第 5.1 節：人類擴張（第 2 頁）
在設定了我們想要達成的初始目標後，我們現在想要開始開發一個最符合這些目標的設計，並評估它與現有系統的比較情況。其中一部分是將模糊的術語“最佳”轉化為客觀的測量方法。像這樣的複雜系統將具有許多引數，這些引數可用於比較替代方案。這些引數將具有不同的測量單位。由於設計的不同特徵（如成本和效能）無法直接比較，因此我們將它們轉換為統一的數字比例，然後可以選擇在該比例上得分較高的選項。轉換公式代表了對客戶期望的數學模型。換句話說，它是“最佳”的客觀模型。該模型將在概念設計過程中不斷發展。此時我們只能開始著手進行。
建模和評估是一個客觀的過程。然而，選擇要測量的引數及其相對重要性是主觀的。它源於人類的需求和願望，而這些需求和願望並非客觀設定。此外，人類往往不知道他們想要什麼，因為他們對某一主題知之甚少。在我們當前的計劃中，最終客戶是整個文明。大多數人沒有足夠的興趣或資訊來了解他們會重視哪些引數。因此，直接客戶必須充當代理人，為他們表達他們的偏好。直接客戶將是與設計師直接接觸的人。目前，將是研究基金的貢獻者，以及專案設計師本身。在此階段，他們無法教育和調查所有文明以確定他們想要什麼。相反，他們必須估計如果他們瞭解情況並被詢問他們的意見，他們會想要什麼。作為這種代理方法的一個例子，智慧手機的最終客戶是最終使用它們的人。由於你甚至不知道這些人是誰，你無法詢問他們的偏好。因此，管理部門、營銷部門和工程部門充當這些客戶的代理人，並盡最大努力確定他們的偏好是什麼。
某些標準是明確的 yes/no 或 pass/fail 型別。如果設計未能滿足此類標準，則它在客戶眼中毫無價值。此型別不會建模或評分，因為如果未滿足，得分將為零。相反，它們被包括在必須滿足的明確定義的程式需求中，而其他引數允許根據需要變化以滿足“硬性”（固定和不變）需求。通常，此型別代表基本程式目標和目標。其他引數（如成本）具有增量的期望水平 - 成本的每次增量都更可取。此類引數可以在從期望到不期望的滑動範圍內進行評分。
任何對終端使用者/客戶有價值的引數都可能被用於設計選擇。因此，它們可以涵蓋所有目標、需求和設計特徵。在實踐中，有些比其他更重要，或者僅在設計特定級別時才相關。一組非常龐大的標準難以應用，因為你必須評估每個設計選項的所有標準。因此，選擇標準通常限於更重要的標準。無論選擇哪些標準，都應該有一個明確的描述，說明它們與客戶期望的關係以及評分公式的推導方式。我們將給出幾個成本標準的例子，以說明如何做到這一點。目前，它們不是最終選擇引數，而僅僅是示例。
我們假設整個文明將為整個計劃開發買單，並從結果中受益。因此，從系統工程的角度來看，他們是最終客戶。選擇新設計而不是當前設計的主要原因之一是成本，成本是衡量投入計劃的資源的一種度量。因此，我們將以開發成本和運營成本作為我們的示例標準。在這兩種情況下，越低越好。
- 可負擔的開發
現有的太空計劃已經相當龐大，表明它們受到社會重視。截至 2011 年，全球政府航天機構預算總計 330 億美元。衛星行業協會估計 2011 年全球太空產業規模為 2900 億美元。行業通常向政府計劃出售，因此為了避免重複計算，我們只將政府預算的 30% 作為獨特資料。這導致所有太空相關活動總計每年 3000 億美元。現值將資金的年度流量轉換為等效的單筆金額。標準普爾 500 指數的當前市盈率為 12，這意味著當前太空計劃的現值為 3.6 萬億美元。
新的或修改後的計劃不應該大大超過人們顯然願意花費的金額。因此，我們將新的組合系統的淨開發成本除以當前太空計劃的現值作為可負擔性的衡量標準。小值表示良好，表示額外的成本並不多。負值甚至更好，表示節省了成本。如果收益超過成本，則可以接受一些淨成本。這裡的淨開發成本是指系統的折現現值開發成本，包括產生的收入。因此，這是你在今天需要用於為所有未來開發提供資金的最大金額，在考慮到任何可以支付後期成本的正收入後。
我們沒有絕對的度量標準來將淨開發成本轉換為評估分數。在沒有度量標準的情況下，我們將假設文明願意將其總產出的相同比例花在太空計劃上。由於世界實際 GDP 每年增長約 3%，我們將根據 12 的現值倍數設定淨開發成本的增長，以設定 12 年的等效時間範圍。這將給出 12x3% 或 36% 作為名義值，我們將其分配給 50% 的中間分數。我們將分配 0% 的淨開發成本為 75% 的分數，成本降低 36% 將得分為 100%。成本增加 108% 將得分為 0%，比例將擴充套件到 0 和 100% 之外。分數值是任意的。重要的是它們如何與其他選擇標準的分數相關聯。這隱式地定義了標準之間的交換比率，例如“推力增加 1% 價值 500 萬美元的開發成本”。
透過在解釋程式效益後對人們進行調查，可以獲得更好的開發成本評分。我們也可以對評分進行敏感性分析。這在計算概念設計的結果在改變選擇標準或其評分的情況下是如何變化的。如果你在一個廣泛的評分標準範圍內得到相同的設計結果，那麼這個設計就被認為是 **穩健的** 或 **對變化不敏感的**。這是可取的。如果微小的變化導致設計結果差異很大，那麼它可能不是最佳設計，或者需要做更多的工作來區分備選方案或減少不確定性。
- 低迴圈成本
之前的指標反映了任何時間點的最大淨開發成本。一個好的概念設計也應該有較低的運營成本。目前太空專案的主要迴圈成本是發射到地球軌道。總髮射成本是發射多少公斤以及運輸系統的每公斤成本的乘積。改進，例如更強的材料或使用太空資源，可以減少給定專案所需的公斤數。迴圈成本/公斤由許多元件成本組成，但最大的改進將來自用於運往軌道的不同設計和技術。
在這個例子中，我們將成本降低與目前的（2012 年）值作為基準進行衡量。典型任務的當前太空硬體和推進劑質量決定了所需的總質量。新的設計和技術導致任務的質量不同。然後，質量改進率為當前質量/新質量。對於發射成本，我們將假設獵鷹重型火箭的報價成本為每公斤 1566 美元作為基準。對於新的運輸系統，使用支付開發成本後的低地球軌道邊際運營成本。然後發射成本比率為（1566 美元/公斤）/（新的發射成本）。總成本降低是（質量改進率）×（發射成本比率）的乘積。我們將假設成本等比例降低具有恆定的客戶價值，因此我們將總成本降低的對數轉換為分數。最大潛在改進的一半，比率為 148:1，其自然對數為 5，得分 100%。其他成本降低的得分是 20% × ln（成本降低）。
開發設計的下一部分是定義需求。專案需求將說明如何根據可衡量特徵、引數和值來滿足一般專案目標。它們將在概念設計階段結束時記錄。在這一點（概念設計的開始），我們可以從識別每個專案目標下的需求類別開始。然後，需求分析步驟將檢查並從這些需求中選擇單個需求。
這個專案目標被列為第一個，因為在我們能夠合理地計劃一個專案的時期內，大多數人類將生活在地球上。因此，我們在這裡的生活質量至關重要。從歷史上看，在不久的將來，幾乎所有從事太空計劃的人員、辦公室和工廠以及材料來源也將在地球上。如果開發了新的方法和技術來滿足具有挑戰性的太空任務需求，那麼這些方法和技術可以反饋到文明通常用來工作的工具箱中，從而改善這裡的生活。這已經發生的例子是為管理複雜的航空航天專案而開發的系統工程方法。這些方法可以應用於地球上所有形式的複雜專案。
為了將這個總體目標與特定需求聯絡起來，我們可以看看新的太空技術對現有生活質量指標的影響。一個例子是高效的閉環食品生產。這可以應用於地球，從而導致食品安全改善或農場廢物減少。因此，在概念設計期間，我們應該尋找具有地球應用的方法和技術，確定它們可能對生活質量產生什麼影響，並優先考慮那些具有更大應用潛力和影響的方法和技術。因此，聚變火箭將優於風化層發動機，因為執行的聚變反應堆也可以幫助解決地球上的能源安全問題。使用原始岩石作為推進劑反應質量的裝置沒有那種地球應用（我們所知的）。
**生活質量**指標包括 GDP、預期壽命和汙染水平等物理指標，以及教育、休閒時間和公民權利等社會指標。建立專案需求的一步將是選擇適當的指標。下一步將是設定我們的專案應該對這些指標產生多少潛在影響，以及希望達成的改進水平。
瞭解我們的家園星球主要是一項科學事業。它包括收集資料、發展理論和模型，然後根據現實檢驗這些想法。在你獲得了更好的理解之後，然後決定如何處理這些知識是一個社會和政治問題，超出了該專案的範圍。它可能會導致新的專案，例如軌道遮陽板，以降低地球的溫度，但啟動這些專案的決定應基於可靠的知識。這組需求將解決獲取這種知識問題。
我們希望收集有關地球和其他行星系的資料。後者的原因是其他行星是在其他環境下發生的事情的自然實驗。我們不能透過實驗我們所居住的唯一一顆行星來獲得知識，但我們可以透過觀察其他植物來檢驗我們的理論和模型。收集資料具有時間和空間維度。我們想知道行星及其環境的當前屬性在三個維度上的情況，以及這些屬性隨時間的歷史。然後，我們可以根據這兩個方面的細節增加來設定專案需求。一個例子是“將所有太陽系物體對映到 1 公里或更好的解析度”。大量的資料本身並不實用，因此還需要足夠的資源來組織它並發展理論，然後進行新的資料收集週期來檢驗這些理論。專案需求將包括利用這些資料並指導後續資料收集週期的科學人員，以及以一種向人們介紹他們可能需要做出的選擇的形式展示累積知識的結果。
這類專案需求包括識別來自太空的危害，然後為其做好準備或防止其造成的損害。已知的危害包括小行星和彗星、太陽耀斑和恆星爆炸。需求型別可以包括偏轉危險物體的能力，以及限制無法防止的耀斑等事件造成的損害。
單個不受控制的生物圈本質上是不安全的，容易受到自然和人為變化的影響。由於我們現在幾乎所有人都依賴於這一個生物圈，因此我們希望設定能夠提高安全級別的專案需求。瞭解地球和減少太空危害的需求組有助於實現這一目標。這組需求更進一步，以抵消不良變化並採用計算機技術中的備份理念。具體的需求可能包括為生物樣本提供安全的儲存以及在地球以外進行生物危害測試、主動控制生物圈引數以及在太空或其他行星上建立人工生物圈。
所有文明都需要資源才能運作。這組專案需求可以包括識別稀缺的物質資源、材料資源和能源資源，並設定增加其可用性的數量和成本目標。物質資源包括質量生活、生長和工作空間，包括尺寸和環境。物質資源是所有需要的原材料、特殊化合物和裝置。能源資源是不同目的所需的各種形式的能源。所有這些都與不同任務的資源流動相互關聯。
該領域的專案需求將包括檢查長期資源枯竭。例如，繼續使用核裂變發電最終將耗盡地球上的鈾和釷。如果這是保持文明運作的關鍵部分，那麼最終將發生崩潰。還有其他能源來源，因此這個特殊的例子並不致命，但它表明了尋找在長期內會耗盡的專案的思想。太陽也以每 1 億年 1% 的速度從恆星演化中變得更亮，地球永久地以每秒 3 公斤的速度損失氫氣，這是水分解的結果，相當於每年損失 850,000 噸水。這些長期變化最終將使地球變得不適合居住。因此，專案需求可以設定為抵消地球的枯竭和變化，或者在問題變得嚴重的時間尺度內使我們能夠遷移到其他地方。
在我們當前的文明中，地球上的存在受到自然和人為的限制。這方面的措施著眼於消除或解除這些限制。一些例子包括居住自由 - 在地球上，你被國家政府限制在你想居住的任何地方。另一個例子是重力自由 - 你現在不能選擇生活在不同的重力水平下。
地球上的大部分地區（至少是好的部分）已經被其他人佔有。透過使新的未被佔有或未被充分利用的區域變得可及，這將為想要開始新事物的人提供更多機會，而無需先償還之前的業主。這方面的措施將包括增加可用面積或資源。
在建立了一種衡量設計好壞的方法並確定要求之後，我們接下來需要一種方法來制定 **系統概念**，即對組合空間系統是什麼以及如何工作的概括性描述。沒有一個單一的靈丹妙藥（或神奇的火箭）能夠單獨滿足所有專案的需要。如果有的話，現在有人已經使用它了，或者至少正在認真地追求它。因此，我們採取 **利用多個好主意** 的方法，這將使節省的效益相乘。這將導致一個由多個系統組成的複雜專案，這些系統需要組合起來才能取得最佳效果。
為了滿足經濟實惠的開發成本標準，我們不會一次性構建所有內容。相反，**這些想法將逐步應用於相互借鑑的增量專案和系統**。這將使早期部分產生一些回報，幫助支付後期部分的費用。早期部分的規模比後期的部分要小，這進一步降低了初始開發成本。這將導致一個時間上延長的專案。
為了開發我們的系統概念，我們將使用以下想法
- **減少或消除傳統火箭** - 它們已經使用了幾十年，並且進行了大量的工程開發和最佳化。因此，使用另一枚傳統火箭不太可能帶來很大的改進，而且其他專案已經在嘗試這樣做。相反，我們將嘗試使用第二部分中確定的其他數百種運輸方法和變體。這使我們有可能大大提高化學火箭的效能和成本限制，這些限制是由其化學性質決定的。
- **設計用於重複使用、維修和回收** - 應該很明顯，這些特性將降低硬體和供應成本，但許多發射器和衛星只使用一次就報廢。例如，對於空間站上的宇航員來說，氧氣和食物供應也是類似地使用一次就報廢。一些太空硬體被設計用於維護和維修，但大多數沒有。因此，我們將嘗試將這些多用途和長壽命特性融入設計中，以最大程度地利用硬體和物資。
- **利用空間的物質和能源資源** - 同樣，應該很明顯，從地球上運送所有東西是一個限制因素，而且你進入太空越遠，這樣做所花費的成本就越高。太陽能非常有用，幾乎所有太空專案都使用了太陽能，但其他物質和能源資源尚未得到開發。因此，我們將嘗試設計使用它們來利用從地球上帶來的東西。
- **建造多功能設施** - 到目前為止，許多一次性任務都傾向於不留下任何有用的東西。因此，下一項任務與上一項任務一樣困難和昂貴。因此，我們將嘗試設計可以多次使用或永久使用的設施。一個例子是在月球上著陸一個太陽能陣列，該陣列用於快速為漫遊車充電，然後可以用於為開採工廠供電。這比在漫遊車上安裝一個太陽能陣列，然後再為工廠安裝另一個太陽能陣列更有意義。
- **使用多種模組化設計** - 單片式或整體式設計要求在您的需求發生變化或您能夠使用升級的技術時更換整個物品。對於長期和複雜的專案，您無法預測可能需要的所有更改和升級。因此，我們將嘗試儘可能使用模組化設計，以使更改更容易。模組化設計也可以從小規模開始，並逐步新增，從而降低初始成本和運輸系統的規模。不需要使用一種方法來做所有事情。在地球上，我們使用管道等工業運輸系統來低成本地運輸大量貨物，並將更昂貴和更安全的方法保留用於運輸人員。當這種專門化在成本和技術上合理時是可以接受的。
使用上述想法並不意味著在不適當的地方盲目地使用它們。這意味著在有意義的地方將它們融入其中，以最佳化數量。過去的專案往往沒有充分使用它們，甚至沒有使用過。這導致了高成本和有限的效能，我們的新專案試圖糾正這些問題。
我們不會試圖一次性完成所有工作，而是採取逐步增量的方式設計和建造我們的太空專案元素。隨著增量的新增，這些增量將在幾個維度上建立新的地點並改進可衡量的引數
- **工作環境範圍** - 從地球上的溫帶地區開始，提供生產、居住、運輸和其他系統元素，這些元素在給定的環境中工作。然後將它們的工作範圍擴充套件到更熱、更冷、更潮溼、更乾燥以及更高和更低的壓力。之後將工作環境的範圍擴充套件到空間地點，包括重力和輻射水平等額外變數，以及溫度和壓力的更大範圍。
- **時間和能量範圍** - 時間包含通訊時間、旅行時間和停留時間。能量包含到達特定地點所需的勢能和動能。新的地點將增加通訊和控制距離的範圍，並需要更長的旅行和停留時間。它們還將需要更大的能量變化才能到達。
- **效能水平** - 這些是貨物容量、工業產出、效率和關閉率以及支援的人數等指標。它們被指定為特定專案元素和系統的效能要求。每個地點都從給定的效能集開始，並在階段中逐步提高到更高的水平。
時間上遙遠或需要遠遠超出當前經驗的引數的增量，對於設計來說變得不確定。在間隔時間內可能會開發出新的技術，並且滿足未經驗證的引數水平可能很困難。因此，在某個時間點，詳細規劃未來的專案不再有用。相反，可以列出這些專案的選項，並制定一項計劃來開發所需的技術並減少不確定性。因此，專案工程工作不是一次性完成的，而是一個持續的努力。在任何時間點，專案都將有一個基線記錄當前狀態和未來計劃，但該基線將定期更新。
根據以上討論，我們將描述專案概念的起點。我們強調，這只是一個起點，最終的概念是概念設計階段的終點。
- 專案描述
我們專案的基本概念是將人類文明的範圍擴充套件到新的地點，同時滿足上述專案目標和要求。任何型別的文明似乎都需要能夠生產食物和其他實物物品，提供住所，以及在不同地點之間運送人員和物品。可能還有其他基本要求，但我們將從這些要求開始。因此，對於每一個新的地點，我們都會建立並逐步擴充套件生產、居住和運輸元素。我們從現有的文明開始，建立一個新的地點，一旦它得到充分的發展，我們就前往下一個地點並重復這個過程。
第一個新的地點將是地球上容易的地方，位於溫帶氣候。首先在那裡展示新的技術，如遠端操作、自動化和資源開採。一旦建立起來，我們就將新的元素運送到地球上更困難的地方，如沙漠、海洋、高海拔地區、寒冷地區或地下。這擴充套件了環境的範圍和遠端控制的距離。擴大人們可以居住和工作條件的範圍滿足了專案的許多要求，並且新的地點應該在物理和經濟上自給自足。
在在地球上建立了足夠多的地點之後，生產能力將用於建造前往軌道的運輸工具，並將遠端操作和其他技術進一步開發用於空間地點以及真空、溫度、輻射和失重等更困難的環境。
為了在新地點實現增長，我們設計和建造了以下型別的硬體
- 種子工廠
開發新地點一直都需要帶上一套啟動知識和工具。歷史上這意味著要帶動物、種子、斧頭和錘子，以及當時技術所需的任何其他東西來開始建造。對於我們的未來專案，我們希望使用現代技術允許的最佳方法。我們的啟動套件應使用自動化和遠端操作，並能夠不僅製造固定的一套產品，還可以為自己製造更多裝置以擴大產出範圍。因此，我們的理念是使用**種子工廠**在每個新地點建立生產能力。與只生產特定產品組的傳統工廠不同，種子工廠利用其生產的一部分來為自己製造更多裝置。因此，隨著時間的推移，它能夠製造更多種類的產品，並使用更多種類的當地資源。最初的種子裝置，加上它目前還無法制造的供應品和必要元件，將從先前的地點運送。隨著時間的推移，生產能力將需要更少的供應品和零部件，並能夠在當地製造更多物品。
除了自我擴充套件之外，工廠的產出部分是特定地點生活和工作所需的物品。在太空中，這將包括住區、車輛、採礦裝置、水和氧氣等部件和供應品。剩餘的產出將是用於交易以獲得所需外部供應品的商品。在地球上，這可以是任何有市場的商品。在軌道上，一個例子是建造大型通訊衛星。車輛將攜帶種子裝置的副本前往下一個地點以開始在那裡生長。由於人類的住區是生產產出的一部分，因此最初你可能沒有能力在新地點支援很多住區。因此，種子工廠的設計考慮了自動化/機器人、遠端控制和直接人工操作的混合，以最大程度地減少後者。第一個種子工廠建在地球上的各個地點。當它們充分擴充套件後，它們將利用其工業能力建造運載火箭和太空硬體。這用於在地球軌道上建立組裝和加工裝置。這將發展成為一個完整的種子工廠，並從那裡擴充套件到太空中的其他地點。
- 迴圈系統
線性系統可能會開採一種資源用作肥料，使用一次，然後在收穫的作物和徑流中去除。在人口稠密的地球或太空中，獲得新供應品很困難，一次性線性設計的資源變得昂貴且不可持續。因此，我們的概念包括使用迴圈系統，將舊物品送回早期生產階段進行修理、再利用、回收或再加工成新物品。由於運輸是一項間接成本，我們更傾向於在本地進行迴圈，但如果事實證明在其他地點執行任務更最佳化，我們將這樣做。
- 高效運輸
新地點從以前的地點開始交付，並將繼續需要運輸來交付新裝置、供應品和人員。一旦建立了足夠的生產，就需要將成品運回以前的地點。此外，在建立永久性住區和完全迴圈系統之前，還需要將人員和用過的物品運回以前的地點。因此，運輸是一個必要的功能，我們更傾向於儘可能高效地執行它。
在地球上，內燃機等機器特別低效，因此我們將尋找更高效的替代品。在太空運輸中，傳統火箭進入軌道的效率甚至低於汽油發動機。雖然化學火箭本身作為熱機非常高效（~80%），但當將其視為整個運輸車輛的一部分時，大部分工作都用於加速燃料，這些燃料隨後被燃燒和丟棄。因此，我們的理念是用各種更高效的運輸方式儘可能地取代傳統火箭。這包括幾個進入軌道的初始發射選擇，以及主要在軌道上的電推進器。化學火箭不會完全被淘汰，尤其是在最初，但隨著專案的演變逐漸被取代。電推進器在燃料使用方面效率大約高出五到十倍，再加上能夠在當地提取燃料，因此需要從地球上獲得的燃料量大幅減少，所以我們將在設計中努力大量使用它們。與所有火箭一樣，化學火箭的燃料使用量隨速度呈指數增長。因此，即使部分取代它們的使用也會顯著減少總髮射質量。因此，即使在早期階段採取較小的步驟，我們的增量方法仍然會帶來巨大的收益。