第 4.4 節：第二階段 B - 太空工業地點

第一階段到第三階段的大部分發展目標是升級地球上的文明，並將文明擴充套件到我們星球上更困難的環境。但地球是有限的，太空中的區域擁有大量的可用物理空間、原材料和能源資源來繼續這項工作。因此，第四階段到第六階段的目標是開發這些區域，並繼續升級和擴充套件整個太陽系乃至更遠地區的文明。在這個過程中，我們還想實現第 4.1 節中提到的專案目標。其中一些目標有利於地球，但使用太空活動來實現。反過來，文明起源於地球，因此太空的未來發展必須從這裡開始，並將涉及地球在後期階段的持續支援和互動。

本書的這一部分隨後討論了地球和太空的交匯點——地球上第二階段 B 的那部分，它支援並與太空中的第四階段到第六階段進行互動，進而幫助實現主要專案目標。但是，我們不是從一張白紙開始的。太空產業已經遍佈全球，規模龐大且正在進行，而且大部分活動發生在地球上。因此，我們的概念必須考慮這些現有的專案和活動。我們還希望解決以下問題：

為了實現我們的未來目標，需要哪些新的專案和地點？
現有的太空專案和地點的哪些部分應該保持現狀，與我們新增的新專案並行？
一些新的專案和地點是否屬於其他階段？
本階段需要哪些行業類別和產品？
新的專案和地點將如何與我們的整個專案、現有的太空專案以及其他文明互動？
新的專案和地點及其產品應該按什麼順序建造？

概念探索

我們在這裡的工作是早期的概念探索，是專案中許多步驟中的第一步。它絕不是最終完成的，而是一個進一步工作的起點。在本書的後續部分，我們關注開發太空中的不同區域。這些對大多數人來說是陌生的，因此我們從總體描述這些區域、它們的環境引數以及能量和物質資源開始。我們預計地球上大部分新的發展將發生在溫和的環境中。這些環境足夠熟悉，因此我們不需要在本節中提供一般描述。相反，我們將根據需要指出重要的特徵，並在需要其他環境中的位置時進行說明。

我們的探索從對地球上所有行業的調查開始，注意到哪些行業目前有與太空相關的活動，以及哪些行業未來可能新增。由於未來的大部分活動將基於太空中的後期需求，因此我們必須考慮後期的專案階段，以確定地球上將需要什麼。然後，我們考察專案驅動因素，包括動機、經濟和技術，以確定哪些行業可以向前發展以及何時發展。根據他人的過去工作以及我們自己的工作，我們確定了滿足已識別需求的具體專案。我們將所有資訊整合到該階段的概念中。這包括總體方法、按時間和功能排列的專案列表、它們之間的關係以及與其他專案階段的關係。在達成階段概念的過程中，我們考慮了不同的替代方案，制定了專案細節，並進行了估計和計算。它們被包含在該部分的後續部分中。由於我們的工作尚未完善，討論中將會有空白。我們的分析產生的輸出將是識別每個專案所需的研發工作。這將反饋到第 0D 階段的規劃中——工業地點的研發。

現有太空產業

根據衛星產業協會，截至 2016 年，全球太空產業規模為 3390 億美元/年。這些現有專案之前曾在第 1.9 節中描述過。現有的太空活動的大部分實際上是在地球上進行的，在軌道上的裝置和人員相對較少。例如，僅僅是美國宇航局的履帶式運輸車之一，在肯尼迪航天中心運載火箭，其質量為 2700 噸。這相當於整個國際空間站 (ISS) 質量的 6.4 倍。美國宇航局的總地面裝置和設施規模要大得多，他們的約 100,000 名政府和承包商員工遠遠超過了國際空間站上 6 名宇航員。這種地面活動與太空活動比率很高，將持續下去，直到我們改變向軌道運送貨物的方式，並開始利用太空中的資源。即使到那時，也會有大量的人員和裝置繼續來自地球，與太空相關的產業將繼續在地球上運營。我們的星球將繼續成為支援太空後期專案階段的重要組成部分。

新專案分階段

我們將研究對現有行業的改變，以及在地球上需要開展的新專案，以支援我們太空計劃的後期階段。迄今為止，太空裝置的生產和發射一直使用工業規模的設施。因此，我們將新專案納入2B階段工業地點。它們將構成2B階段所有工業活動的一個子集，其中大部分將是地球上使用的產品。太空產業子集與2B階段的其他產業以及專案之外的文明其餘部分有著密切的互動。例如，火箭發射場通常從外部行業獲得混凝土、鋼鐵和電力，而不是在當地生產。這類地點大多位於中等環境中，但也有一些可能最終位於困難或極端環境中。當這些地點被確定後，將根據需要將其分配到3階段。其中一些活動規模可能小到足以歸入2A階段分散地點，而一些長期專案則具有軌道部分。這些將在適當時提及，並在以後分配到各自的階段。

行業調查

2B階段作為一個整體涵蓋了地球上中等環境中所有型別的工業規模專案。在本節中，我們關注的是支援太空計劃後期部分所需的子集。在現有和預期發展已經足夠的情況下，我們注意到這一點，但不會贅述。在某個時間點需要額外或獨特的專案時，我們會盡量說明它們是什麼。我們的行業類別列表來自最新版本的北美產業分類系統 (NAICS)，我們採用它們的編號系統。這樣可以更方便地與地球上關於工業的其他資料進行比較。

11 - 農業：太空中的工作人員和在地球上從事與太空相關的專案的工作人員都需要食物才能生存。農業在地球上已經很發達，因此對地面專案的供應應該足夠。對於在太空工作和生活的人員，他們需要包裝好的和可儲存的食物，因為他們無法在當地種植。一旦在太空建立起當地生產，很可能有些食物在當地生產不實用。太空環境中可能還需要經過改造的生物體、農業裝置、肥料和微量元素，這些元素無法在太空當地生產或找到。如果這些元素無法從太空中的某個區域提供，則需要從地球上獲取。

21 - 採礦：原材料的開採和加工在地球上也已發展成熟。為地球上的太空專案供應此類材料預計將足夠。例如，建造新的火箭發射場需要碎石和鋼鐵。在地球上製造並在太空交付和使用的硬體有時需要特殊材料。一旦在太空建立了採礦和生產，很可能還有一些稀有材料和元件更適合從地球上供應。如果這些材料超過了地球現有行業的產能或需要定製設計，可能需要新的專案來支援它們。

22 - 公用事業：地球上中等位置要麼已經擁有足夠的公用事業，要麼為支援新的工業地點新增公用事業非常簡單。

23 - 建設

31-33 - 製造業

42 - 批發貿易

44-45 - 零售貿易

48-49 - 運輸和倉儲

51 - 資訊

52 - 金融和保險

53 - 房地產、租賃和租賃

54 - 專業、科學和技術

55-56 - 管理和組織支援

61 - 教育

62 - 健康和社會服務

71 - 藝術、娛樂和休閒

72 - 住宿和餐飲

81 - 其他服務

92 - 公共行政

專案驅動因素

動機

經濟學

技術

安置

開發專案

我們首先描述我們對2B階段太空專案的總體方法，然後按時間框架和主要功能組織我們已經確定的專案。由於到達太空是進行後期階段的必要條件，因此大部分專案將歸入運輸功能。

總體方法

地球上已經存在著廣泛的太空工業和專案，並且很可能在可預見的未來繼續存在。在這些現有專案有用的情況下，我們會保持現狀。隨著需要進行更改和開展新專案，這些專案將在一段時間內逐步引入。現有生產和運營地點將盡可能地重複使用，以降低成本。我們將本階段的專案按時間分為四組。時間較長的專案通常依賴於早期的專案才能開始，需要更多的研發才能為它們做好準備，或者等待市場發展到需要它們的地步。後期的專案還將得益於我們專案其他部分以及文明其餘部分的更好的技術和能力。按時間劃分的四組是

當前 - 那些已經運營，或已經開始詳細設計或處於開發後期階段。
近期 - 那些計劃在10年內完成詳細設計，並且有可觀的資金來源的專案。
中期 - 那些可以在10-30年內合理地開始詳細設計的專案，可能會有也可能沒有資金來源。
長期 - 那些可能需要超過30年才能完成詳細設計的專案。

與太空不同，地球上也存在著大規模的非太空產業，太空產業從頭開始發展。對於新專案來說，這意味著從啟動集開始並利用當地資源的激勵措施在地球上比在太空後期階段要少。種子工廠方法將在早期階段開發，並與 2B階段的非太空產業並行使用。因此，我們將其作為現代工程工具之一，在有用時將其應用於太空工業。太空產業的其餘工業規模專案將以傳統方式建造和運營，根據需要從其他行業進口裝置和材料，無論是專案內部還是外部。

太空工業生產

太空運輸至少需要提供貨物集裝箱，但通常還需要更復雜的飛行器。製造這些飛行器屬於生產功能。運輸還需要某種地面設施。地面設施至少支援飛行器運營，但在某些情況下會承擔大部分將有效載荷加速到軌道的任務。建造地面設施也歸屬於生產功能。運營飛行器和地面設施屬於運輸功能。無論哪種型別的貨物要送入太空，都必須生產，或者至少要獲取。如果是在內部生產，它們也歸屬於此功能。

太空工業居住

這個功能通常包括旨在供人們居住的大型建築。例如，大型辦公樓、酒店、住宅塔樓、零售中心和娛樂場所。人們在工作以外的地方居住的太空在地球上通常已經發展成熟。因此，我們的專案不需要提供它，除了注意到需要進行哪些重大補充。為專案內部工作的人員提供辦公室、實驗室和其他空間屬於此功能。在人們居住在偏遠地點的情況下，例如浮動海洋發射場，他們的居住空間將由專案提供，因此也包含在內。

太空工業運輸

第四至六階段包括未來的軌道、行星系統和星際開發。要實現這些目標，我們首先必須將人員和裝置送入太空。高度為 160 公里的最低穩定軌道需要 30.48 MJ/kg 的動能和 1.53 MJ/kg 的勢能才能到達。這些是理想值，而當前的火箭消耗約 285 MJ/kg。這是因為化學火箭推進劑所含能量不足以滿足到達地球軌道的需求。因此，現有火箭需要非常高的推進劑與有效載荷質量比，導致總效率約為 11%。有用的低軌道有效載荷平均質量為 1,500 公斤，因此每次發射需要 427.5 吉焦耳。合理的最低發射頻率為每年 6 次，因此總能耗超過美國人均年平均用電量的 50 倍。除了能源需求外，運輸系統還需要硬體和運營支援，這使得此類專案成為工業規模的活動，因此屬於第二階段 B 部分。

在 2015 年之前，運載工具硬體大多使用一次就丟棄。為了在攜帶如此多推進劑的同時實現有用的有效載荷質量，硬體必須具有高效能和輕量級。它也是以相當少的數量生產的。這使得硬體價格昂貴，並且將其丟棄導致到達太空的成本非常高。2015 年之後的一些專案正在開發可重複使用火箭。這將部分解決成本問題，但化學火箭的底層低效率問題仍然存在。我們對中長期的方法是，用效率更高的方法來替代部分或全部到達地球軌道的運輸。或者，除了這種方法之外，他們還可以使用更大數量生產的裝置，或者對效能要求不那麼苛刻的裝置，從而降低成本。

一般而言，運輸功能包括大規模輸送能量、離散和散裝貨物、液體和氣體、人員和資料。目前，到達軌道的運輸使用相同的運載工具來運輸便宜的散裝物品，例如推進劑，以及人員和高價值裝置。安全性、可靠性和其他功能受後一種有效載荷型別的需求驅動。這些功能也適用於散裝有效載荷，即使它們不需要這些功能。在地球上，我們根據運輸內容使用不同型別的運輸方式。因此，我們方法的另一個部分是在有意義的情況下，使用適合各自有效載荷的不同運輸方式。

工業運輸替代方案

第四至六階段涵蓋了很長一段時間，並且對從地球進行的運輸有廣泛的潛在需求。因此，第二階段 B 的太空運輸部分也必須涵蓋相同的時間範圍和需求。因此，我們的分析將著眼於廣泛的潛在替代方案。基線選項是繼續使用現有的發射系統，以及那些已經開發或正在計劃的系統。一個替代方案是保留基線系統，但新增更多發射臺和運載工具來提高能力。另一個是探索在我們計劃中開發的新型運輸系統。對於當前系統，我們包括已經投入運營的系統，以及已經進入詳細設計和生產階段的系統。對於計劃中的系統，我們包括那些預計在短期內（10 年內）開始詳細設計，並且擁有大量可用資金來源的系統。

對於新系統，一種替代方案是另一種傳統的發射系統，與已經投入運營的型別類似，但尺寸適合我們第四至六階段的需求。這種發射系統可能擁有或可能不擁有外部資金，但我們假設使用為我們的計劃開發的先進生產技術來降低成本。更先進的替代方案可以分為兩類：增強或補充化學火箭的方案，但仍使用火箭作為到達軌道的首要方法；以及大幅度或完全替代化學火箭的方案。後者可能部分取決於第四階段 A 中的軌道系統。

探索替代方案的原因包括：到達軌道的質量能力不足，或者成本過高，導致後續階段的專案難以實施。其他原因包括出於商業原因提高系統效率和降低成本。新系統的開發成本和複雜性必須與它們產生的效能和有效載荷收益進行權衡。在使用新的或更先進的方法時，它們通常會增加大量的研發時間和成本。還存在這些方法無法按預期工作，或工作效果不如預期的技術風險。然後，必須權衡額外的時間、成本和風險，以及當前和近期系統的侷限性，以確定一組首選的概念。我們對這些替代方案的探索從確定它們是什麼開始。在下面的概念詳細資訊部分，我們按時間和流量彙總後續階段的需求。最後，對於每種替代方案，我們嘗試估計效能、成本和風險。

識別替代方案

傳統替代方案

當前和近期發射系統包括各種各樣的多級火箭，以及少數空射系統，其中一架運輸機將火箭帶到大部分大氣層之上後再點火。這些系統的資訊通常可以在它們投入運營或開發後期階段的使用者手冊中找到。對於處於早期階段的系統，資訊可以在公共來源中找到，或者透過直接聯絡專案來獲取。對於我們當前的目的，一般資訊就足夠了。對於新的傳統系統，我們可以設計另一個類似於現有系統的純火箭或亞音速空射系統，但尺寸適合預期的流量。

增強型火箭替代方案

增強型火箭使用超越目前用於發射到軌道的技術。它們仍然使用化學火箭來提供超過 80% 的所需速度。由於有效載荷與火箭速度呈非線性關係，火箭部分減少 20% 會導致有效載荷增加 50-80%。該類別中的示例包括彈射火箭、高馬赫數運輸機、繫留氣球、垂直噴氣助推器和低重力氣體加速器。可以使用多種方法來達到 20% 的水平。

火箭替代方案

本書的第二部分提供了廣泛的太空運輸方式列表。我們考慮可以替代 20-100% 的從地球表面到低軌道的傳統火箭級速度的子集。為了做到這一點，它們必須克服地球引力，同時有助於達到軌道高度和速度。它們還必須在大氣中安全執行，並且在後續階段的時間範圍內是可行的，無論是在技術成熟度還是成本方面。可以使用多種運輸方式來替代更高比例的總速度，包括增強組中的一些方式。示例包括高馬赫數組合迴圈空天發動機、超高速氣體或電磁加速器，以及配備電梯系統的軌道太空站。最後一個將位於低軌道，屬於第四階段 A，但可以提供部分所需速度。

流量和時間表

哪些系統適合後續階段將取決於這些階段的流量模型。這些是指按年計算的有效載荷尺寸、質量和數量的發射需求。我們的模型將來自後續階段的太空計劃需求，並且在後續年份中必然會變得更加不確定。長期部分將主要確定應該投資哪些早期的運輸研發，以便在需要時做好準備。在開發流量模型時，較大的有效載荷將需要專門的發射前往其目標目的地。較小的有效載荷可以作為次要貨物，在“有空時”飛行，即當主要有效載荷留下一些未使用的容量時。可以根據有效載荷和每年發射次數，將滿足模型需求的運輸能力分類。

效能、成本和風險估算

任何大型系統的全面設計都需要考慮許多因素。在概念探索階段，最重要的因素是效能、成本和風險。對於軌道運輸，效能包括物理尺寸、質量、目標軌道和發射時間表。時間表包括設施和車輛的研發、設計和生產所需的必要時間。成本包括研發、設計和生產成本，以及持續運營成本。技術風險是指系統是否能夠正常工作、效能低於預期或發生故障的不確定性。成本風險包括資金的可用性、開發和運營成本的不確定性以及市場對該系統的需求。特定備選方案越先進、時間越久遠，我們的估計越不準確。其中包括我們專案之外的技術進步。即使是不確定的估計也有助於確定具有高潛在收益的研發投資。一些高風險/高回報的投資可能不會成功。如果其中有足夠的投資能夠成功，足以證明整體研發工作的合理性，那麼這是可以接受的。

太空工業服務

[待定]

專案整合

[待定]

運輸詳情

傳統替代方案

現有的和近期系統

現有的傳統火箭

以下是一些重要的傳統火箭，這些火箭在2017年之前已經多次發射，我們認為是現有的。有效載荷質量為低地球軌道，除非另有說明。不同的火箭配置會產生不同的有效載荷質量。

* 天馬座 (美國，軌道 ATK) - 6,500 公斤

* 阿麗亞娜 5 (歐空局，阿麗亞娜航天/空中客車) - 16-20,000 公斤

* 阿特拉斯 V (美國，聯合發射聯盟) - 9-20,500 公斤

* 德爾塔 IV (美國，聯合發射聯盟) - 13-28,899 公斤

近期傳統火箭

這包括預計到2027年能夠完成詳細設計的火箭。

* 星艦 (美國，SpaceX) - 150,000 公斤

現有的空射火箭

近期空射火箭

[待合併]

截至2012年，以下發射器專門用於運載人類，這需要加壓環境和其他設計特徵。其他現有的和正在開發的發射器可以運載貨物，其中一些可以改裝為運載人類。

聯盟號

神舟號

載人運輸系統

這是一個由美國宇航局資助的專案，與多個私營部門簽訂了合同，開發元件，並最終形成一個功能完整的運輸系統。截至2012年4月，美國宇航局正在審查下一階段開發的提案。

太空發射系統

平流層發射

天刃

由反應發動機有限公司（REL）的一個專案，由艾倫·邦德指導。天刃太空飛機被設計為單級入軌飛行器，可以像普通飛機一樣起飛和降落。發動機採用混合方法，既可以作為普通空氣呼吸發動機（噴氣式），也可以作為火箭（在高層大氣中）。這種設定旨在減少將貨物送入太空所需的氧化劑推進劑量，從而降低成本。

英國航天局（UKSA）委託歐洲航天局（ESA）進行的一項設計評估於2011年5月結束，結論是“ESA尚未發現任何可能阻礙發動機成功開發的關鍵問題”。

截至2012年4月，該專案的資金主要來自私人投資者，佔85%，目前仍在尋求資金以完成該專案。反應發動機有限公司的天刃使用者手冊 (修訂版 1，2009年9月)詳細介紹了該飛行器及其發動機。

新型傳統火箭

傳統火箭設計在過去已經進行了很多次，並且已經很好地理解。我們建議您參考一些關於該主題的文字和參考資料，例如火箭推進要素 (第9版，薩頓和比布拉茲，2017年)，以獲取更多詳細資訊。我們以一個小型多級火箭為例，概述設計過程。該過程從一些初始假設開始，我們可以據此估計車輛的大小。然後，我們逐步新增更多細節並進行更準確的估計。這將用一系列更好的估計替換我們的初始估計，並可能迫使我們修改假設。完整的初步設計考慮了所有主要部件，並且已經達到了您開始詳細設計和最終圖紙的階段。我們不會進行到那一步，但希望展示足夠的設計過程，以說明如何開始設計。

設計假設

有效載荷：20 公斤到 250 公里圓形軌道 - 這對於一個實用系統來說非常小，但相同的公式在任何尺寸下都適用。我們需要指定一個軌道來計算任務速度。
G 限值：10 重力或 100 米/秒² - 這限制了有效載荷的加速度和結構載荷。較大的有效載荷通常限於 6 g，但像這樣的小型有效載荷可以承受更高的加速度，而不會產生太大損失。
排氣速度：真空條件下為 3300 米/秒 - 這是使用甲烷/氧氣推進劑混合物的中等效能發動機的典型值。
出於成本原因，所有階段都被重複使用。假設第一到第三級的硬體質量分數分別為 14%、15% 和 18%。由於尺寸較小和熱遮蔽增加，上級階段的質量分數會更高。
發射場：赤道，海拔 4600 米 - 位於厄瓜多的卡亞姆貝，充分利用地球自轉和更高的初始高度來減少阻力和任務速度。

初步估計

傳統火箭的大小由火箭方程決定，該方程決定了推進劑質量比。可以根據經驗初步估計所需的速度。第二次估計將使用軌跡模擬，以小時間步計算燃料消耗、推力、阻力和加速度。

忽略損失，到達 250 公里軌道的理想速度可以從該軌道的總能量中得出，該能量是動能和勢能之和。速度為 7756 米/秒，能量為 30.08 兆焦耳/公斤，勢能為 2.375 兆焦耳/公斤。總和意味著速度為 8,056 米/秒。各種實際損失可以根據經驗估計為 900 米/秒，這使得總理想速度為 8956 米/秒。赤道上的地球自轉速度為 465 米/秒，因此火箭需要產生 8,491 米/秒的淨速度。如果我們將它平均分成 3 個階段，每個階段的淨速度為 2830 米/秒。質量估計從上到下按如下方式計算

有效載荷 = 20 公斤
第三級末端質量/初始質量 = 42.4% - 來自火箭方程
第三級硬體分數 = 18% - 包括有效載荷在內的整個階段的百分比
第三級初始質量 = 20 公斤/有效載荷分數 = 20 公斤/(末端質量 - 硬體) = 81.9 公斤
第二級 m(f)/m(i) = 42.4%
第二級硬體 = 15% x (100-42.4%) = 8.64% - 僅佔第二級燃料的百分比
第二級初始質量 = 81.9 公斤/(42.4% - 8.64%) = 242.5 公斤
第一級 m(f)/m(i) = 42.4%
第一級硬體 = 14% x (100-42.4%) = 8.06% - 僅佔第一級燃料的百分比
第一級初始質量 = 242.5 公斤/(42.4% - 8.06%) = 706 公斤

第二次大小估計

為了進行第二次估計，我們需要一些關於火箭推力和阻力的詳細資訊，因此我們需要了解它的尺寸和形狀。我們假設氧氣/甲烷燃料的混合比為 3.6:1（按質量計）。CH₄ + 2O₂ = CO2 + 2H₂O 的化學反應的理論質量比為 4 氧氣：1 甲烷。透過使用略少的氧氣，一些甲烷會未燃燒，在排氣中留下 CO 或 H₂。這會降低平均分子量並提高排氣速度。它還可以確保燃燒不是富氧的，否則會與周圍的材料發生反應。

油箱尺寸

從上面的初步質量，我們可以根據各自燃料的密度確定油箱尺寸：氧氣 = 1140 公斤/立方米，甲烷 = 423 公斤/立方米。

從上面可以看出，所有級最終質量為初始質量的 42.4%，因此燃料消耗了初始質量的 57.6%。因此，燃料質量分別為 406.7 千克、139.7 千克和 47.2 千克。
在混合比為 3.6:1 的情況下，甲烷的質量佔比為 1/4.6 = 21.74%，氧氣佔剩餘部分。因此，各級甲烷質量分別為 88.4 千克、30.4 千克和 10.25 千克，而各級氧氣質量分別為 318.3 千克、109.3 千克和 36.95 千克。
根據密度，我們可以計算出相應的油箱體積。考慮到 3% 的額外體積，以便在油箱頂部留出一些加壓氣體和燃料裕量，我們得到了第一級油箱體積分別為 215 升和 288 升，第二級分別為 74 升和 98.75 升，第三級分別為 24.95 升和 33.35 升，分別對應甲烷和氧氣。
如果火箭級油箱完全密封，則燃料和氧化劑可以共用一個隔板。通常採用高徑比為 70% 的橢圓形穹頂，以最大限度地減少結構質量。我們假設有效載荷的密度為 1 千克/升，因此需要 20 升的體積。出於空氣動力學和結構原因，我們希望將整個火箭的高度保持在基底直徑的 10 倍或更小。每個組合級的油箱可以建模為兩個橢圓形穹頂加上一個圓柱體。根據一些幾何計算，油箱直徑分別為 60 釐米、42 釐米和 30 釐米。

阻力系數

根據油箱尺寸，我們可以對火箭進行初步佈局。我們需要包括一個前部的有效載荷整流罩和每級的後部發動機部分，才能得到火箭的總高度。在這個設計中，我們假設每級都採用帶有片狀噴嘴的空氣噴氣式發動機，這將使火箭的總高度約為 6 米。此處所示佈局並非設計圖紙，只是一個示意圖，用於估計圓柱體和錐形部分的大小和形狀，以便根據這些資訊估算阻力。佈局網格線間距為 25 釐米。

在我們假設的發射高度 4600 米處，空氣密度為 0.769 千克/立方米，亞音速區域的平均速度為 120 米/秒，火箭長度為 6 米，空氣的參考粘度為 18.27 x 10-6 帕秒。因此，雷諾數 Re 平均為 3030 萬，但它會隨著高度和速度而變化。根據參考資料，皮膚摩擦係數 C_sf 會隨著速度和 Re 的變化而變化，在低速時約為 0.0032，在 120 米/秒時約為 0.00245，在 240 米/秒時約為 0.00215。這會根據火箭形狀進行修正，本例中修正係數為 1.085，而溼潤面積與橫截面積之比約為 8.3/0.283 = 29.3。因此，根據橫截面積，總阻力系數在給定速度下將從 0.102 變為 0.078，再變為 0.068。超音速和跨音速時的阻力系數有所不同，但透過類似的步驟可以求得。

如果火箭有除噴嘴之外的基底面積，那麼我們需要加上基底阻力。對於工作的火箭來說，排氣會充滿基底，不會產生低壓區域，從而不會產生相對於前部的壓力差而導致的淨力。如果火箭的飛行方向不是直接指向運動方向，那麼由於升力，阻力會增加一個分量，但為了簡化計算，我們假設火箭在零升力軌跡上飛行。

軌跡

發射軌跡無法透過簡單的公式或圖形確定，因為火箭的推力、阻力和質量都在不斷變化。因此，必須以很小的時間步長進行模擬，以便上述引數在每個時間步長內幾乎保持不變。如果每個時間步長內的平均值接近真實值，那麼總軌跡就幾乎是正確的。手動完成太多計算，因此需要使用計算機程式或電子表格。模擬將以可變的火箭質量和一個 **軌跡曲線** 作為輸入，該曲線描述了火箭的傾斜角度隨時間的變化以及推力的變化或分級方式。調整輸入，直到達到所需的有效載荷質量和軌道。現代軌跡模擬會自動改變輸入，以找到最佳的軌跡曲線。

參考概念

已知軌跡曲線和推進劑質量後，就可以確定各級的主要尺寸，併為整個火箭準備參考概念。從這一點開始進行初步設計，包括髮動機和其他主要部件的佈局及其質量。根據火箭設計，可以開始對支援的地面系統（發射臺、處理裝置、儲罐等）進行初步工作。由於我們假設了特定的發射場，因此可以使用實際地理位置來開發發射場平面圖。

增強型火箭替代方案

增強型火箭類別仍然使用化學火箭級來完成至少 80% 的速度變化以達到軌道，但使用的方法不同或比目前或近期使用的亞音速空射方法效能更高。這些替代方案沒有特定的順序。在獲得這些系統的可靠估計之前，還需要大量的工作。因此，我們還無法在這些方案和其他方案中進行選擇。目前，我們提供了所有可用的細節和計算結果。

噴射式火箭

這是一種低級別的增強方式，透過將氣流夾帶到火箭排氣中來實現。它透過增加質量流量來提高第一級的推力。

運載機

目前的運載機僅限於亞音速飛行。更先進的運載機有可能使用衝壓發動機達到約 5 馬赫的速度。

氣球

比空氣輕的平臺可以達到比帶翼飛機更高的海拔，為發射提供了更好的起點。

噴氣助推

這種方法不使用運載機，而是使用高推重比的噴氣發動機作為第一級，用於垂直髮射和著陸。

目前正在開發的 **Stratolaunch** 系統使用亞音速運載機。噴氣助推發射器使用軍用戰鬥機發動機達到超音速和更高海拔。這兩種系統都共享使用空氣呼吸發動機進行飛行早期階段的想法，這種發動機的效率是火箭發動機的 4-20 倍。它們還避免在火箭發動機效率最低的執行範圍內使用火箭發動機：垂直上升，這會導致重力損失，以及在稠密空氣中飛行，這會導致阻力和發動機壓力損失。噴氣助推透過使用垂直髮射和著陸來摒棄大部分運載機。使用機翼可以使更多質量脫離地面，但它們也限制了工作海拔。更少的硬體開發應該會降低開發成本。發動機安裝在 **助推環** 上，助推環反過來又承載著火箭級。助推環將火箭提升到約 15 公里高度和 480 米/秒（1.6 馬赫）的速度。火箭點火併繼續從那裡飛行，而助推環返回到發射場的垂直著陸。

早期版本

對於載人運輸，最小運載能力為 1 人。從 SpaceX 龍飛船的質量推斷，該飛船最多可搭載 7 人，我們估計進入軌道的總質量為 1500 千克，其中 750 千克為乘客和生命維持系統，或無人低重力貨物。在早期版本中，天鉤將不存在，發射器將用於交付用於在軌組裝的第一批元件。空氣呼吸助推器的效能在空氣充足的情況下更好，因此與全火箭系統不同，它們更喜歡在低海拔髮射。我們假設一個赤道海平面發射場。對於 200 公里高度的圓形軌道，從 15 公里高度開始，需要 7900 米/秒的速度變化，包括勢能和動能。地球自轉貢獻了 465 米/秒，而重力、阻力和壓力損失從那個起始高度開始，預計為 200 米/秒。因此，火箭級的淨速度為 7635 米/秒。

我們假設一個可重複使用的兩級化學火箭，排氣速度為 3350 米/秒，類似於 SpaceX 梅林 1C 延長噴嘴發動機。由於火箭在高空點火，因此我們針對真空推力進行了最佳化，這實際上是火箭執行 20 秒後的執行條件。我們將獵鷹的惰性質量從級質量的 6.5% 提高到級質量的 11%，以考慮隔熱罩和其他級回收硬體，以便它可以重複使用。每個級分配了所需速度的 50%，因此計算結果如下：

第二級速度變化 = 3817 米/秒。質量比 = 3.125，因此最終質量 = 起始質量的 32%。級惰性質量 = 起始質量的 11% x 68% = 起始質量的 7.5%。因此，有效載荷 = 起始質量的 24.5%，也等於上面提到的 1500 千克。因此，第二級起始質量 = 6122 千克。
第一級速度變化 = 3818 米/秒。質量比 = 3.126，因此最終質量 = 起始質量的 32%。級惰性質量 = 起始質量的 11% x 68% = 起始質量的 7.5%。因此，第二級 + 有效載荷（第一級需要承載的質量）= 起始質量的 24.5%，也等於 6122 千克，因此起始質量 = 24989 千克，我們將其四捨五入到 25000 千克。
現代戰鬥機發動機，例如 PW F-135，在海平面全加力狀態下可產生 191 kN 推力。出於效能考慮，我們希望以 2.0 個重力加速度起飛，因此允許的質量為每臺發動機 9.74 噸。發動機本身（1700 公斤）、燃料（450 公斤）和助推環硬體（590 公斤）的估計質量為 2.74 噸。因此，每臺發動機可以提升 7 噸火箭級和有效載荷，而我們需要 4 臺發動機才能滿足 25 噸火箭的要求，並留有一定的餘量。

火箭初始質量的 3% 的淨有效載荷至軌道並不出色，但能夠重複使用所有級則是其優勢。助推環 + 火箭的起飛質量為 36 噸，大約是獵鷹 9 號運載火箭 + 龍飛船的十分之一，因此其開發成本應該會低得多。如果不需要將過多的低重力貨物運送到軌道，或者其他發射系統達到相當的操作成本，那麼該系統可能沒有必要。從其他人那裡購買發射能力的總成本會更低。

高階版本

對於高階版本，我們假設太空索道已經就位，並將所需的火箭速度降低到 4,810 米/秒。對於這個版本，我們假設單級火箭，並將其他值保持在上述水平。然後，質量比為 4.2，火箭燃燒後剩餘 23.8% 的初始質量。淨貨物質量為火箭初始質量的 12.8%。對於 20 噸的火箭級，這可以向太空索道提供 2.5 噸的貨物，或大約 3 名人類乘客。如果需要更大的有效載荷，則助推環需要超過 3 臺噴氣發動機。合理的限制是 8 臺噴氣發動機，可以提升多達 56 噸的火箭級，並運送 7.15 噸的貨物。

低重力氣體加速器

管道中的低壓氣體，通常位於山區，為火箭提供初始速度。對於人和複雜裝置，加速度受到限制，允許在管道末端達到大約 5 馬赫的速度，之後火箭級接管。

氣體加速衝壓發動機

與渦輪式噴氣發動機相比，衝壓發動機在機械上更簡單，因此成本可能較低。缺點是它們在低速時無法工作，因此對於這種替代方案，我們假設使用低加速度炮來達到衝壓發動機執行所需的足夠速度。在更高速度下，衝壓發動機的效能會下降，因此該飛行器將使用火箭動力完成任務。

假設炮的位置位於山坡上，炮管長度為 6 公里，兩端分別位於 3200 米和 4200 米的海拔高度，例如厄瓜多卡揚貝的西南坡。為了確保人類乘客的安全，加速度限制為 6 個重力加速度（60 米/秒²），因此炮口速度為 850 米/秒（2.8 馬赫）。一個簡單的衝壓發動機將在大約 2:1 的速度範圍內執行。超過這個範圍需要在進氣口形狀和燃燒條件方面進行更多補償，因此我們假設最大速度將為 1700 米/秒。在此範圍內，使用碳氫燃料，平均等效噴射速度約為 14 公里/秒。現在，我們將假設單級入軌，並僅根據理論效能進行計算。

單人乘客規模

對於單人乘客最小系統，我們再次假設一個 1500 公斤的艙，運送 750 公斤的人類 + 生命維持系統，或低重力貨物。計算如下

火箭質量：12,500 公斤 - 火箭級需要提供 5,900 米/秒的淨速度，這意味著質量比為 5.88，或 17% 的最終質量。考慮到 11% 的硬體質量，最終的有效載荷佔 6%。因此，我們的初始火箭質量為有效載荷（公斤）/有效載荷百分比 = 12,500 公斤，比噴氣助推概念輕約 1/3。
衝壓發動機推力：400 kN - 在平均爬升速度為 210 米/秒的情況下，我們希望衝壓發動機在 40 秒內獲得 850 米/秒的速度，或者略高於 20 米/秒²。因此，衝壓發動機推力需要為 250 kN 以提供加速。阻力估計約為 150 kN，因此總髮動機推力估計為 400 kN（90,000 磅）。發動機尺寸的粗略估計為 1.0 平方米。由於這小於人類乘客艙的尺寸（1.6 米坐姿），因此乘客尺寸將決定炮管直徑。
衝壓發動機質量：3950 公斤 - 衝壓發動機推力與發動機質量比平均約為 20:1，因此發動機質量約為 2000 公斤。所需的燃料約為 1150 公斤，剩餘的衝壓發動機相關部件約為 800 公斤。因此，衝壓發動機級的總質量為 3,950 公斤。
總質量：16,500 公斤 - 透過新增火箭級和衝壓發動機級，約比噴氣助推低 40%。需要強調的是，這些都是初步計算。
炮管壓力：500 kPa - 一個 1.6 米的炮管以 60 米/秒² 的速度加速 16,500 公斤需要 990 kN 的總力。除以炮管面積得到 492 kPa（71 psi）的壓力。從技術角度來看，這預計不會是一個難題。更大的挑戰是在山區安裝 6 公里的管道。

小型原型規模

為了構建該概念的小型演示器，我們假設有效載荷為 20 公斤入軌，允許更高的加速度為 10 個重力加速度，並採用二級火箭。更高的加速度使我們能夠在更短的 4 公里的炮管長度內達到 900 米/秒的速度，並且衝壓發動機可以在高達 900 米/秒的速度下執行。然後，火箭級的淨速度為 5,835 米/秒，或每級 2918 米/秒。為了更小的尺寸，我們假設略低的噴射速度（3300 米/秒）和更高的硬體比例（15%）。每級的質量比為 2.42。重量計算如下

二級最終質量 = 1/質量比例 = 41.3%
二級有效載荷質量 = 最終質量 - 硬體 = 41.3% - 15% = 26.3% = 20 公斤（假設）
二級初始質量 = 20 公斤 / 26.3% = 75 公斤
一級最終質量 = 41.3%（與二級相同的速度）
一級消耗燃料 = 1 - 最終質量 = 58.7%
一級硬體重量 = 15% x 消耗燃料 = 8.8%
一級總重量 = 燃料 + 硬體 = 67.5%
二級則佔發射重量的 32.5%。
總質量 = 二級 / 32.5% = 231 公斤

在 20 米/秒² 的加速度下，衝壓發動機需要提供約 5000 牛頓的推力（1100 磅），這隻需要大約 1/80 平方米的發動機面積。火箭級可以用直徑為 0.5 米，高 3.5 米的圓錐體表示，密度為 1，因此發動機相對於火箭級的直徑較小。衝壓發動機質量約為 25 公斤，消耗燃料約為 15 公斤。然後，總髮射質量為 271 公斤。為了讓載具/彈託適合炮管，允許 29 公斤，那麼被加速的質量為 300 公斤。在 100 米/秒² 的情況下，加速度力為 30 kN，所需的壓力為 152 kPa（22 psi）。

氣體加速火箭

如果你降低重力加速度，就可以使用氣壓式加速器發射人和易損貨物。這使得炮管長度必須儘可能長，因此我們需要檢視地理位置來選擇一個位置。有兩個合適的地理位置，當然也可能還有其他選擇。

夏威夷島

就大型的恆定坡度山脈而言，夏威夷是地球上最好的地點，這使得炮管所需的開挖和支撐最少，因此建設成本更低。赤道位置將是首選，以與太空索道會合，但讓我們先看看夏威夷。這是一個盾狀火山，冷卻的熔岩流呈恆定坡度。因此，你在島嶼西側有一個近乎完美的斜坡，指向東方，長度約為 22 公里，可以用來建造。如果將斜坡延伸到海洋中或在東側斜坡上新增支撐塔，你可以獲得多達 100 公里的長度，但這樣比在地面建造成本更高。對於長度為 100 公里的版本，在 6 個重力加速度下，炮口速度可以高達 3,460 米/秒，但在這個例子中，我們將使用 20 公里。

設計規模 - 假設一條長度為 20 公里，直徑為 10 米的管道，推動一個 500 噸的單級多用途火箭。車輛不會充滿整個管道，它具有氣動外形，並安裝在適合管道的雪橇和推板之上。結果表明，炮管中的壓力需要為 2 個大氣壓（200 kPa，30 psi）才能提供 3 個重力加速度，這對於大多數人類（公眾）和衛星部件來說是安全的。炮口速度為 1100 米/秒（3.6 馬赫），這只是軌道速度的一小部分，但這是一個很好的起點，在你點燃機載火箭之前。

厄瓜多卡揚貝

卡亞姆貝是厄瓜多基多東北約 50 公里的一個城市和一座大山的名字。我們之前討論過在山坡上建造一個超高速發射器。為了運送人員，炮管需要更長，才能使加速度更低，並且向西延伸到城鎮之外。對於這個版本，我們假設訓練有素的機組人員而不是普通民眾。透過使用加壓服、符合人體工程學的座椅、+x 加速度（面向前方座椅）和身體狀況良好的機組人員，您可以安全地使用 6 個 g 的加速度，從而獲得 1560 m/s 的槍口速度。這相當於 5.2 馬赫，或者軌道速度的 20%。天鉤自組合系統示例的先前步驟起就已可用，這使火箭級所需的額外速度降低了 2400 m/s。

厄瓜多的地理環境並不像夏威夷那樣是平緩的斜坡。我們假設炮管長 20.25 公里，但向上彎曲，並帶有分段半徑，使離心加速度保持在或低於 12 m/s^2。乘客會感受到這種加速度，表現為垂直加速度（從頭到腳）。炮管需要在塔架上支撐，或根據需要使用隧道來適應地形，並且彎曲度大致適合地形，地形最初是平坦的，最後上升到一座山。炮管的兩端分別位於城鎮西南方向 2778 米高處和山頂 5731 米高處，由於炮管彎曲，初始和最終的坡度分別為 1.4 度和 12.4 度。輕微的彎曲使垂直加速度相對於前進加速度保持較低。槍口端的較高坡度也允許火箭更快地穿過大氣層，從而減少阻力損失。這些假設可能會在更詳細的分析中進行更改。我們假設火箭級尺寸為 4 x 32 米，並緊貼炮管，發射時的質量為 400 噸。

阻力 - 當阻力系數為 0.2 時，火箭級在槍口處將承受 1.93 MN 的阻力，如果火箭沒有立即點火，將產生 -4.82 m/s^2 的減速。爬升速率為 sin(12 度) x 1560 m/s = 335 m/s。大氣的等效厚度稱為標高（垂直方向上為 8640 米），在這個高度上壓力下降 e（2.718...）倍。每標高隨指數衰減的壓力變化是真實大氣壓力的變化方式，但可以近似地表示為一個垂直標高上的槍口壓力，然後下降到零。8640 米標高 / 335 m/s 垂直速度 = 25.76 秒。將減速時間乘以總阻力損失，估計值為 124 m/s。這個值會隨著火箭啟動時間的不同而變化，因為阻力是速度的函式。

火箭效能 - 火箭所需的淨速度是根據天鉤尖端相對於地球中心的軌道速度 (5074 m/s) 得出的，減去地球在赤道上的自轉速度 (-465 m/s) 和槍口速度 (-1560 m/s)，再加上阻力損失 (+124 m/s) 和其他損失以及機動 (我們估計為 +200 m/s)。總計為 3,373 m/s 淨速度。SpaceX Merlin 引擎的噴射速度為 2980 m/s。可能需要 4-6 個引擎才能獲得足夠的推力。火箭方程式給出了火箭在到達天鉤後的質量，為初始質量的 32.2%。如果將載具本身的質量考慮在內，則為 22.2%，即 89 噸。這是一種巨大的乘客和貨物運載能力，需要相應的巨大天鉤來支撐到達質量。第一個版本可能會更小。

已知炮管的面積、火箭載具的質量和加速度，我們可以計算出 4 米炮所需的壓力為 1.91 MPa（277 psi），2.5 米炮所需的壓力為 1.22 MPa（177 psi）。挑戰不在於炮管壓力，而在於在彈丸高速運動時如何快速填充炮管。長度可能需要沿炮管分佈的儲罐和閥門空間。槍口速度可能需要加熱的氣體來填充管道，但具體使用哪種氣體將留待詳細分析。大型氣體加速器已經達到了槍口速度的兩倍以上，因此，更重要的是降低成本，而不是可行性。

太空港發展 - 我們之前在山上建造了一個執行中的超高速槍，槍口速度為 5000 m/s，無助力的軌道有效載荷為 180 公斤。在天鉤到位後，我們可以計算出新的有效載荷，如下所示：

天鉤尖端相對於地球中心的軌道速度為 5074 m/s。地球自轉速度為 465 m/s。阻力損失為 1000 m/s，來自初始的 5000 m/s。23 度的軌跡高度意味著水平分量（這對於進入軌道至關重要）為 cos(23 度) = 0.9205 x 4000 m/s，減去阻力後為 3682 m/s。我們為機動和其他未計入的損失預留了 200 m/s 的額外速度。因此，火箭的淨 Δv 成為 1127 m/s。
使用與 SpaceX Merlin 引擎相同的噴射速度 (2980 m/s)，但推力水平為 1/60，我們得到最終質量為 68.5% x 1200 公斤初始質量 = 822 公斤。與天鉤之前版本相同的 180 公斤空載具質量相比，我們現在獲得了 642 公斤的有效載荷，大約是原來的 3.5 倍。

從 642 公斤有效載荷和 60 釐米口徑（炮管直徑）的槍，到 89 噸和 4 米口徑的人類加速器，這是一個 139 倍的放大。由於天鉤必須為更大的交付質量而擴大，因此需要逐步改進計劃。發射器將逐步增加炮管長度，並轉向更大的直徑，並使用部分貨物來交付天鉤纜索和其他材料，以便以後能夠處理更多有效載荷的交付。如果軌道採礦能夠提供足夠強度的材料，就可以使用它們，否則可以從地球上獲得。與上述人類加速器相比，一個更小的版本可以使用 2.5 x 20 米的火箭載具，質量為 100 噸。使用類似的計算，我們最終得到了 20 噸的淨貨物。在某個時刻，低重力加速器對於坐著的乘客來說將變得太小，可能在 1.6 米直徑左右，但它們仍然可以用於運輸敏感貨物。大宗非敏感貨物將始終具有成本優勢，因為更高的槍口速度可以讓您在火箭載具重量中以更大的百分比交付 3 倍的有效載荷，因此保留兩種型別的發射器是有意義的。

根據交通需求，您可能希望將較小的發射器與較大的替換髮射器並行執行。理論上，您可以在天鉤每次軌道執行時進行發射，即每 100 分鐘一次，但炮管冷卻或其他需求可能會阻止頻繁地使用某個特定炮管，因此擁有多個炮管可能是有用的。在上限情況下，每次發射交付 89 噸 x 每天 14.4 次軌道執行 x 每年 300 天（允許一些維護時間），每年向軌道發射驚人的 384,480 噸。這與目前和近期全球發射器的總容量約 1,000 噸/年相比。

成本 - 在這一點上，成本尚未估算到任何精度。Falcon 9 火箭的總質量為 333.4 噸，低地球軌道有效載荷為 10.45 噸。因此，除了有效載荷之外的火箭質量與有效載荷的比率為 30.9 比 1。大宗貨物發射器的非有效載荷質量為 558 公斤，而有效載荷為 642 公斤，比率為 0.87 比 1。這種 35.5 比 1 的優勢應該會大幅降低成本，但不會完全按此比例降低。與火箭級相比，槍和天鉤是大型設施，它們的每次使用成本將取決於使用次數。Falcon 9 的硬體目前沒有重複使用，而火箭級旨在重複使用。從天鉤上脫離軌道需要 63% 的無助軌道速度，因此 (0.63)^2 = 39.5% 的動能需要消散。這使得熱遮蔽更容易設計，而且火箭級的設計非常堅固，因為它需要以高加速度從槍管中發射出來。因此，原則上它應該可以回收並重復使用。

在沒有更詳細的估算的情況下，我們暫時將火箭尺寸與有效載荷的比例降低 35.5 倍，並將其應用於 Falcon 9 的 5400 萬美元/10,450 公斤 = 5,167 美元/公斤的成本，得到初步估算值為 146 美元/公斤。為了與一些流行的消費品進行比較，包括包裝在內的 iPad 3 64 GB 的成本為 583 美元/公斤，而豐田凱美瑞約為 15 美元/公斤，儘管它們都沒有為高重力發射而設計。

火箭替代方案=

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[待合併]

第 4 節標題

對於自建選項，我們將進行初步設計，然後與現有的發射器選擇進行比較。我們需要進行一些設計假設來開始。

有效載荷質量 - 我們假設 20 公斤對於使用現代技術的實用硬體專案來說是足夠的質量。可能需要根據對有效載荷需求的更好理解來改變這一點，但我們將以此作為起點。較大的裝置可以在軌道上組裝多個部件，但將部件尺寸保持較小可以使您使用更小的發射器，從而降低初始開發成本。還有一種可能性是將其用作大型發射器的“快速包裹遞送”服務，並在其他車輛上進行大型發射之間帶來一些收入。
發射頻率 - 我們假設最初的發射頻率約為每月 1 次，並以穩定的頻率持續進行。
生產 - 我們假設一個或多個先進製造型別的工廠，如前一頁所述，用於建造發射器。這會對工廠的生產能力施加限制，並將系統連線在一起。工廠無法合理製造的任何材料或部件都將購買。在決定使用哪種發射器時，必須包含工廠的成本。

有多種方法可以將小型有效載荷發射到軌道。傳統的方法是設計一個有兩級或三級的小型火箭。任何替代的想法都可以與之比較，以檢視其預期開發和運營成本是否更低。

低重力運輸

並非所有型別的貨物都能承受超高速發射器的高加速度。特別是，人類的承受能力限制在約3-6個重力加速度。因此，在組合系統中，我們使用現有的發射器來運輸人員和精密貨物。隨著天鉤的可用性，我們現在可以考慮該任務的其他選擇以及如何從這些選擇中進行選擇。

選擇方案

目前已經存在用於將貨物和人員發射到太空的火箭，而且新的火箭正在開發中。我們假設這種情況在未來會繼續。在工程設計中，零件會進行製造或購買分析，以確定是內部製造零件，還是從其他人那裡購買。這種方法也適用於人員運輸工作。如果自行建造發射器在成本、技術風險和其他引數方面足夠好，那麼我們就自己建造。如果其他人有更好的選擇，那麼就直接購買發射服務。比較所有選擇被稱為權衡研究。首先，您選擇用於比較的引數，以及將不同引數轉換為通用尺度的評分系統。然後，您對每個選擇進行最佳估算，並選擇得分最高的那個。在進行權衡研究時，重要的是對所有選擇使用相同的假設，例如材料強度。

技術和可用的備用系統會隨著時間的推移而變化。在設計和建造完成之前，工程估算中也存在不確定性。諸如每年貨物噸數之類的輸入假設可能會隨著時間而變化。因此，對於一個複雜的系統來說，單點比較是不夠的。敏感度分析會提前檢視引數和假設的變化，以瞭解這些變化如何影響最終選擇。這可以透過系統的數學或計算機模型有效地完成。之後，當上述條件之一發生變化時，應該重複權衡研究，以檢視之前的答案是否仍然有效。