簡介
這是關於為我們自己、我們的社群和世界創造更美好生活的兩卷本的第二卷。建造既指字面上的建設和生產，也指人們如何共同努力實現目標的社會意義。我們方法背後的核心思想可以概括如下
- 地球和太空擁有豐富的資源和能源。
- 擁有足夠的知識和工具，我們可以利用它們來創造更美好的生活。
- 透過規劃，這可以是可持續的，並避免不必要的副作用。
- 合作使其負擔得起，自我完善使其可擴充套件。
- 智慧工具可以完成大部分工作，使其更容易。
第一卷關於種子工廠和自我完善系統涵蓋了這些想法的基礎，包括它們的歷程、設計此類系統的要素以及設計過程。然後我們介紹了幾個在地球上使用這種方法的專案和系統的例子。每個示例都旨在透過自我完善在內部發展，並透過啟用其啟動套件的副本在外部發展。這些示例相互連結，因為較早的示例可以發展成後期的示例，可以為它們製作零件，或者可以為後期的示例製作完整的啟動套件。
本卷涵蓋了地球以外太空的截然不同的條件和位置。我們首先研究與太空相關的科學和工程基礎知識。既然你必須到達那裡才能做其他任何事情，其次是到達太空並移動的技術。第三是適用於太空專案的特定工程技術。第四部分繼續第一卷中從軌道和行星位置到太陽系以外位置的專案和系統系列。第五部分提供一些設計研究作為示例，供在學習討論主題時練習。最後，我們列出不在本書其他地方包含的參考文獻和來源。
我們涵蓋了過去和現在的太空專案和計劃，但也涵蓋了許多需要研究和開發的未來方法、技術和專案。並非所有這些都將被證明有用，但我們包括所有我們知道的。在啟動專案時，瞭解其他人已經做了什麼以及想到了什麼會有所幫助。這可以避免重複工作，並有助於確定選擇。線上格式也旨在解決傳統印刷教科書的一些侷限性
- 近年來它們的高成本。華夏公益教科書是免費的，並且是開源的。
- 難以包含或連結其他媒體型別，例如音訊、影片、模擬和軟體。
- 在快速發展的領域中更新印刷書籍的相對難度。
- 該領域的資訊量非常龐大。這些卷不受印刷技術的限制，我們正在建立一個補充參考庫。
- 學習不僅僅是閱讀。因此，我們包括一些專案，感興趣的讀者或團隊可以將其用作設計練習，甚至構建。
我們的星球位於太空中，正如這張從遠處拍攝的地球照片所示。太空不是一個不同的去處 - 我們已經在那裡。我們之所以將其視為別處，是因為我們大多數人一生的大部分時間都生活在銀河系中數十億顆星球中的一顆星球表面附近最適宜居住的區域。這就是我們進化的環境，也是條件對我們來說相當適宜居住的環境，因此我們認為它是正常的。
實際上，我們舒適的星球是例外。絕大多數環境對我們所知的生活來說都是不利的。我們可以使用技術在這些地方生活，就像衣服和火讓我們能夠生活在地球的寒冷地區，船讓我們能夠穿越海洋一樣。對於太空，我們首先學會建造可以在那裡工作的裝置。在那之後，我們開始建造人工環境，如太空艙、宇航服和空間站。這些讓人們能夠在太空中生活不同長度的時間。到目前為止，太空中同時最多的人數約為 17 人，而總人口為 80 億。因此，太空生活才剛剛開始。
在未來，我們可能會開始改變太空環境，使其更宜居。原則上，我們也可以改變自己，以更好地生活在太空中，但對於地球上存在的所有其他生命來說，這樣做將很困難。複製類地環境從一開始就更簡單。
截至 2021 年，全球太空經濟已達到 3860 億美元/年，約佔全球經濟活動的 0.4%。隨著我們更多地瞭解太空的使用並擴充套件到太空，預計它在未來會大幅增長。太空的能量和物質資源遠遠大於地球上的資源，使用它們可以最大限度地減少對地球環境的副作用。經濟和保護地球都使太空系統工程成為一個值得研究的領域。
過去太空專案的主要挑戰是能夠到達太空的火箭，以及設計相對較小的衛星（作為其重量的百分比），這些衛星具有有限的壽命，並且可以攜帶。這些主題在現有的教科書中得到了充分的介紹，例如薩頓的火箭推進要素和格里芬和弗蘭奇的航天器設計。
從較新的專案開始，例如國際空間站 (ISS)，新的設計特徵變得越來越重要。這些包括長期居住、進化和發展、可持續性和工業能力。未來的專案將需要新型的推進系統、生命維持系統、生產和組裝。單個專案也不再能夠孤立地考慮。例如，ISS 依賴於多種發射運載工具來運送機組人員、物資和硬體，並依賴於中繼衛星與地球通訊。本卷的一個原因是解決這些過去教科書沒有涵蓋的最新和未來的變化。
我們無法將有關太空系統和專案的全部知識都納入像這樣的一本介紹性書籍。因此，我們將包含指向更詳細來源的廣泛連結和參考文獻。種子工廠專案（本卷是其一部分）建立了一個參考庫，其中包含一些更有用的公開可用的文章和書籍，以補充這套書籍。我們無法在未經許可的情況下分發該館藏中的版權作品，但我們可以提供列表，以及感興趣的讀者在哪裡可以找到它們。
請注意，流行文化錯誤地將太空系統工程稱為“火箭科學”。它是工程的一部分，而不是科學，並且不只與火箭有關。我們希望認真的學生能夠理解其中的區別。
工程師除了書籍之外，還會使用其他工具來完成工作，例如模擬軟體和電子表格。華夏公益教科書不支援包含軟體檔案，因此，隨著時間的推移，將新增指向可以找到這些專案的連結。
我們製作了一份2023 年報告，它是我們想法和提議專案的簡要介紹。我們正在將其中的一些想法納入這套書籍。
本書的組織方式是從科學與工程基礎知識（第一部分）到技術要素（第二部分和第三部分），到連結到組合程式的完整專案（第四部分）。第五部分旨在展示示例設計研究，展示過程的細節。本書以不在書中正文中包含的一般參考文獻和來源，以及資料附錄結尾。
每個部分都分為編號章節，章節有章節和子章節用於內部引用。我們將嘗試強調基本原理和關鍵設計引數，因為這些引數比例如當前火箭的具體細節具有更持久的價值。
我們包含了許多目前沒有使用的方法和概念。原因首先是，在啟動新專案時，最好至少簡要考慮所有可能的替代方案，然後縮小到最相關的方案。其次，這是一本面向未來的書籍。雖然某個概念可能今天沒有用，但瞭解最新技術和需要關注的技術領域有助於判斷它何時變得有用。第三，將所有想法都擺在眼前可能會激發之前從未想到的新組合或應用。這對我（埃德）不止一次發生過，因此我可以證明它的有用性。
所有工程學都依賴於數學和科學的底層知識。因此，我們首先介紹一些讀者應該熟悉的、與空間系統相關的基本資訊、重要原理、公式和方法（第 1.1 章）。其中大部分是物理學，但也包括其他科學的一些關鍵思想，包括天文學、行星科學和化學。
太空中的物體總是相對於彼此運動，而且它們之間的距離遠大於地球上的距離。因此，接下來是軌道力學（1.2）以及可用於人工移動到選定目的地的力（1.3）和能源（1.4）。
在此之後，我們介紹了通用工程方法，包括 系統工程 學科（第 1.5 章）。系統工程的目標是在整個生命週期內最佳化複雜系統。大型太空專案足夠複雜，因此這種方法非常有用。複雜性也要求有方法來跟蹤細節，並使整個專案保持一致。請注意，較小和更簡單的專案，例如第一卷中的一些專案，不需要這種級別的設計和分析。
然後，我們介紹工程師在工作中使用的工具（1.6），然後介紹各種專業的工程學科，例如結構和電氣設計，這些學科與整體系統最佳化並行使用（1.7）。大多數大型專案使用不同領域的專家，因為任何一個人都掌握不了太多知識，而且需要大量的勞動力。
早期的概念工作可以由一兩個人完成。隨著大型專案的開展，越來越多的擁有合適技能的人員被帶進來，負責處理細節。反過來，這要求專案團隊內部高效的組織和協調（第 1.8 章）。經濟學探討了專案中除了人員和知識之外的其他資源，包括資金和財務分析。
第一部分的最後兩章總結了現有的計劃（1.9）和未來專案的主題領域（1.10）。建議的未來專案應與現有專案進行比較，以檢視它們是否提供了足夠的改進以證明其建立的合理性。未來活動的範圍也有助於確定目標、要求和發展路徑。
我們注意到，在太空做任何事情之前，你必須先到達那裡。因此，第二部分討論了到達太空並在太空中移動的方法。過去的火箭只能將總重量的 5% 或更少的貨物送入軌道，更遠的目標則更少。提高貨物比例和減少貨物重量成為太空專案的首要任務。但是這些努力使得成本非常高。雖然這仍然很重要，但我們在本書中採取了更加平衡的方法。改進的運輸和利用已在太空中的材料將使質量平衡向目的地傾斜。因此，本書對運輸和利用當地資源給予同等重視。
迄今為止，人們提出了許多（約 75 種）比實際使用過的（約 5 種）技術，其中一種，化學火箭，已被使用得最多。第 2.1 章到第 2.10 章按類別列出了許多已知和推測的技術。在列出可用的概念之後，最後一章（2.11）進行了一些比較，並討論瞭如何為給定專案選擇最佳候選人。
化學火箭使用如此之多的部分原因是“先發優勢”。它們是第一種進行嚴肅研發的太空推進方式。它們擁有最長的歷史、最最佳化的設計以及最熟悉的操作，因此它們繼續被使用。但這並不意味著它們是客觀上對所有時間和所有情況的最佳解決方案。近年來，其他方法（例如電推進）的使用變得越來越普遍。
如上所述，在啟動一個新專案時，在將候選人列表縮減到最佳候選人之前，值得對所有可能的技術選擇進行調查。這樣就不會忽視任何好的選擇。這也是第二部分和第三部分試圖全面介紹的原因之一。此外，沒有哪一種方法是針對所有位置和專案需求的最佳選擇。例如，現在通常使用化學火箭到達初始地球軌道，然後使用電推進進行軌道改變。
第三部分考慮了用於到達太空的生產和運營技術，以及如何到達太空後利用其資源。到達太空是地球製造的子集。這種規模的自改進系統在第一卷第 7.0 章工業生產中進行了介紹。在太空中的生產以及隨後產品的使用可以使用許多地球上使用的相同方法和技術，但需要適應當地條件。還有一些新的方法是太空環境和資源所特有的。與地球相比，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 章列出了影響太空專案多個部分的整體設計因素。在第二部分介紹了運輸之後，我們接著探索構成完整系統或專案的其他子系統（3.2）。大型計劃或專案通常包含多個具有不同目的和功能的系統元素。
第三部分的其餘部分介紹了適用於太空或太空特有的技術。這包括尋找資源（3.3）、提取資源（3.4）、將資源轉化為有用的材料和零件（3.5）、組裝和建造（3.6）、驗證和測試（3.7）、操作和維護（3.8），最後是回收和處置（3.9）。在我們使用這些術語時，“技術”包括所需的知識和工具，“方法”概括地描述瞭如何完成給定任務，而工程“設計”則在特定例項中實現該方法。
到目前為止，大多數太空專案的做法是在地球上完成所有設計和建造，然後發射預先建造和預先供應的完整物品，例如通訊衛星或星際探測器。這對於較小的專案來說已經足夠了。隨著大型專案的開展，這變得越來越困難和昂貴。
國際空間站就是一個例子，它太大而無法作為一件完整的物品發射，而且也無法為其整個執行壽命提供物資。相反，它是用較小的部分組裝起來的，這些部分分別適合單個火箭發射。物資和新裝置定期送達。這將每次發射的有效載荷減少到了一個可控的尺寸，但所有零件和物資仍然是從地球運來的。
隨著更大更遙遠的專案被考慮，運輸需求不斷增加，變得非常昂貴。這主要是由於地球的深重力阱，需要大量的能量才能爬出。在某個時刻，對於太空專案來說，從當地提取物資和能量，並最終進行生產，在經濟上變得更加可行。我們的書對這些任務給予了高度關注。在太空中完成這些任務是新的，但地球上有悠久的工程歷史，可以作為起點。
第三部分著眼於單個系統或專案。第四部分則考慮隨著時間推移而演變或涉及多個系統的複雜專案。一個關鍵的要點是，沒有哪個系統能夠孤立地發揮最佳作用。例如，沒有燃料供應的車輛只能行駛一次，只能使用其最初的燃料負荷。沒有原料可供使用，燃料提取廠就無法發揮作用。將這兩者結合起來，車輛可以將原料運輸到工廠，並從工廠獲取燃料用於以後的行程。然後，只要每次旅行都能生產出過量的燃料，組合後的系統就可以無限期地執行。為了設計一個完整的專案，你必須檢視所有組成系統及其之間的相互作用方式。
專案的各個部分不僅相互作用，而且還會隨著時間推移而發展。我們可以用地球上的公路專案來類比。最初的道路是從步行小路發展起來的，並逐步進行了升級。升級取決於將使用這些道路的車輛型別，以及現有的道路用於運送建造升級所需的機械和物資。各個道路專案也相互連線，形成一個公路網路，其各個部分必須協同工作。因此，合理設計的大型太空專案也將如此：一組車輛和設施用於幫助建造下一級改進，所有部分協同工作。
第四部分有一個關於一個複雜專案的詳細示例，該專案既與自身相互作用，又隨著時間推移而發展。這個例子有很多目的。一個目的是展示如何分析和定義這樣一個專案。在提供了不同的選擇時，我們解釋瞭如何在它們之間進行選擇。另一個目的是作為一項現實生活專案的提議，該專案從改善地球生活開始，然後擴充套件到太空。在這種情況下，你需要超越純粹的設計問題，考慮適用於此類專案的經濟學和其他外部因素。
最後，目的是透過“課堂專案”或“實驗室實驗”方法來學習。團隊合作等技能最好透過實踐來學習，在專案中使用新知識可以幫助將其固定在記憶中。將我們示例中未完成的部分帶到下一個設計階段，可以作為學習工具。如果有人打算將來從事該領域的工作，那麼參與現實設計工作的經驗也可能很有用。
我們提出的專案可能不是想象中的最佳專案，但它旨在作為進一步發展的起點。隨著個人和團隊利用這些捲來進行自我學習和自我提高，我們希望他們能提出建議並提供反饋，以便它隨著時間的推移而改進，既作為一個提議的專案，也是一個教學工具。
在本部分，我們包含或連結到第四部分描述的專案元素的設計研究的詳細資訊，以及我們進行的其他研究。這使得本書前面部分的敘述能夠在沒有大量細節的情況下流暢地進行，並且也作為工程師經常被要求進行的各種研究和報告型別的示例。顯示逐步假設和計算的完整細節通常作為專案工作歷史的一部分保留，並且結果以報告和其他文件型別的方式分發，供其他人使用。
第一項研究是關於人類向地球以外擴張的概念級設計。它首先確定目標和益處，然後制定多個方案之間的選擇標準。隨後，制定了滿足預期目標的專案級需求，以及滿足這些需求的設計方法。研究的下一部分是識別整體專案中的功能和階段。由於現已存在各種太空專案和私人專案，最後一步是確定需要對它們進行哪些更改或補充。這項研究的結果已納入第 4 部分中描述的專案中。
第一項研究範圍很廣，涵蓋了複雜的未來專案。第二項研究則更加專門，旨在識別地球和太空中的惡劣和極端環境。瞭解環境條件將指導設計必須在這些環境中執行的裝置和專案。第三項研究是關於“開源太空計劃”的需求、論證和設計，類似於開源軟體。過去政府和商業太空專案出於國家安全或商業原因一直是“閉源”的。開源軟體開發取得了相當大的成功，因此至少值得考慮在其他領域使用此類方法。
本書包含兩種主要方式的參考資料和額外資料的連結。特定於某一方法或想法的參考資料或來源在本書正文中連結。行內連結以粗體和首字母大寫顯示。涵蓋多個主題的額外參考資料包含在本節的最後，以及不適合正文的附加資料。T
例如，第一個附錄列出了沒有科學或工程基礎的虛構運輸方式。它們是為了完整性而存在的，但由於沒有實際使用它們的可能性，因此我們將它們放在單獨的部分而不是本書正文中。其他附錄將包含特別有用的參考資料。大多數參考資料將連結到外部參考資料。