他裝置。詳細設計融合了現有技術，以及程式內開發、原型化和測試的新技術。它們還可以包含來自程式外部的現成裝置、零件和材料，只要這樣做有意義。由於隨著時間的推移技術不斷改進，現有系統的進一步擴充套件和升級目標，以及新場所的開發，預計這項任務將在整個程式中持續進行。完整的設施、流程、裝置、車輛和元件的特定設計可以用於多個專案和階段，或者作為單獨的產品出售。
研發子階段和任務
[edit | edit source]子階段以及迄今為止為其確定的研發任務列在下面。此列表是初步的，因為對後續程式階段的概念探索尚未完善。任務按我們識別的順序排列，而不是按時間順序排列，因為確定工作的最佳順序和進度計劃是後續步驟。為了識別，我們使用簡單的“階段 0”標籤，不新增任何字母，來識別適用於整個程式的通用研發工作。當工作特定於單個階段時，將新增一個字母，例如 0A 或 0B。當研發工作適用於兩個或多個後續程式階段時，它將用所有適用的子階段字母標識，因此為 0CD 或 0G-L。由於某些研發場所本身可能需要新技術和設計，因此第一個帶字母的子階段 0A 適用於階段 0 本身。
階段 0 - 全程式研發
[edit | edit source]該計劃的目標是為文明建立新的場所，並升級現有的場所。我們已經確定，使用種子工廠作為起點，自擴充套件系統是實現這些目標的關鍵技術。它可以應用於當前文明的現有場所，以及地球和太空中的新場所。自擴充套件的一般方法包括更具體的方案，例如分散式生產網路、遠端控制操作和能夠自操作的智慧工具。製造業，特別是自動化，已經獲得了大量的工程投入，因此我們不需要重複這些努力。我們的研發工作將集中在自擴充套件系統的獨特方面，以及將其他技術整合到其中。
自擴充套件系統、種子工廠和相關理念符合先進製造這一更普遍的主題。它們可以在任何地方使用，包括地球上已開發和未開發的地區。然而，本書的主要主題是太空系統。因此，我們專門編寫了一本名為種子工廠的書，專門討論這些理念及其在地球上的應用。我們在這裡提供一個簡短的介紹，並在後面的階段中提到在這些系統中使用的系統。
種子工廠簡介 - 所有工廠都生產產品，有些工廠生產的產品與它們自身使用的一樣。例如，鋼鐵廠 通常在自身建設中使用一些鋼鐵。自擴充套件工廠專門設計為使用自己的產出進行增長。“種子工廠”是人員和裝置的最佳化入門套裝。它包括實現所需成熟狀態的擴充套件鏈的計劃和說明。它可能還包括用於生產的材料和零件的起始庫存。使用工具製作更多工具不是一個新主意。事實上，它幾乎和工具製造本身一樣古老。新穎之處在於最佳化一個小的入門套裝來引導該過程，將現代計算機系統、自動化、機器人和 AI 應用於該任務，並將多個增長路徑結合起來以提高產量
- 製作入門裝置的完全複製品，
- 製作入門元素的更大版本或擴充套件，以及
- 製作原始入門套裝中沒有的新工具和機器。這些可以用於新的任務，並擴充套件可能的輸出範圍。
目前的科技水平不允許完全自複製，這意味著複製其 100% 的自身部件，並在沒有人幫助的情況下進行復制。因此，自擴充套件系統不僅僅包括生產物理產品的工廠。任何工廠無法自行製造的零件和材料都必須從其他地方供應，因此需要運輸。執行工廠所需的人員除了工作以外還有其他需求和願望。他們還需要住處、食物和各種服務。在已開發地區，這些服務已經很多。但在地球上的未開發地區和太空，完整的自擴充套件系統需要生產、運輸、居住和服務才能發展。與目前的機器不同，人和其他生物系統可以自我複製。因此，他們可以在完整的自擴充套件系統中根據需要增長。
種子工廠方法應該值得在地球上為其本身進行發展。它應該使建立新工廠更便宜，特別是在偏遠或難以到達的地區，因為你只需要一個入門套裝，而不需要完整的工廠。由於注重自我成長，它們也可能實現很高的經濟回報率。一旦在地球上開發出來，工業規模的工廠就可以生產到達太空所需的物品，例如發射場和火箭工廠。然後，新的入門套裝可以被運送到太空地點，並且擴充套件過程可以繼續。在地球上獲得的經驗以及一系列自擴充套件工廠帶來的槓桿作用，將使未來的太空專案節省的成本成倍增加，使它們更加負擔得起。
階段 0A - 階段 0 研發場所的研發
[edit | edit source]即使不需要新的裝置設計或技術，後續階段的研究與開發也將需要辦公室、實驗室、原型製造和測試場地。因此，我們將上述研發流程應用於這些場所的設計和建造。當需要新的和獨特的專案時，例如特殊的測試艙，它們的開發和建造方式與後續階段的其他裝置相同。本階段的具體需求尚未確定。
啟動套裝和引導路徑 - 需要開展工作以確定最適合的小規模生產啟動套裝和增長路徑，以及是否需要新的技術和設計。有些人已經擁有一套可以立即使用的工具。市場上還有許多其他現成的工具和機器，價格合理。這些可能足以啟動引導過程，但一些定製設計可能會有所幫助。需要記錄和分發人們可以遵循的計劃和說明，以及任何針對缺乏必要技能和經驗的人員的培訓材料。
分散式生產網路 - 傳統的工廠和大型辦公樓將裝置和人員集中在一個地方，因為這是高效組織工作的唯一途徑。現代通訊和運輸網路消除了必須在一個物理位置的需要，並允許在多個地點協調分散式工作。一些突出的例子是開源軟體的開發和維基百科。在現代生產系統中，機器的控制可以是現場人員、遠端人員控制和計算機和軟體自動控制的混合。由於並非所有人員都必須在附近，因此您可以更輕鬆地在未開發的、敵對的或昂貴的地區運營，並且對環境的影響更小。遠端操作員可以根據需要有效地分配和重新分配其在不同地點的工作。
一些機器和工人仍可能出於效率或其他原因聚集在一起，在共享位置。現代技術只是消除了他們都必須在一個地方的要求。分散式生產在小規模運營的早期階段很有幫助，因為您可以避免專用大型場地的成本。相反，人們可以使用他們已經居住的地方的空餘空間，或者根據需要在何時何地使用臨時工作場所。然後，這些多個小型努力可以結合起來完成更大的專案。因此，我們將分散式生產的初始研發置於階段 1，但可以在所有後續階段中使用它。
分散式生產所需的一些技術已經存在。因此，本階段的研發任務是改進或補充不足的部分，並將它們組合成靈活的分散式網路。需要靈活性，因為該計劃打算不斷新增新地點，而現有地點將自行擴充套件。因此，我們無法基於靜態網路執行。它們必須與程式的其餘部分一起增長和適應。
對後續階段的應用 - 在本階段，分散式生產技術的目標是能夠連線和操作愛好和家庭裝修級別的裝置，這些裝置彼此非常靠近，例如一個大都市區。後續階段將需要為遠端操作進行升級，例如從地球上的月球或從火衛一上的火星進行遠端操作。本技術領域可能在以後需要進行更多研發。太空是一個特別未開發的、敵對的和昂貴的地方。因此，當您最佳化運營時，您需要將現場人員降至最低，並將遠端控制和使用可以自行操作的智慧工具最大化。因此，最初將有很強的動力推動升級後的技術。隨著工廠、棲息地和運輸系統的建設，人們可以更容易地得到現場支援。因此，本地人員與遠端和智慧工具的最佳平衡將發生變化。在在地球上獲得分散式方法的經驗後，在太空中使用它將不再是全新的事物，而是對早期階段所學內容的擴充套件。
本階段的研發涉及設計比階段 1 更專業和更大的機器。這些機器用於小型企業和商業活動，因此將具有更高的工作迴圈和更長的使用壽命。除了針對這些條件的設計外，另一個研發主題是從上一階段的最佳增長路徑，以及跨更廣泛的行業類別進行擴充套件。第三個研發領域是將不同尺寸的裝置分組到一個地點的更專業和分散式的站點，以及地點之間的聯絡。所有這些研發領域都將在下一個階段繼續到工業規模，該階段使用最大尺寸的裝置。
本階段完成了向更大更專業的裝置的增長序列，用於地球上中等環境中的發達地區。它包括生產、居住、運輸和服務行業的全套裝置。所有這些行業的裝置已經存在，並且被廣泛生產。本階段的研發包括修改其設計，使它們能夠由自我擴充套件和分散式系統製造。它還包括從早期階段的較小規模擴充套件到工業規模的增長路徑和方法。
以後可能會為特定行業群體或單個行業確定更具體的研發任務。我們目前瞭解到的一項是工業運輸到低軌道，因為它將是太空計劃後續階段所需的。
- 3. 工業運輸
發射到低軌道 - 這被置於階段 2B，因為傳統的火箭工廠和發射場是地球上的工業規模設施。階段 4-6 的地點位於太空，但仍與地球上的文明互動。因此，將繼續需要從地球到軌道的運輸，以及返回。顯然，太空計劃已經存在，並且許多衛星正在軌道上執行，但它們的成本很高。部分原因是運輸成本本身，部分原因是太空缺乏生產。這迫使所有裝置和物資都來自地球。太空生產將在後續階段解決，而本主題涵蓋運輸需求。
在階段 4-6 的早期部分，對軌道的運輸需求將相對較小。它們可以使用現有的發射系統，或目前正在開發的系統，以避免獨特開發的成本。隨著程式流量的增加，新系統和更高效系統的優勢將越來越大。因此，本階段的研發將涵蓋此類新系統，超出其他地方正在開發的系統。第 4.4、4.6 和 4.7 節介紹了一些早期概念，用於此研發工作。在第 4.4 節 - 階段 2B 工業地點 中，我們考慮了一枚小型三級全重複使用傳統火箭和其他一些“自己建造”選項的替代方案。設計尚未完整，無法確定是製造還是購買。目的是，當流量足夠時，啟動運輸將透過更大、更高效和更專業的發射器進行補充或替換。初始貨物可能包括組裝機器人和初始軌道平臺的部件。如果我們要建造自己的發射器，我們要使其儘可能小，以降低設計和建造成本。
升級到低軌道的運輸 - 該計劃將添加升級後的運輸，當流量足以證明資本成本合理時。同樣，始終可以選擇使用來自計劃外部的運輸，但我們考慮了使用我們自己的自生產能力的各種內部替代方案。在地球上，出於成本和安全原因，我們使用不同的運輸系統來運輸散裝貨物和乘客。一種替代方案是出於同樣的原因專門化我們的太空運輸要素。部分4.6 - 超高速發射器介紹了用於發射推進劑或結構部件等散裝貨物的加速槍。易碎貨物和人類將透過其他方式旅行。發射器為貨物提供了較大的初始速度，因此它取代了部分火箭級。從理論上講，它應該降低成本，因為固定槍可以設計成多次發射，並且由工業管道質量部件製成，這些部件比航空航天級部件便宜得多。
部分4.7 - 低重力運輸研究了用於運輸人類和無法承受超高速發射器高加速度的貨物的運輸方法。使用哪種方法取決於更詳細設計的成果，以及計劃外部還有哪些其他發射器可用。我們自己建造系統的候選者包括組合式空氣呼吸/火箭系統，或類似於超高速發射器的氣體加速器，但重力水平較低，隨後是空氣呼吸或火箭級。獨立的級將比單個整合車輛更容易開發、修改和升級，儘管運營成本會有所損失。一旦流量能夠支援更復雜的設計，就可以在以後開發單個整合車輛。
困難和極端地點涉及為階段 1 和 2 開發的所有尺寸，從小到大，但環境不同。因此，現有設計有時需要修改，而在其他情況下，則需要獨特的設計。在遠端或敵對條件下建立起來的努力往往會使小型裝置不太可能，並且重點將轉移到更大的尺寸。困難環境的示例包括非常寒冷和炎熱的地區、沙漠和雨林、高於 2750 米的海拔、土壤脆弱、水深和地面深度分別為 250 米和 100 米、能源資源貧乏或自然輻射高的地區、通訊和旅行時間長、停留時間短以及高運輸能量或這些條件的組合。每種情況可能都需要研發來適應特定情況。
極端位置是困難位置的延伸，但距離中等條件更遠，直到技術的極限。研發將需要推動技術極限超越現有水平。例如，在地表以下 5 公里以上進行硬巖開採，遠低於目前最深的礦井。一些極端環境的例子包括南極洲部分地區的極度寒冷條件、開放的海面（沒有地面強度）、深海或地下以及最偏遠和難以到達的表面位置。
近地軌道已經擁有許多衛星，截至 2017 年初，有兩個空間站，共載有 8 名宇航員。然而，除了在空間站組裝預製元件外，它缺乏重大的生產能力。8 個人僅僅是地球人口的十億分之一，而且沒有一個運輸系統以低軌道為基礎。現有的運輸系統都以地球為基礎。因此，雖然我們已在低軌道站穩腳跟，但不能說文明已經完全擴充套件到這一區域。因此，這個子階段的研發目標是充分利用低軌道，超越當前的計劃和活動。到目前為止，我們已經確定了以下內容
- 1. 低軌道生產
1.2. 供電 - 使用太陽能電池板和電池的電力在低軌道上已經相當發達。陽光至少 60% 的時間都可以照射到，但只有特殊的低軌道始終可以照射到陽光。因此，需要能量儲存來彌合地球陰影中的時間。使用太陽能聚光器的熱能是一個需要研發的領域。
1.3. 提取材料 - 除了從地球或更遙遠的地方帶來的材料外，低軌道還有兩個重要的材料來源。第一個是大氣層的上緣，可以使用軌道壓縮收集器收集。第二個是太空垃圾，包括失效衛星、空殼級和碰撞碎片。一些收集的氣體可以用作收集太空垃圾的推進劑，因為它們位於廣泛分散的軌道上。太空垃圾至少是一種危害，清理它有利於其他太空活動。但它由航空航天級零件和材料組成，其中一些可能仍然能用。這些物品的回收和再利用將節省從地球發射類似物品的必要性。需要研發來證明氣體開採、收集和舊硬體的再利用是可行的。它還將為以後在低軌道以外進行開採和生產提供一些經驗。
1.4 材料加工和 1.5 零件製造 - 這些中很少有在軌道上和零重力條件下完成的。需要進行大量的實驗和原型設計，以找出哪些地面方法可以使用，它們可能需要進行哪些修改，以及哪些新方法可以在獨特的軌道條件下使用。
1.7 低軌道組裝 - 運輸系統的設計通常比一次使用它們要貴得多。因此，在成本上，在較小的發射系統上進行多次交付優於在一個非常大的發射系統上進行一次交付。這反過來又推動了在軌道上組裝較大元件的必要性。第 4.5 節 - 軌道組裝提供了一種方法，即使用低軌道上的一個組裝平臺。首先，該平臺組裝從地球發射的預製部件。隨著其他生產要素的加入，它後來轉變為組裝來自地球和本地製造的物品的混合物。組裝平臺的第一個任務將是啟動自身的建設。然後使用該平臺組裝更大的有效載荷，然後用於建造新的地點的種子元件和車輛。由於成本原因，在早期階段，人類的參與將降到最低。組裝機器人最初主要由地面控制。在空間站的軌道組裝以及哈勃太空望遠鏡的類似維護和修理任務方面，已經積累了一些經驗。這裡的研發任務是超越這些水平所需的任何改進。
- 2. 低軌道棲息地
部分重力研究 - 在低軌道上已經有一系列空間站，這些空間站提供了在零重力條件下的經驗。對於人類來說，至少在零重力條件下長期（長達一年）對健康有害。我們幾乎沒有關於 0g 和 1g 之間的重力水平對人類和其他生物的影響的資訊。因此，我們不知道長期居住或農業需要什麼樣的設計。除了生物體外，一些生產方法在有重力的條件下效果更好，但所需的最低重力水平尚不清楚。一個可變重力研究設施將開始透過提供可調節的人造重力來回答這些問題。該設計可以包括一個或多個安裝在旋轉臂上的模組，它們的方位和旋轉速率可以調整，以獲得所需的重力水平。另一種方法是首先假設地球重力作為設計要求，然後在“可獲得”的基礎上進行部分重力研究。例如，一個在邊緣產生地球重力的旋轉棲息地將擁有可以用作研究的較低重力區域。月球和火星上的研究站可以提供有關其特定重力水平的資料，最初將人類的停留時間限制在一年以內，直到獲得更多經驗。
棲息地生長和升級 - 棲息地通常從很小開始，隨著時間的推移而增長。因此，另一個研究領域是它們最佳的生長路徑：在物理尺寸上，可能從零重力到某個重力水平，從開放的食物和空氣迴圈到封閉的生命保障系統，以及從地球供應的硬體到本地生產。棲息地的設計很可能很複雜，我們只能將這些開放式問題作為進一步研發工作的起點。
- 3. 低軌道運輸
此類別涵蓋在低軌道內執行的運輸系統，以及到達更遠目的地的運輸系統。運輸到低軌道屬於工業或困難地球位置，因為它們是在那裡建造並從那裡出發的。
電力推進 - 離子發動機和等離子發動機比傳統火箭的燃料效率高 5-10 倍，並且已經看到了一些實際應用。第 4.8 節 - 電力推進介紹了推進模組的選項，這些模組可以單獨用於較小的任務，也可以在多個單元中用於較大的任務。有幾種型別的電力發動機可用，但如果要經濟地執行地球軌道以外的任務，則需要它們以某種形式存在。更高的效率允許將車輛帶回並多次使用，這是節省成本的關鍵。這個階段的研發將針對將推進系統升級到更高的功率水平，並使之能夠使用開採的推進劑而不是今天使用的稀有氙氣。
電力推進可以在低軌道內用於彌補阻力，用於在該區域內改變軌道，以及到達更遙遠的目的地。對於這些後期的用途，功率、推力、工作壽命和抗輻射能力都必須提高，因此推進系統的研發將持續進行。這種發動機的早期用途是開採大氣層上層的氣體，如上面 1.3 提取材料中所述。一些氣體可以用作推進劑，這使得推進系統能夠自給自足。有了足夠的推進劑，開採軌道碎片就成為可能。新的運往低軌道的有效載荷也可以高效地運往最終目的地。早期的一類任務是探測器衛星，用於觀測和返回近地小行星樣本，為以後的開採做好準備。
化學推進 - 高推力發動機（如傳統的化學火箭）對於一些用途來說仍然是一個有吸引力的選擇，儘管效率較低。這些用途包括降落在具有顯著引力井的天體上，以及需要快速改變速度或穿越，例如穿過地球輻射帶。使用哪種推進系統來完成一次旅行的哪一部分需要考慮多個因素，包括在本地生產推進劑的能力。化學推進系統的研發將包括使系統適應使用和儲存軌道上製造的推進劑，以及提高發動機的工作壽命。
太空港網路 - 從長遠來看，大量車輛透過消耗推進劑來改變其軌道是低效和浪費的。減少推進劑需求的大規模基礎設施將是可取的。我們將透過類比於海上和機場將其稱為太空港。它們的主要功能是透過勢能和動能的變化來運輸有效載荷。它們也將作為運輸站，為多輛車提供對接、居住、倉儲、維護、加油等服務。這種基礎設施的第一個概念是太空電梯，它可以追溯到 1895 年。不幸的是，地球的引力井太深，以至於用任何已知的材料都無法實現最初的想法，即用一個整體的固定電梯來運作。對於較小的天體來說，最初的想法是可以行的，並且使用現有材料，由多個較小的部分組成的系統可以完成地球的大部分速度變化。太空港網路最終可以取代太空中使用的許多推進劑，並提高運輸的有效載荷比例。這種網路的研發工作被放在這裡，因為第一個太空港很可能位於低軌道。第 4.11 節 - 太空電梯介紹了這種網路的一些替代概念。
基本的運輸功能是透過動量交換在有效載荷和太空港結構之間實現的。根據方向，有效載荷獲得或損失能量，而太空港則相反。如果交通平衡，或太空港錨定在更大的天體上，其軌道不會受到影響。不平衡的軌道變化可以透過太空港上的高效推進方法進行校正。在一定程度上，這取代了效率較低的車輛推進，尤其是在從地球表面進入軌道時，可以節省淨成本。已經進行了與這項技術相關的各種軌道實驗，但仍需做更多工作。除了動量交換之外，其他技術的改進對於完整的太空港網路和相關車輛來說是必要的。
目前，高地球軌道被多種遙控衛星型別使用，包括通訊、科學和導航衛星。它們都從地球發射，目前還沒有本地生產和居住。運輸僅限於發射時內置於衛星中的部分。高軌道區域幾乎沒有本地材料，但擁有高水平的太陽能，並且可以從地球、月球和近地小行星到達。在目前地球上的文明和未來的更遙遠地區之間，它可以成為一個有用的生產和運輸樞紐，並在之後用於大規模居住。全面開發該區域需要大量的研發工作。一些已確定的任務包括
- 1. 高軌道生產
1.4 材料加工 - 這指的是將原材料轉化為成品或庫存材料。在早期階段，這可以是從小行星帶從內太陽系軌道帶回的材料，並運送到月球附近的某個位置，例如地球-月球拉格朗日點 2（EML2）。EML2 是一個位於月球中心後方 64,500 公里的月球同步位置。它從行星際軌道到達的能量較低，並提供全天候的陽光供電。早期產品包括遮蔽、推進劑和水。需要進行大量的研發工作來確定最佳位置和工藝。隨著太空其他區域的開發，原材料可以從月球和更遠的小行星，以及低軌道獲得。來自地球的材料通常會是成品狀態，因為在地球上的加工成本較低。它們將包括用於金屬的合金元素和用於電子產品的摻雜元素。來自其他太空區域的成品材料將如何使用將取決於本地加工能量與運輸能量之間的平衡，以及可以利用多少比例的礦石。
該專案的早期階段應該已經積累了自擴充套件生產和遠端操作的經驗。我們假設材料加工從地球帶來的成品裝置開始，然後透過新增種子工廠元素來引導進一步的擴充套件，這些元素使用早期加工材料供應作為輸入。在可以本地支援更大規模的人類居住之前，它將主要依賴遠端控制和自動化。一些加工操作可能在零重力下無法正常執行，或者根本無法執行，而另一些則會受益於零重力條件和真空條件，或者在這些條件下以獨特的方式執行。因此，一個主要的研發領域將是哪些特定的加工流程將在哪些條件下使用。
1.7 組裝元素
大型太空結構 - 像空間站這樣的大型軌道結構一直使用對齊導軌和電動螺栓進行組裝。對於未來需要大型耐壓艙的專案，一種選擇是焊接，這是地球上的一個基本工業過程。金屬的焊接已經透過聚光太陽能實現(Romero, 2013)。由於軌道上廣泛存在高質量的太陽能，因此對利用太陽能進行太空焊接的研究似乎是值得的。對於組裝像棲息地這樣的大型結構，如果移動結構很困難，一種方法是使用鉸接式鏡子將一束聚光太陽光照射到不同的角度。另一種大型結構的方法是在等離子噴塗金屬層之間鋪設高強度增強纖維。纖維和金屬線的線軸緊湊且模組化，但成品結構可以很大且無縫。
部分4.7 - 內太陽系開發描述了我們對該專案階段 4C 的概念探索。到目前為止，我們已經確定了一個通用主題和幾個具體的研發主題，將在本階段進行研究
行星際引導 - 自擴充套件系統是整個專案中使用的通用方法。這個研發主題是關於如何最好地從該區域的早期材料提取發展到大型成品地點，並具有各種生產、居住、運輸和服務能力。未來的“太空城市”不太可能一次性建成最終形態，就像地球上的城市一樣。那麼問題是如何從小規模開始，逐步建設。
- 1. 內太陽系生產
1.3 提取材料
地球上的採礦業發展非常成熟，但開採地球以外的材料仍處於遙感和機器人勘探的早期階段。因此，此生產步驟仍然需要大量的研發工作。
在太空中採礦而不是從地球上運送所有東西的總體理由是基於最大程度地減少總能量消耗。地球引力井有一個固定的能量成本，為 31-62 MJ/kg，具體取決於軌道。現有的運輸方法效率低下，將最小值乘以大約 9:1。到達地球軌道以外的目的地需要更多的能量。從原材料到成品的生產能量通常遠低於此，在 10-20 MJ/kg 範圍內。工業裝置通常可以處理其自身質量的許多倍，並且在其使用壽命期間使用其製造所需能量的許多倍。因此，產品/裝置比率很高。因此，將啟動生產裝置送往遠距離地點，然後用當地材料和能量製造剩餘的裝置和成品，所需的總能量遠低於將所有成品從地球上送來。本地生產包括製造用於太空運輸的推進劑，這使得將啟動裝置送往遙遠地點變得更容易。
早期採礦 - 部分4.9 - 軌道採礦研究了向低軌道和高軌道區域供應原材料的替代方案。這些材料最初將來自內太陽系區域的近地小行星 (NEA) 群，並被運送到地球附近的加工地點。NEA 是繼低軌道的地球大氣層和人造碎片之後最容易到達的材料，開發很可能從地球向外進行。從地球上對操作進行遠端控制並提供現場人員，這使得一開始更容易在靠近地球的地方進行加工。高軌道是小行星、月球和地球來源材料的便捷會合點，而且它們也能獲得全天候的陽光。早期產品的大多數用途也將在地球軌道上。因此，這似乎是生產的首選起點。
一個採礦系統和拖船從附近的小行星返回高軌道的質量大約是每次行程中裝置質量的 100 倍。拖船的使用壽命大約是 6 次行程，每次行程需要 2.5 年，然後才需要更換主要部件。典型的行程消耗了返回質量的 2.6% 作為推進劑，但某些型別的小行星含有高達 20% 的易於提取的推進劑。這種推進劑消耗量假設月球在兩個方向上都用於引力輔助，使得推進速度變化小於達到地球逃逸速度的速度變化。因此，採礦作業可以在第一次旅行後實現自給自足。考慮到硬體加上初始推進劑負載，拖船在其使用壽命期間將返回約 160 倍的初始質量。如果這些質量能夠有效地利用，採礦應該會大幅降低太空中的運營成本。除了將原材料運回來的拖船之外，還需要其他生產裝置，但至少第一步有很大的積極回報。
NEA 軌道和成分是隨機分佈的。我們更傾向於首先開採最容易到達的小行星，當它們處於最佳位置和最佳時間時。鑑於迄今為止在該群體中發現了超過 17,000 個物體，其中一些將處於這種容易到達的軌道上。但哪些小行星最適合訪問會隨著時間而變化，因為它們一直在不斷運動。據估計，81% 的已發現 NEA 直徑大於 30 米。它們的質量至少為 18,000 噸，通常更高。這對於早期的拖船來說太大了，無法作為一個整體移動，因此需要對如何從這些小行星上收集更小的材料負載進行研發。
長期採礦 - 隨著開發向地球軌道區域以外擴充套件，原材料的目的地將轉移到內行星際位置，而原材料將來自整個區域，而不是僅僅來自從地球最容易到達的那些區域。根據開採、加工、後續生產步驟和最終使用地點的技術細節，材料可以繼續以原材料狀態運輸，或者將生產工廠運到原材料所在地，並將更多成品運往其他地方或在當地使用。小行星的大小很可能在這個選擇中起重要作用。例如，433 Eros，該區域中的一顆大型小行星，質量為 6.69 萬億噸。因此，在 Eros 上建立本地生產比在僅重幾千噸的小行星上建立本地生產更有可能值得。隨著更遙遠的軌道區域以及水星、金星和火星在後期階段得到開發，它們也可以成為運往內行星際區域的原材料來源。
1.4 - 1.8 材料加工及其他生產步驟
材料加工方法，如礦石還原和化學技術，在地球上也發展得非常完善。除了軌道上的一些實驗和地球上的原型之外，它們在太空中幾乎沒有使用。因此，需要對這一階段和後續生產步驟進行廣泛的研發。一些用途，如散裝輻射遮蔽，不需要改變材料的原始狀態。但幾乎所有其他材料都需要經過一些加工，才能將原材料變成成品材料庫存。一些材料，如推進劑、水和氧氣，在開採後可以直接使用。其他材料，如金屬和陶瓷，需要進一步加工成零件，然後組裝成成品。
第 4.n - 加工工廠 部分探討了生產加工部分的概念。我們預計先前已經為低軌道和高軌道區域開發了設計。這一階段需要進行額外的研發，包括根據該區域的獨特條件和源材料調整和最佳化流程，並在後期從其他區域運送到該區域。一個未來的變化示例是在更靠近太陽的地方生產，在那裡利用增加的太陽能通量是可取的。製造和組裝方法可能不需要從先前的軌道區域進行更改，但這一點還有待確定。
- 3. 內行星際運輸
3.1 散裝貨物運輸 - 需要使用電力“太空拖船”將原材料從它們自然出現的地方運到可以加工的地方，並將成品和其他貨物從一個地方運到另一個地方。拖船通常不需要人類機組人員，速度慢但效率高。電力推進已經在較小的規模上得到發展，但該任務需要更大的單元，並且拖船應設計用於加油，以便它們可以多次使用。我們預計較小的拖船已經為地球軌道和月球區域開發。因此，對於該區域，主要研發工作集中在建造更大、壽命更長的版本。
3.3 人員運輸 - 我們希望最終將人員運送到內行星際區域的開放空間位置以及主要的行星和衛星。但是，太陽和宇宙來源的輻射遍佈整個區域。“轉移艙”是安全有效地運輸人員的一種方式。這些艙被放置在各天體或地點之間的重複轉移軌道上，例如地球和火星之間。由於棲息地一旦建立就不改變軌道，因此它們可以配備厚重的遮蔽、溫室和加工裝置。原材料主要來自附近軌道上已經存在的小行星。本地生產減少了從地球所需的有效載荷，併為機組人員和乘客提供了在旅途中可以做的事情。小型車輛用於從棲息地到達每次旅行結束時的行星軌道。節省高推力推進劑的一種方法是使用小型車輛的動量交換，透過電力推進彌補棲息地所需的任何速度變化。棲息地可以隨著時間的推移而增長，最終成為目的地本身。
可以在火星衛星上建立額外的棲息地作為中途站，並最終建立其他地點。所有這些地點最終將成為多功能的，將運輸和其他目的結合在一起。這在太空中是可能的，因為與地球不同，一切都在相對運動中。我們可以利用這種運動進行運輸，同時進行其他事情。這將包括生產推進劑和其他物資、航天器建造和維修、作為科學平臺，以及作為後來永久殖民地的核心。需要對如何建造和擴充套件這些移動棲息地以及它們所需的各種系統（如糧食生產和環境迴圈）進行廣泛的研發。
階段 0J 到 0L： [保留]
[edit | edit source]以下三個子階段尚未確定研發任務。它們的子階段標題保留供將來使用。
- 階段 0J - 階段 4D 主帶和小行星群開發的研發
- 階段 0K - 階段 4E 外行星際開發的研發
- 階段 0L - 階段 4F 散射盤、希爾雲和奧爾特雲開發的研發
階段 0M：階段 5A 月球開發的研發
[edit | edit source]開發順序 – 月球在物理上靠近地球，任何抬頭看天空的人都能看到它。儘管目的地很明顯，但月球表面並不是我們想要開始開發的第一個地方。這是因為地球周圍的低軌道和高軌道區域以及月球周圍的軌道都比表面更容易到達。首先開發軌道飛行器和物資倉庫可以更容易地到達表面，因此我們較早地開始了這些階段，但隨後並行繼續。一旦望遠鏡可用，就開始了對月球的科學觀測，一旦火箭技術使人們能夠靠近月球，就開始了對月球的本地探測。自 1958 年以來，已嘗試過 100 多次任務，包括飛掠、撞擊、軌道執行、著陸、駕駛、返回樣本或利用月球進行引力彈弓。其中許多工已經成功，包括 6 次載人登月。我們預計這種科學和探索活動將繼續進行，併為有用的開發提供基本知識。月球區域包括兩個截然不同的環境。一個是月球本身的表面和主體，另一個是平均距離月球中心 35,000 公里或更小的軌道，在該軌道上月球的引力占主導地位。每種環境都需要不同的設計來應對和利用當地條件。由於月球繞我們的星球執行，整個月球區域都嵌入了地球周圍更大的高軌道區域，並在其中移動。
月球開發所需的許多技術和系統今天還沒有準備好使用。因此，在設計和建造未來的月球專案之前，需要進行大量的研發工作。我們將必要的月球研發工作分配到此階段。其中一些工作可能在地球上進行。其他部分可能需要使用低軌道或高軌道區域，或者直接在月球軌道上或表面進行。那些不能在地球上進行的工作將需要合適的運輸和支援系統，例如通訊。這反過來可能需要先完成早期階段的研發和專案。然後，將月球研發的產出提供給階段 5A 用於使用。一個重要的問題是，在開發其他區域的背景下何時開始利用月球，以及可用的技術水平如何。
第 4.12 - 月球開發 部分開始對開發該區域的概念進行探索。該過程包括確定該區域的各種地點和專案所需的研發。我們根據主要功能（生產、居住、運輸和服務）和月球環境（軌道和表面）將這些需求進行整理和討論。該列表幾乎肯定是不完整的，需要隨著時間的推移進行更新。我們無法提前預測哪些技術將有效，或者證明比其替代方案更好。因此，這些資訊將持續不斷地為更詳細的研發和計劃提供依據。
1.0 月球生產
[edit | edit source]自舉方法 – 關於如何在月球區域建立工業的最佳方法問題已經得到了一定程度的研究。例如，Metzger 等人已經模擬了在月球上自舉工業，發現 12 噸可能足以作為啟動套件。在相當廣泛的假設下，該啟動套件可以發展成為一個更大的設施。然而，還需要做更多的研究來考慮多種材料來源、軌道與表面活動、生產方法以及基礎設施的逐步建立。地球上積累了大量的生產經驗。然而，從啟動套件中自舉仍然主要是在地球上的理論，並且在月球區域從未嘗試過任何型別的生產。需要在這方面進行持續的研發，包括在地球上和月球區域。
- 1.1 月球軌道生產
生產地點 – 從月球表面到軌道的能量為 1.5 MJ/kg。在地球上，從原材料到成品的典型生產能耗為 10-20 MJ/kg。空間生產能耗可能相似。從月球表面收集原材料能量消耗相當低，因為反覆的撞擊已將表面粉碎成風化層，即鬆散的岩石和塵埃。高軌道的陽光量是月球表面的兩倍。因此，似乎更傾向於將材料送入軌道進行進一步加工，因為這樣可以更快地完成。
高軌道還可以作為月球、小行星和地球材料的交匯點。月球表面材料是密度較低的礦物，由於撞擊混合均勻，揮發性化合物含量低。這是由於月球早期溫度高和逃逸速度低。小行星通常沒有被加熱得那麼多，並且它們的緻密成分透過碰撞暴露出來。月球的緻密材料被困在深處。因此，月球上的可用材料與主要小行星型別中的材料不同。一些材料在月球和小行星上都稀有或不存在，更容易從地球上獲得。利用所有三種來源可以實現比僅從月球獲得更多種類的流程和產品。由於距離和能量低，月球可能成為主要材料來源，按質量計算。
- 1.2 月球表面生產
大多數生產似乎都傾向於在軌道上進行。然而，在表面上用於本地生產可能是有意義的，在某些情況下，表面生產用於其他地方也是有意義的。與軌道一樣，需要廣泛的研發來確定哪些產品和流程將是最有用的，以及如何從啟動套件中自舉。一些候選者包括
燒結風化層 – 燒結透過施加熱量或壓力，但不是完全熔化，從顆粒形成固體塊。例如，產品有鋪設的著陸場和建築平臺、道路以及用於結構和遮蔽的塊。岩石和塵埃在表面上隨處可見，陽光也可以集中起來。真空條件使顆粒更容易結合，並減少了加熱造成的損失。它也是一個簡單的過程，可以用機器人來完成。這些特點使它成為早期生產的良好候選者。太陽能加熱的替代品或補充品是微波，微波從內部而不是從外部加熱。
直接提取天然鐵 – 自月球起源以來，含鐵隕石就一直撞擊月球表面。從阿波羅任務岩石樣本中，我們知道約 0.5% 的表面風化層是天然鐵的碎片（Morris, 1980）。它通常是暴露還原、微隕石撞擊或源岩基巖形成的小顆粒。風化層中還含有 5-13% 的鐵，以礦物氧化物的形式存在，但天然鐵不需要進行化學處理，從而避免了早期生產的複雜性。您可以使用磁鐵提取天然鐵部分，然後用熔爐將其與雜質分離，並將結果用砂模鑄造成形，這些模具由表面上豐富的細顆粒製成。需要研究該工藝的可行性，以及早期生產鐵相對於更復雜的化學還原是否值得。後者可以將高達 25-30% 的礦石質量轉化為結構金屬 Al、Fe、Mg 和 Ti；20% 的矽用於電力，以及 40% 的氧氣用於生命維持。因此，化學生產可以更好地利用給定的開採材料量。
陶瓷和金屬生產 – 陶瓷，例如磚和坩堝，以及各種型別的金屬，是任何現代生產的關鍵元素。需要廣泛的研發來研究如何在月球表面和軌道上提取所需的材料，並將它們轉化為有用的產品。熱過程在兩個類別中都很常見，因此製造太陽能聚光器和熔爐是一個重要的研究領域。
2.0 月球居住
[edit | edit source]低重力影響 – 這項研發任務是確定人們和其他生物在長時間內安全的最低水平。已經對零重力進行了廣泛的研究，但沒有對零重力和一克之間的水平進行研究。低重力，甚至在地球上長時間臥床休息，都已知會對人造成不良後果。我們也不瞭解低重力對植物和動物的長期影響。人工重力可以透過旋轉來提供，包括在軌道上和使用地面離心機。人工重力與自然重力之間可能存在細微的副作用。所有這些都需要在設計長期月球棲息地之前解決。我們預計大部分工作將在早期的地球軌道階段完成，因為那裡也存在同樣的問題。月球表面的自然重力為研究提供了一個機會，而早期佔領的停留時間有限。
- 2.1 月球軌道居住
暈軌道空間站保持 – 暈軌道是潛在的生產地點，因為它們可以接近小行星和月球材料來源，並且幾乎 100% 的時間都在陽光照射下。然而，它們是不穩定的，因此需要空間站保持來保持位置。所需的加速度約為 120 m/s/年，或 3.8 × 10-6 m/s2。良好的反射器產生的太陽光壓對一個 100 × 100 m 的區域來說約為 0.08175 N。這對 21.5 噸的質量提供了所需的加速度。金屬化的 7.5 微米Kapton 薄膜對這個 100 × 100 m 的區域來說，質量為 106.5 kg，佔允許質量的 0.5%。電力推進將在推進劑質量上消耗約 0.25%/年。太空中的 Kapton 薄膜已證明具有很長的使用壽命，因此它們是潛在的低質量解決方案的一個例子。由於太陽能電池板和熔爐反射器將具有很大的收集面積，因此它們的光壓以及靠近拉格朗日點的放置可能足以保持位置。否則，可以提供額外的反射器面積來控制漂移。需要研發來確定最佳的空間站保持策略以及在需要時反射器的設計。
- 2.2 月球表面居住
月球塵埃緩解 – 月球表面塵埃非常細小且具有磨損性，並且可能對人員和裝置構成其他危害。它可能會受到裝置操作的干擾，也可能受到自然靜電效應的影響。需要研究確定減少或消除塵埃問題的最佳方法。
3.0 月球運輸
[edit | edit source]本節涵蓋了基於月球軌道或表面的運輸系統。到達月球區域所需的系統，但基於地球或地球軌道，將在各自的階段中介紹。目前月球區域的運輸方法包括化學火箭和幾種型別的電力推進。需要針對使用這些方法的特定月球系統進行新的開發，以及針對更新方法進行額外的研究。
- 3.1 月球軌道運輸
對於早期的低流量和後期的流量，不同的運輸系統型別更受歡迎，在後期的流量中，降低成本變得更加重要。載人的要求與載貨的要求不同，軌道到軌道的要求與軌道到表面的要求也不同。
可重複使用的著陸器 – 著陸器能夠在沒有輔助的情況下到達月球表面，適合早期開發。首次成功著陸發生在 1966 年，此後一直在持續，預計未來還會有更多著陸。然而，迄今為止，所有這些著陸器都是一次性的。未來的改進將是開發可重複使用的著陸器，它可以在軌道上、表面上或兩者兼而有之進行補給。
軌道貨物拖船 – 電力拖船是一種高效但緩慢的貨物運輸方法。它們以前將用於地球軌道，但以後可以基於月球軌道並在此進行補給。高軌道和月球軌道區域的重力很小，因此在它們之間以及更遙遠的區域之間的運輸相對容易。
月球軌道太空港 – 太空港是一種運輸基礎設施，它使旅行更容易，但本身不會旅行，就像機場對飛機的作用一樣。當交通頻率和流量很高時，這種基礎設施是有意義的。然後可以將建設成本分配到許多用途上。一種運輸功能是推進劑供應。然後，車輛只需要攜帶一次旅行所需的推進劑，但可以根據需要進行多次補給。另一種是透過結構元素進行動量傳遞。如果交通的方向和質量是平衡的，則不需要淨能量。它比電力更快，但仍然可以使用這種方法透過將軌道能量儲存在太空港的質量中來節省推進劑質量。太空港可以支援除了基本運輸功能之外的其他功能。一個例子是監控和控制月球區域的無人系統。與地球相比，距離更近，可以實現更接近即時的操作。另一個是為人員提供輻射防護和人工重力。太空港將從小規模開始，隨著時間的推移而增長，以滿足交通和其他功能的需求。它也將作為更大的太空港網路的一部分而存在，該網路使太陽系內的可靠且低成本的旅行成為可能。
- 3.2 月球表面運輸
表面漫遊車 – 地表車輛在地球上已經發展得很好，並且已經有一些在地球上執行月球和火星。然而，需要改進負載能力、耐用性、塵埃緩解和牽引力。現有的輕型漫遊車設計適合於探測和選址。它們可能不適合更重的任務，例如場地準備和採礦。我們還沒有在月球上進行過重型機械的維護經驗，特別是對於遠端控制的機械而言。我們也沒有在那裡卸貨或組裝大型車輛。這些主題需要一些研究。
批次貨物運往軌道 – 如果大部分加工要在高軌道進行，則需要一種有效的方式來從地面運送大批原材料。候選方案包括離心式和電磁彈射器，以及大型軌道基礎設施，所有這些都需要大量的研發。目前的基準方案是化學火箭，但它們具有相當低的質量返回率，而且能效不高。
- 4.1 月球軌道服務
[待定]
- 4.2 月球表面服務
[待定]
第 4.14 節 – 火星開發 探討了開發火星及其周圍軌道區域的概念。一種方法是從火衛一上的棲息地開始。首先，我們可以利用該衛星的本地材料來支援前往地面的旅行。由於我們尚不清楚火衛一的成分，可能需要從附近的行星際小行星獲取其他材料。由於火星位於小行星帶 的內緣，因此有許多候選目標可供選擇。首先，我們生產推進劑和機組人員物資。稍後，我們可以建造太空港結構，以交換動量並更有效地到達火星表面。
我們已經在火星軌道上擁有許多衛星，並且有探測器和漫遊車在探索火星表面。有了軌道上的推進劑供應，我們可以開始著陸更大型的裝置並在地面建造更大的設施。這些設施可以從軌道上遠端控制，直到有足夠的棲息地容量可供全職機組人員使用。早期任務可以將種子工廠元件運送至火星表面，以開始本地生產。隨著火星表面推進劑生產的開始，以及隨後大型地面加速器與軌道太空港相結合，火星的進出將變得更加容易，大型開發也將能夠進行。
目前，所有這些概念都處於初步階段，可能需要大量的研發才能制定出具體的專案計劃，並最終得以實施。
第 4.N 節 - 後續專案 概述了一些後期階段的想法。由於技術會隨著時間的推移而改變，因此對遙遠的未來進行太多詳細的計劃是不值得的。長期概念可以作為未來研究的指南。隨著時間越來越近，這些想法（或者將來開發的新想法）可以被納入更新的專案計劃。以下五個子階段尚未確定具體的研發任務。它們的節標題保留供日後使用。
- 階段 0O - 階段 5C 金星和水星開發的研發
- 階段 0P - 階段 5D 木星系統開發的研發
- 階段 0Q - 階段 5E 外部氣態巨行星開發的研發
- 階段 0R - 階段 6A 星際空間開發的研發
- 階段 0S - 階段 6B 太陽系外開發的研發