第 4 部分：專案和計劃
在本系列書籍的前幾部分，我們討論了執行特定功能的單個系統。在第 4 部分，我們將考慮更復雜的專案和計劃，這些專案和計劃涉及多個系統。多個系統可以同時存在並相互作用。它們也可以作為一組在較長時間內增長和演變，新系統取代舊系統。當多個系統針對一個或多個共同目標時，我們稱之為計劃，例如美國民用太空計劃。
一個最佳化的計劃通常會產生一個包含多個系統的設計。以下將介紹其中的原因。為了設計和管理目的，一個大型複雜的計劃可以組織成一個多級結構，從整個計劃到單獨設計的系統。然後我們需要方法來描述計劃的部分。一些常見的描述包括
- 專案 - 在一個管理之下同時存在的一組系統，並且具有一個共同的目標。
- 部分 - 計劃中的一組系統，具有不同的管理和共同目標。
- 階段 - 計劃的一部分，存在於一個較長時間內，並且有顯著的增長、演變和用新系統替換舊系統。
然後將專案、部分、階段和其他部分組裝起來形成更大的計劃。名稱和結構在某種程度上是任意的，並且根據特定計劃的需要進行選擇。重要的是，選定的結構涵蓋計劃所需的所有工作，並且所有參與工作的人員對結構及其部分如何組合在一起有一個共同的理解。儘管大型計劃可能很複雜或很長，但系統工程的原則仍然可以應用於最佳化整體設計。當計劃的生命週期相對於技術、社會和環境的變化很長時，系統工程任務可能會重複執行，或持續執行以獲得最大的收益。
一般來說，專案越複雜，或在位置、體積、流量或時間上越擴充套件，就越有可能導致多個系統。不同的環境和可用資源將推動不同的本地解決方案。技術的進步和經濟的變化也會隨著時間的推移而指導設計的變化。在任何大型或長壽的計劃中，都應該至少考慮多系統方法，看看它是否能帶來更好的結果。一些具體原因包括
- 非線性 - 給定的運輸或工程方法在其方程中通常有一個非線性項 - 至少是二次的，如果不是指數的。例如，阻力與速度的平方成正比，而火箭方程將質量比和推進劑作為速度的指數函式而增加。將總工作分解成元件通常更有效，因為較小的非線性項之和小於一個應用了指數的單個較大項。
- 複雜的需求 - 人們的需求很複雜，我們希望完成的專案通常有多個目標。這推動了使用多種材料、裝置、能源等的設計解決方案。因此，沒有一個單一系統或技術解決方案可能最能滿足所有期望的結果。
- 經濟學 - 一個單一的大型“孤注一擲”式整體系統，需要大量的預先投資，通常會導致浪費。除了上面提到的非線性影響之外，我們無法預測未來的技術發展，大型專案通常需要很長的開發時間。如果你分步驟構建，你有機會在出現新的改進時改變方向，或者只對需要改動的部分進行改造。最後，有了增量專案，你可以更早地開始使用它。這可以產生更高的經濟回報率。
在單一系統還是多個系統之間進行選擇，不應該在事前隨意進行。如果可能，這個決定應該透過對備選方案進行分析並選擇最佳方案來做出。有時，出於非工程原因，可能無法做出正確的選擇。例如，美國的民用太空計劃由 NASA 全面運營，並由國會撥款資助。一個從單一來源獲得資金的單一機構可能會讓劃分或建立單獨系統變得更加困難，即使從工程的角度來看這是合理的。組織結構、預算審查流程和國家政治傾向於支援單一和保守的解決方案。反之，美國政府資助的太空活動在 NASA、國防部、商務部和能源部之間的歷史性劃分，可能會讓合併專案和計劃變得更加困難，即使它們在經濟上更合算。
第 4 部分的主要目的是展示如何將本書前面部分介紹的各種工程流程和技術付諸實踐。因此，我們提供了一個長期複雜計劃的擴充套件示例，該計劃涉及多個陸地和太空系統。與印刷書籍不同，本書中的示例不必保持靜止，而是在時間推移中發展。完成的部分將透過示例展示如何進行計算和決策。個人或團隊也有機會進一步發展這些想法，並練習他們的設計技能。他們的工作可以記錄在第 5 部分的設計研究中，或作為要連結的單獨文件。最好的想法可以重新納入本書的主要討論。希望這種方法是一種有效的教學方法，讓讀者獲得真實的的設計經驗，併為未來專案取得真正的進展。
狀態 - 到 2017 年 9 月，本書整體上完成了一份大約 65% 的初稿。第 4 部分仍然不完整，但截至 2017 年底正在進行重大修訂。
我們選擇的示例的總體目標是將地球文明升級並擴充套件到更困難的環境，然後擴充套件到太陽系的更遙遠和更困難的區域，最終超越太陽系。我們將把為這個多區域努力選擇一個朗朗上口的名稱留給其他人，只將其稱為“我們的計劃”。計劃的組成部分並不打算在一個單一的集中控制之下。這既是為了說明分散式計劃元素之間的互動，也是因為在現實世界中以單個實體執行如此大型的計劃是不切實際的。因此，計劃的每個部分都需要自己的理由來進行，無論它們是經濟上的還是有其他動機。計劃的描述和支援概念有助於提供這些理由，以及一個結構來告知和協調獨立的努力。各個部分將相互作用，以及與外部世界相互作用。相互作用的部分以及整個計劃都不是靜止的，而是在不斷發展。
我們選擇這個示例有幾個原因
- 作為一個長期的、範圍廣泛的計劃，它讓我們能夠展示許多型別系統和子系統的設計考量和方法。
- 在後續的設計研究和單獨的文件中，我們可以透過示例進行教學，詳細展示如何進行計算和決策以得出設計。
- 這是打算作為一種現實的計劃概念，包含了當前最好的技術和想法。如果足夠好，提議的元素可能實際上會被採用並建造。
- 一個使用新概念和新技術的開放式計劃允許讀者進行有用的原創工作。與此同時，他們可以獲得個人設計技能和經驗，並練習在不同的團隊中工作。
計劃概念部分基於Dani Eder 的工作，他是規範列表 的最初作者，本書就是由此衍生而來。它還包括許多政府或商業計劃尚未追求的新想法。在目前的狀態下，它並不完整，也不聲稱是最好的計劃概念。相反，它打算作為使用最近太空開發想法的起點，許多其他人的貢獻可以由此發展出一個最佳設計。我們打算在進一步發展提出的計劃中使用第 1 部分中描述的工程方法。
一個大型而複雜的專案自然無法在一頁，甚至一本書中完全描述。第 4 部分中的章節和頁面按照專案階段的順序，大致按時間順序介紹了該專案的概念探索階段。第 5 部分的設計研究以及其他地方的相關資訊將提供有關設計選擇和計算的更多詳細資訊。當前的章節和頁面包括
- 第 4.1 節：專案概述 - 總結了迄今為止開發的專案概念。
- 第 4.2 節：第 0 階段 - 研究與開發 - 確定了後期專案階段所需的新技術或改進技術和方法，以及如何開發這些技術和方法。此類專案必須在使用前開發，因此第 0 階段在邏輯上先於其他階段。當識別出所需專案時，會將它們反饋給第 0 階段，以進行規劃並與其他工作整合。
- 第 4.3 節：地球的第 1 到第 3 階段 - 總結了透過種子工廠在地球上改善和擴充套件文明的方式。這些系統從啟動集開始，並使用智慧工具、當地能源和材料以及工藝和設計知識發展到所需的任何規模。此類系統將在專案的太空部分使用，但它們在地球上的應用超出了本書的主題。這些應用和種子工廠的概念在另一本書中進行了討論。
- 第 4.4 節：第 2B 階段 - 太空工業地點 - 描述了地球上進入和支援太空工作的工業子集，例如火箭工廠和發射臺。其他行業已經存在，因此地球上的太空相關行業不必從啟動集開始。這種方法在太空更有用，因為目前太空中的工業非常少。
- 第 4.5 節：第 4A 階段 - 低軌道開發 - 第 4 階段通常涵蓋遠離地球表面的軌道區域。第 4A 階段涵蓋了現有軌道和現有專案的延伸，包括 160 到 2700 公里高度之間的區域的進一步開發。
- 第 4.6 節：第 4B 階段 - 高軌道開發 - 涵蓋了地球表面 2700 到 150 萬公里之間的軌道區域的進一步開發，不包括月球及其周圍的軌道。
- 本書的目錄列出了第 4 部分中的其他幾個頁面：超高速發射器、低重力運輸、電推進、軌道採礦（2 頁）、加工廠、航天港網路和星際轉移。這些內容來自本書的早期草稿，並將合併到相應的新的章節中。其他一些章節將為額外的階段新增，所有章節都將重新編號。
- 第 4.12 節：第 5A 階段 - 月球開發 - 第 5 階段通常涵蓋行星系統及其周圍的附近軌道。月球的尺寸和位置非常重要，因此我們將它放在其他主要行星系統的同一個階段。月球和更遠的區域仍處於科學和探索階段，尚未得到進一步開發。
- 第 4.14 節：第 5B 階段 - 火星開發 - 本節介紹了火星及其周圍軌道區域的開發，超出了當前的科學和探索活動。
- 後期專案頁面目前是一個佔位符，用於以後新增的其他頁面。
- 第 5.1 節：專案概念設計 - 這是一項設計研究，展示瞭如何開發升級專案的概念設計。它比典型的技術研究最終報告更全面。最終報告記錄了研究結果。在這裡，我們還展示了得出結果的邏輯和計算，以便其他人可以從中學習並改進。