《Acta Astronautica》：Functional prioritization strategies and tradespace considerations for a self-reliant deep space habitat
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本文提出一种基于功能关键性和地球依赖程度的框架，以评估自主技术对深空栖息地的价值，并通过国际空间站案例研究验证其有效性。
安娜卡·E·罗洛克（Annika E. Rollock）| 大卫·M·克劳斯（David M. Klaus）
美国科罗拉多大学博尔德分校，3775 Discovery Dr.，博尔德，CO 80303
摘要
随着人类太空飞行任务逐渐远离地球，由于通信延迟以及补给所需的长途传输时间，对地面的依赖变得越来越不切实际。对于这些任务来说，将自主能力整合到栖息地中可能会为解决深空探索中的挑战提供可行的解决方案。尽管尽可能利用自主系统似乎很有吸引力，但额外的复杂性也可能导致新的故障模式和/或进度和预算超支。因此，优先考虑那些a) 对任务成功最为关键以及b) 目前依赖于地面团队的功能，有助于确定新兴技术在实现自主运行方面能带来最大投资回报的领域。本文提出了一个灵活的、基于需求的框架，根据栖息地功能当前对地球的依赖程度和关键性来对其进行优先排序，以评估在深空限制条件下，哪些新颖解决方案最有利于实现自主运行。文中定义了用于优先排序航天器功能的评价指标，并可用于直接比较不同技术解决方案。最后，通过2017年国际空间站（ISS）外部主动热控制系统（EATCS）的维修案例研究，进行了高级别的演示。这里提出的评估框架和案例研究示例旨在作为一个可定制的模板，可以根据具体任务的需求和限制进行调整。
引言
美国宇航局（ASA）的“月球到火星”人类太空飞行路线图概述了使用门户站（Gateway）和月球表面作为测试系统、能力和类似技术的平台，这些技术和能力将通过阿尔忒弥斯计划（Artemis Program）来实现首次载人火星任务[1,2]。这项工作将需要设计出能够在深空和火星表面持续运行的坚固、自给自足的栖息地。
无论目的地如何，每个任务都包含一组必须满足的功能，以确保乘员“生存、健康、快乐和高效”[3]。历史上，这些功能是通过机载能力、与地面团队的通信以及定期从地球进行补给来实现的。然而，随着任务逐渐远离地球，由于通信延迟较长且可能存在周期性遮挡现象，以及补给物资到达栖息地所需的长途传输时间，地面支持和后勤选项变得越来越不切实际。在火星上，这种单向通信延迟可能长达4到24分钟，而遮挡期间与地球的通信将受到严重阻碍或完全中断，这种情况可能持续数周至数月[4,5]。前往火星的旅程只是未来深空任务的一个组成部分，但NASA对运输栖息地的要求是它能够在没有补给的情况下维持乘员1200天的生活[6]。一旦到达火星，由于行星排列导致的发射机会较少，补给机会也受到限制，因此不能依赖补给来满足关键需求。此外，许多未来的深空探索计划都涉及无人操作阶段，在此期间栖息地必须能够在没有机载乘员的情况下保持功能正常[7]。为了实现这些间歇性有人居住的深空任务，NASA提议在未来的栖息地设计中进一步整合自主系统[8]。在某些情况下，当现有技术无法满足深空任务的性能要求时，这些新兴技术可能会成为任务成功的关键。
虽然利用自主系统来解决航天器上的所有功能问题似乎很有吸引力，但设计师必须权衡潜在的投资回报与可能增加的成本和复杂性。虽然自主系统可以用来执行、增强或增加功能，但由于它们的技术成熟度（TRL）通常较低，也可能会增加设计复杂性和前期开发成本。任务复杂性，可能是由于引入了没有飞行经验的新技术而导致的，被认为是太空飞行项目失败的最重要因素之一，并且也可能导致进度和预算超支[9]。此外，技术成熟度（TRL）和技术成熟的能力对深空探索计划的进度和开发有很大影响[2]，这些计划往往持续数十年，在此期间具体任务目标可能会发生变化。因此，在设计过程中“通过尽可能保持主要（任务）目标简单和最小化，并仅在必要时向系统中添加复杂性”是非常重要的[10]。为了确保开发和项目资源的有效分配，NASA栖息地优化研究机构（NASA Habitats Optimized for Missions of Exploration, HOME）空间技术研究所（STRI）开发了一个框架，以帮助技术人员在长期内投资于低技术成熟度的自主系统，确保这些系统能够解决未来任务的最关键需求。在这个框架中，可以首先识别和优先考虑栖息地的功能需求，以评估自主性和其他新兴技术在哪里能够提高自给自足能力，以及这些系统在哪些方面最适合满足最高优先级的需求。尽管最初的航天器性能评估通常基于减少质量，但本文提出了一种基于需求的方法，根据功能的关键性和当前对地球的依赖程度来优先排序功能，以便在具体任务目标确定之前，评估新兴技术在深空限制条件下可能带来的最大投资回报。文中提出的评估标准可用于描述每个功能当前对地球的依赖程度，以评估新兴技术在哪些方面能带来最大的投资回报。这里定义的属性还可以用于指导系统开发，特别是在系统可能无法满足要求的情况下，通过指定目标设计指标来进行指导。这种方法不同于常见的系统设计方法，后者侧重于在考虑候选解决方案的质量、功耗和体积的同时可靠地满足需求，而这种方法则关注需要成熟才能满足航天器上最关键功能的特定属性。通过关注与深空相关的操作挑战，该框架在设计周期的早期就指导了技术的成熟过程，已被用于识别和评估2019年至2024年间NASA栖息地优化研究机构开发的技术的性能[11]。此外，在之前的案例研究中详细应用了这一框架，该研究通过用户访谈评估了减少基于地球的通信和后勤依赖的潜力[11]。
为了识别和优先考虑功能需求，本文回顾了当前的航天器设计方法作为基准。讨论了在深空运行中面临的独特限制，主要影响通信和后勤，并指出了当前深空应用中最先进能力的一些不足之处。基于此，提出了一个基于需求的功能优先排序框架，该框架考虑了功能的关键性以及当前对地球通信和后勤的依赖程度。还讨论了自主系统可能提供新颖方法的实例。最后，通过国际空间站外部主动热控制系统的维修案例研究，展示了如何根据特定设计属性比较不同技术。
部分摘录
功能设计和最低功能要求
功能设计是在概念阶段早期从高层次功能或直接源自任务目标的需求出发，系统地推导出子系统需求的过程[13]。这一分析先于设计过程的A阶段，并通过利益相关者的反馈进行，此时任务目标开始被转化为工程术语。这些初步的系统级要求最终成为后续架构评估和要素设计的基础。
过程概述
如上所述，优先排序过程首先通过功能分解过程确定完成任务目标所需的内容。在设计阶段的早期，这可能表现为最低功能设计。尽管栖息地设计的具体特征尚不清楚，但该过程的目的是为栖息地及其居住者建立所需功能的基本要求（即所需的内容）。从这个基准出发，
场景描述
为了说明所提出的框架，本文以国际空间站的维修案例研究为例。在实际应用中，该框架将从功能分解开始，首先根据功能的关键性和对地球的高依赖程度来评估这些功能[36]。通过这种分解，可以将高优先级的功能与新兴的候选解决方案相匹配，然后可以比较这些技术。
结论
未来的深空探索将需要达到人类太空飞行中尚未测试过的独立于地球的程度。为了减少对地面支持的依赖并迈向自主运行，必须开发和成熟新的解决方案，理想情况下应以优先级的方式进行，以实现给定任务期间的自给自足，并最终实现无限期的自主运行[24]。
本文介绍了一种识别候选新兴技术如何为
CRediT作者贡献声明
安娜卡·E·罗洛克（Annika E. Rollock）：撰写——原始草稿、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念化。大卫·M·克劳斯（David M. Klaus）：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。
资金来源
这项工作得到了NASA的支持，资助编号为80NSSC19K1052，属于NASA空间技术研究所（STRI）的“栖息地优化研究项目（HOME）‘SmartHab’项目的一部分。本文中的任何观点、发现、结论或建议均为作者个人观点，并不一定反映美国国家航空航天局（NASA）的立场。
利益冲突声明
作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：安娜卡·罗洛克报告称，她获得了NASA在资助编号80NSSC19K1052下的财政支持，该支持属于NASA空间技术研究所（STRI）的“栖息地优化研究项目（HOME）‘SmartHab’项目。本文中的任何观点、发现、结论或建议均为作者个人观点，并不一定代表美国国家航空航天局（NASA）的立场。
