第 5.1 節：人類擴張（第 3 頁）
我們透過說明目標和潛在益處、初始選擇標準、需求類別、設計方法和初始程式概念，為概念設計階段設定了起點。我們現在應用第 1.5 節中的系統工程方法，以越來越詳細的方式進一步發展設計。讀者應該記住，像這樣的書籍是章節和頁面的線性展示，但實際方法是迭代的，後續步驟的結果會反饋回來更新早期結果。我們將嘗試在這些實踐與描述之間的差異出現時進行指示。
到目前為止，我們已經以非常籠統的術語說明了該程式的預期目標。需求分析步驟將這些籠統的陳述發展成更具體和可衡量的程式級功能。在設計的後續階段，這些功能將被更詳細地分析並分配到各個系統和更低級別的專案，作為系統和設計需求，其設計試圖滿足這些需求。在這個過程中，我們將一般需求對映到特定需求，以確保所有需求都得到滿足。在程式開發的每個級別都應該定義最少數量的必要需求。過多的需求會限制設計選擇並增加為設計和驗證而產生的額外成本。
需要注意的是，設定初始需求並不意味著它們在物理上是可能的、經濟上可行的，或者比現在存在的東西更好。它們只是確定設計目標，後續工作將確定它們是否正確。
首先，我們確定需求分析的來源或輸入。這些應該來自程式本身的外部
- 程式目標和益處 - 這些在該節的第 1 頁中有所說明，並且來自我們盡力確定的整個文明未滿足的願望。
- 系統工程經驗 - 開發複雜程式的過去工程經驗已經確定了需求型別，這些型別往往被證明是必要的。我們可以使用主題文獻來確定與該程式相關的需求型別。
- 外部約束 - 這些是由自然或人為原因（如法律要求）強加的限制。
除了外部需求外，我們還有一些從程式目標和益處、設計方法或初始程式概念中識別或推匯出的內部需求，這些需求在第 2 頁中有所說明。
目標和益處 - 我們檢查了第 1 頁中所述的每個程式目標和益處，並試圖以目標、效能、進度、成本、技術風險、安全、可持續性和開放性等方面來編寫程式將實現的個人陳述。這些類別的標題來自第 1.5 節中列出的需求型別列表。不同的程式會產生不同的這類陳述。我們試圖使這些陳述具體並具有可衡量的特徵或引數。在某些情況下，這在設計過程的後期階段是不可能的，必須等到後期。對於不完整的陳述，使用佔位符。此次檢查的結果以及對每個陳述如何推導的討論成為下一節程式需求初稿的一部分。
系統工程經驗 - 接下來，我們考慮了需求的一般類別，例如第 1.5 節中列出的類別，看看哪些可能適用於該程式。在分析的這一級別，該程式的範圍很廣，而且是長期的。因此，許多適用於更詳細級別的需求在此時並不相關。出現的一個專案是“生命週期”，即程式何時結束？我們在 1.2 中的討論中包含了這樣一點，即終點是達到所述人口並能夠在之後繼續支援他們。遵守法律、法規、規範和標準過於具體，無法在這一級別應用，耐用性和質量特徵也是如此。就其本質而言，該程式旨在對社群和環境產生積極影響。在更詳細的級別，這些可能會成為單獨的需求。製造、測試和維護也適用於詳細級別。靈活性、可擴充套件性和演進預計將在位置或系統級別應用。由於這些位置是整個人類文明的一部分，因此互操作性在程式級別得以滿足。在更詳細的級別，此類別可能會出現特定需求。最終結果是，從這一步驟中，在程式級別沒有識別出許多新的需求。
外部約束 - 現在，我們認為在更困難的環境和更偏遠的位置執行的要求足以識別外部約束。對於特定位置，例如月球 L2 點，物理環境和法律制度將成為更詳細需求的輸入。
內部程式需求 - 接下來，我們檢視第 2 頁中識別的需求類別，看看其中哪些適用。從“改善地球生活”標題中，我們定義了相對於當前水平改善生活質量的要求（2.4）。“瞭解地球”目標是透過居住在更困難的環境中而間接實現的。當人們能夠居住在這些偏遠地區時，他們可以更容易地研究這些地區，科學可能是居民的主要“職業”。資料需求（2.5）明確地幫助了這一目標。 “減少太空危害”類別由人口風險（6.2）要求涵蓋，但我們尚未定義具體的風險和減少目標。此要求也部分解決了從“提高生物圈安全”標題中遷移危險研究的問題。提高生物圈安全方面的積極措施在生存能力（7.2）中得到體現。“擴充套件資源”類別下的措施包括物理方面，即在位置、區域、體積和環境範圍方面的維度。這在主要程式目標（1.1）中得到體現。物質和能量資源在資源需求（2.6）中得到體現。從“長期生存”中，我們在生存能力需求（7.2）中增加了對關鍵資源枯竭的設計。 “增加選擇”標題由同名需求（1.3）涵蓋。擴大文明範圍的主要目標（1.1）在通往未被認領和未充分利用位置的意義上解決了“增加機會”類別。開放性需求（8.）維持了該技術和位置對該計劃外部人員的訪問，為他們提供了更多機會。
設計方法 - 我們的下一步是檢視我們的設計方法，看看它是否會推動任何程式需求。通常，設計從需求到解決方案進行，但這是一項檢查，看看我們的方法是否會以相反的方向反饋回來。減少傳統火箭使用的想法不是程式級別的需求，而是該程式空間部分的設計解決方案。降低地球發射成本的程式需求（4.3）可能會推動使用該想法。該要求還將推動在更長的車輛壽命方面使用再利用/維修/回收。改進的技術（2.3）和剩餘資源（2.6）以及其他要求也推動了再利用/維修/回收，因為該想法是設計最佳化的通用解決方案。對於我們程式的空間部分，利用太空資源是另一種最佳化設計的通用解決方案。剩餘產出的資源需求（2.6）將推動使用該想法。建造多功能設施是另一種最佳化與針對每個任務的單一用途設計的最佳化方式。該程式的規模需求（1.2）要求永續性和規模可能會推動使用該想法。與增長（2.2）一起，它將推動使用模組化設計的想法。逐漸增加環境範圍、距離和效能的設計方法已經包含在多個需求中。因此，我們發現需求往往會利用我們設計方法中的想法，但這些想法不會強加新的需求。
程式概念 - 同樣，我們檢查第 2 頁中的初始程式概念，看看是否確定了任何新的需求
- 程式描述：我們確定了生產、居住和運輸是文明的基礎，但這些將作為每個位置的更低級別功能開發，而不是該程式的頂級需求。頂級需求由支援一定數量人口的需求（1.2）涵蓋。這些功能的建立和擴充套件在（2.2）增長中得到體現。主要程式目標（1.1）是遷移到更困難和更偏遠的位置。這將推動遠端操作和自動化，因為在棲息地到位之前，人類無法在那裡居住。資源提取被明確包含為一項要求（2.6）。特定地球或太空位置未作為程式需求確定，但隱含在位置數量（2.1）中。
- 種子工廠：使用工廠產出來擴充套件自身的想法是解決增長（2.2）和改進技術（2.3）需求的良好解決方案，但不會在程式級別強加新的需求。此類工廠的技術細節以及它們生產的產品將是更低級別的設計和需求。
- 迴圈系統：儘可能使用迴圈流的想法也是解決許多程式要求的良好方案，例如 7. 可持續性和 4. 成本，但我們沒有從這個想法中看到新的頂級要求。
- 高效運輸：同樣，這對於成本和效率原因來說是一個好主意。我們已經設定了地球發射成本要求（4.3），這將指導我們努力將這個想法納入其中。具有挑戰性的成本目標將傾向於迫使減少化學火箭的使用作為解決方案，但這不會強加新的頂級要求。
目前，我們的分析過程到此結束。與任何工程設計一樣，以後的更詳細的工作可能會導致這些結果的更新。
以下需求列表是根據上一節中描述的過程得出的初稿。各個需求按類別排序並編號以方便跟蹤，並討論了它們是如何開發的。進一步的概念設計工作將增加和完善此列表，以生成最終的程式需求文件，這是程式概念設計階段的輸出之一。
- 1.1 程式目標 - 該程式應將人類文明擴充套件到一系列新的地點，這些地點的環境和距離越來越困難。
討論：我們的程式理念是從最容易的地方開始開發新的地點，但在能源、自動化和迴圈利用等領域改進技術。這應該會導致成本降低和生活質量指標提高。第一個要求只是將概念的第一部分重述為明確的目標。所有後續要求對其進行了量化和完善。請注意，新地點包括地球上困難的地點以及太空中的地點。
- 1.2 程式規模 - 擴張應透過在新的地球地點永久支援至少 95,000 人，以及在每個新的太空地點永久支援至少 2,000 人來證明。
討論：需要一個目標規模，以便知道何時達到程式目標，並確定硬體設計的規模。它們旨在足夠大，以證明新的地點是永久居住的，並且新技術可以可靠地執行。它們是本程式的最終目標，但沒有任何東西可以阻止之後或由其他程式並行進行進一步的擴張。生命週期分析在此結束，但這些地點被設計為繼續運作。最初的人數會少得多，如果機器人和遠端操作是開始建造太空的最佳方式，則可能為零。作為一個起點，這些數字是任意選擇的，是 2050 年人類總人口的平方根和立方根。以後的尺寸分析可能會改變它們，但需要一些東西用於第一輪設計工作。
對新地點的展示以及滿足所有其他要求支援對未來的樂觀主義。它提供了一條通往不斷增長、開放和改善生活的可理解的道路，而不是有限、封閉和零和的世界。
- 1.3 選擇 - 具體地點及其內部組織、功能和運作應由程式參與者和地點居民在設計約束的範圍內選擇。
討論：包含此要求是為了實現增加選擇和自由的目標。因此，諸如在哪裡建造新地點的選擇並非自上而下地強加，而是內部做出的。參與者是像設計師這樣的人，他們可能最終不會居住在新地點，而居民則是那些確實居住在那裡的人。約束是由自然強加於設計的限制，例如某個地點的陽光照射水平，或者是由人類強加的，例如禁止在某個地點使用裂變反應堆供電的法律。
- 2.1 地點數量 - 設計應最大限度地提高新地點的數量，其中新的定義為環境引數或距離（以時間或能量形式測量）至少增加 10%。
討論：要求可以是固定數量或可變引數。這裡它是一個可變的，表示為“最大化”，沒有具體數字。一個可以無限增加的要求會導致不平衡或不可行的設計。因此，諸如“更多地點”等理想引數透過使用效力指標和跨整個程式的評分來平衡其他引數。要求的第二部分確定在位置方面，多少差異才算得上是新的。
- 2.2 增長 - 每個地點都應以漸進的方式提高生產、居住和運輸能力。
討論：我們最初的程式理念將這些確定為文明的基本功能。設定增長要求而不是一次滿足給定水平，允許增量和模組化設計。每個功能的增長率和目標能力尚未確定。以後的建模和最佳化將確定什麼是可行的，然後將特定值應用於選定的地點。
- 2.3 技術改進 - 地點應以漸進的方式提高自產率、迴圈流和自主性水平。
討論：該程式理念不僅是擴充套件到新的地點，而且是提高技術水平。此要求設定了主要改進類別。它是針對所有地點作為一個整體而言的，因為一個地點可能專門用於一項任務，例如採礦或種植食物。然後，不同的地點進行產出交易。在每個地點做什麼以及它們之間需要多少運輸的選擇是一個設計最佳化，將在以後解決。自產率是內部完成的量，而不是從外部來源獲得的。迴圈流是得到回收和再處理的材料，而不是新的投入和廢棄物輸出。迴圈流不計入用於內部增長或外部交付的新生產。自主性衡量自動化和內部控制的水平，以便一個地點不需要那麼多外部支援或人工來保持運作。這些引數的數字水平將在以後根據可行性設定。
- 2.4 生活質量改善 - 完成的地點應提供相對於地球文明前 10% 而言改善的物質和社會生活質量。
討論：這將改善地球生活的目標具體化，透過展示遠高於當前平均水平的生活質量來證明這一點。用於比較的確切衡量標準將需要在概念開發的後期定義。10% 的閾值是一個名義上的目標，代表“比大多數條件好”的條件。
- 2.5 資料 - 該程式應收集和傳播關於地球環境、周圍空間及其物體[待定]的資料。
討論：此要求支援該程式的目標，即透過觀察地球的環境以及其他行星和物體的歷史和演變來更好地瞭解地球。在這個階段的分析中，我們不知道哪些型別的資料有用，什麼級別的細節或什麼成本，因此我們使用佔位符值。現有的天文學和行星科學計劃已經在執行這項任務，因此最終的要求將是該程式將增加哪些超出這些能力的能力。此外，一些資料收集是支援未來向太空中的新地點擴張所必需的。
- 2.6 資源 - 該程式應輸出至少 100% 的內部材料和能源資源需求的生命週期盈餘。
討論： - 這支援該程式的目標，即擴充套件文明的物質和能源資源。該程式將在內部消耗資源以執行，並且不會立即產生盈餘，因此此要求為該程式從文明返回的整個生命週期設定了一個淨輸出要求。
- 3.1 完成時間 - 在預計的技術進步表明需要重新設計之前，應完成向新地點的擴張。
討論：如果該程式開發新地點的速度太慢，那麼在你完成之前，就會表明需要重新設計以適應新技術，因此之前的設計工作將被浪費。這與可能表明特定時間表的經濟或其他原因是分開的。如果多個要求驅動一個引數，則使用最嚴格的要求。
- 3.2 執行壽命 - 地點應設計為無限期執行，並提供維護、修理和更換。
討論：文明的擴張是一個開放式過程，因此意圖是建立永久性的新地點。人類製造的任何東西最終都會磨損、損壞或可能被更好的東西取代。為了實現無限期執行，我們需要提供持續的維護、故障專案的修理以及最終的更換或升級。
- 4.1 總開發成本 - 新技術和硬體設計的總開發成本應小於地球上單位成本的 50 倍，以及太空硬體單位成本的 5 倍。
討論： 只有少數政府和企業有能力和動力進行大型太空專案。在早期階段，規模縮小意味著更多可能參與專案的實體，從而增加了專案實際完成的機會。大型實體並未被排除在這些專案之外，只是它們不應該是唯一能夠執行這些專案的人。這是限制總開發成本的原因之一。另一個原因是產生經濟回報率，使專案能夠自籌資金（或至少部分自籌資金）。基於對硬體使用地點數量的估計以及希望將開發成本與單位生產成本保持在合理的範圍內，我們分別為地球和太空設定了硬體單位成本的 50 倍和 5 倍的合理價值。
- 4.2 新地點成本 - 新地點的峰值淨專案成本應低於預期長期淨產出的 50%。
討論： 為了證明一個新專案比無所作為或繼續現有的專案更合理，它必須表明一些利益或改進。此要求以純粹的經濟術語設定了最低收益標準，即生命週期產出價值是峰值專案成本的兩倍。除了貨幣收益之外，還有其他型別的收益，這些收益將在其他要求中涵蓋，更詳細的成本目標將在設計後期階段制定。
- 4.3 地球發射成本 - 該專案應逐步降低總系統成本中的地球發射成本部分，目標為每公斤總系統質量 0.08 美元。
討論： 專案的潛在收益之一是大幅降低太空專案的成本。我們將此作為一項要求，以推動設計明確嘗試實現該目標。這僅涉及該專案的太空運輸部分，地球陸地位置的地球表面運輸已經過最佳化，任何降低其成本的專案要求將是獨立的，目標也小得多。假設在太空中使用本地資源，一個合理的長期目標是從地球上獲得 2% 的總質量。因此，發射質量的目標將為 4 美元/公斤。這兩個因素的乘積得出地球發射成本，因此元件要求成反比。這是一個長期目標，在專案初期不會實現。總系統質量包括消耗的質量，如推進劑，因此推進劑生產可能很容易實現從地球發射的質量百分比非常低。
改進的技術（2.3）、剩餘資源（2.5）和此要求的結合支援該專案的擴充套件市場的收益。
5. 技術風險
[edit | edit source]- 5.1 風險容忍 - 專案設計應包括對知識、效能、故障率和其他技術引數中的不確定性和未知因素的容忍。專案計劃中可以包含風險更高的全新設計，但應包括解決風險的流程，並維護風險較低的備用設計，直到問題解決。
討論： 請注意，技術風險源於設計中的未知因素，與事故風險不同。該專案的目的是利用新技術開發環境更惡劣的新地點。這種突破界限的本質意味著最初會遇到相當大程度的技術風險。但這並不意味著為了風險而冒險 - 應有足夠的潛在收益來證明更高風險的合理性。我們採用容忍方法來管理技術風險，這意味著我們估計不確定性並將它們納入我們的設計。我們沒有被動地承擔風險，而是增加了降低風險的要求，例如透過測試來降低風險，並在新技術未能達到預期效果時提供備用設計。管理風險的另一種方法是安全保守，但那不會帶來進步。
6. 安全
[edit | edit source]- 6.1 新地點風險 - 新地點應逐步降低內部的生命和財產風險，目標是比一般人群的風險顯著降低。
討論： 擴充套件到新的和惡劣的環境本質上會涉及一些風險。最初的風險高於平均水平是可以接受的。如果人們知道風險，許多人會自願接受這些風險。此要求設定了一個目標，即在某個地點完全開發後，對於該地點內部的人員和財產來說應該是相對安全的。
- 6.2 人口風險 - 該專案應顯著降低對一般人群的自然和人為風險，包括該專案產生的外部風險。
討論： 已經存在自然風險，例如太陽耀斑和小行星撞擊，以及人為風險，例如軌道碎片和發射事故。這些對社會總體來說都是危害。為了實現該專案的降低太空危害的目標，我們設定了降低這些危害的要求。該專案本身會對專案之外的人員和場所造成一些新的危害和風險。目標是降低總風險，包括新產生的風險。
7. 可持續性
[edit | edit source]- 7.1 生物圈安全 - 該專案應透過建立替代生物圈和長期儲存生物材料來提高生物圈安全。
討論： 地球上的所有生命和人類文明目前都依賴於單一的自然生物圈。這是自然或人為原因導致的潛在單點故障。擁有額外的功能性生物圈和儲存形式的備份可以提高安全性。效能下的棲息地要求可以透過完全機械的方式滿足，因此此要求增加了生物特徵。我們無法合理地複製整個地球，因此此要求的範圍將由可行性決定。
- 7.2 生存能力 - 該專案應設計用於應對地球的變化，這些變化將使地球無法居住，並導致關鍵資源枯竭，以確保生命和人類的長期生存。
討論：眾所周知，太陽會變得更熱，最終會變成一顆紅巨星。可能還會出現其他長期變化，例如地球軌道的變化。此要求將設計要素納入其中，這些要素將能夠對這些長期變化做出反應。由於它們是遙遠的未來，因此除了瞭解這些變化的性質之外，近期可能不需要採取太多行動。關鍵資源是文明正常執行所必需的，這些資源來源有限，在某個時間點會枯竭。設計的一部分是考慮這些資源是什麼，並尋找替代資源或額外資源。
8. 開放性
[edit | edit source]- 8.1 開放設計 - 在該專案中開發的技術和設計方法應向其他人開放使用。特定設計例項和生產的物品可能是專有的。
討論：首先開發地球位置（上述 1.2 和 2.1）、改進技術（2.3）和此要求的結合旨在實現技術衍生/地球應用的效益。由於它們首先在地球上使用，並且是開放的，因此應該在專案之外進行大量轉移。
- 8.2 訪問 - 開發新地點不應阻止對過境或未使用的資源的合理訪問。
討論： 8.1 和 8.2 都解決了增加機會的目標。開放通用技術和方法使專案之外的其他人能夠使用它們。特定設計和人工製品可能是專有的，因為有必要支付成本。進入壁壘會減少機會，因此允許後來的到達者穿越或訪問未使用的資源可以最大程度地減少這些壁壘。不合理索賠的一個例子是，從高軌道平臺延伸 1000 公里的禁區。出於安全和防止太陽遮蔽的原因，一些禁區是合理的，但不能那麼大。