坎巴拉太空计划2吧
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（译注：原标题Rockets‘ Red Glare引用了美国国歌第一节第三句“And the rocket's red glare, the bombs bursting in air”——“火炮闪闪发光，炸弹轰轰作响”）在航天工程中有一个经典的玩笑：每个分系统都觉得自己才是是任务成功的核心。没有推进系统提供引擎，你显然飞不成。没有任务设计，你就不知道去哪里。没有制导、导航和控制系统，火箭就不能转弯。电源和生保系统自然也是关键。可见，航天工程是规模庞大的跨学科工程。KSP2也是如此。我们看到在社区成员之中有很多讨论，为我们下一步应该增加或优化什么功能提出建议。KSP1的模组社区也证明了，可以加进游戏的功能有几千种，实现每一种功能的方法也有几十种。能搞的事情太多了。我们注意到，玩家们迫切要求在游戏中添加热系统，这话可说到我的心坎上了。我将在这篇开发日志中介绍KSP2的热系统。虽然篇幅较长，但热系统如此复杂，值得详细讨论。同时，我觉得有必要向各位解释我们正在做什么，遇到那些难题，以及我们为了创造有趣的游戏体验做出了哪些特殊设计。
热量难题我们尝试用KSP2带领未来的火箭工程师们跨入众多航天学科的门槛。游戏中的许多内容偏向任务规划和航天器设计，重要的是人们可以从中体验到航天飞行的主要矛盾所在。很遗憾，热控制在种种航天难题中不太引人注意，因为它非常……COOL。相比于KSP1，我们计划大大扩充有关热量的玩法。我们将迎接从普通星球（不要把小绿人丢进活火山）到奇异场景（在你的星际飞船上安装几千平方米的散热板）再到真正硬核玩法（在一颗离恒星很近的潮汐锁定行星上的山脉阴影中建造聚落）在内的一系列全新冒险。正因为我们在新作中大幅扩充了可能的环境类型、玩家能使用的部件和可体验的任务，这些冒险才得以成真。从根本上说，我们必须重构KSP2的整个热系统。这个系统需要做到KSP1做不到的事情：1.它必须逼真地模拟在航天飞行、航空飞行和聚落建造过程中面临的热量问题；2.同时，它应当如同KSP中的燃料或电量系统一样被合理抽象以便教学；3.它必须可预测，可规划且足够稳定，这样玩家在进行涉及热量的任务规划、航天器设计和聚落建造时才能有的放矢；它应在不同时间尺度下运作——我们既要在1倍时间流速下处理一个发热组件，也要在10,000,000倍时间流速下处理50个发热组件。这些都是巨大的挑战——还没算上让这样的系统在游戏中稳定高效运行所要献祭的程序员。
发掘核心用户故事（译注：user story，也可称用户需求，是产品管理领域的概念，指从用户或客户的角度，对所讲述功能的简短描述）在为KSP2设计子系统时，我们常希望了解与此系统相关的物理知识和现实表现。这些知识会影响到我们为玩家设计的游戏内容。游戏中的热控制涉及以下三个方面：1.在航天器或聚落中的产热/散热部件；2.再入行星大气和气动加热；4.能影响航天器和聚落的环境热源和热沉（译注：指温度不随传递到它的热能的大小变化的物体）（比如海洋）。我将着手审视这三个方面背后的物理和现实。避免熔化（译注：avoiding meltdowns，也有避免心理崩溃的含义）在日常生活中，几乎每个有那么点用的过程都会产生一定程度的废热。玩KSP2时你的电脑会生成废热，核反应堆发电时会生成废热，甚至你的身体都在随时散发多余的热量。有这么一条经验规律告诉我们，你用的东西科技含量越高，这东西产生的废热越多。巧了，我们在KSP2里就要加几样发热高科技。物体变热，我们就得想法子把多余的热量弄走。要是不这么干，就会发生像核电站堆芯熔化那样的事故。【图：热传播的三种方式】转移热量有三种方式：对流、传导和辐射。对流十分高效，是指通过大气或流体把热量从热物体移走。传导也比较高效，这种方式需要两个物体直接接触——此时热量会从热物体转移到冷物体。辐射效率最低，这种方式靠的是热物体向外辐射光子，进而带走热量。在太空中，热是个大问题。你或许会觉得太空很冷——有道是萤孤黑夜深，高处不胜寒。说得好像有点道理。Trekkies（译注：星际迷航的粉丝）应该很熟悉星际迷航2中的一句著名台词：“it is very cold in space”。从这句话可以看出，可汗演戏颇具天分，但他对热力学的理解实在不太行。当没有空气或其它介质的时候，我们能利用的唯一散热途径就是辐射。【左图：一名宇航员在维护国际空间站的散热板。（图源：NASA）】【右图：一艘带有舯部散热板的KSP2星际飞船。】对于KSP2，我们从热传导的思路中提取如下用户故事：1.航天器和聚落的部件应能产生热量。这些部件包括引擎、钻头、工厂和能源等；2.玩家应能用全部三种传热方式冷却航天器。也就是说，既可以在太空中使用散热板辐射散热，也可以在行星上利用大气对流，还可以把某个小行星当作热沉。这些用户故事对KSP1老玩家来说并不陌生，KSP1中的钻头和转换炉就是既产热又需要散热的部件。而且，KSP1还能在已激活的航天器上准确模拟三种传热途径。但是，我们在KSP2中需要模拟更大的热流量和更多的产热部件。更为重要的是，我们需要改进向玩家传达热量信息的方式。稍焦着陆（译注：原文为Slightly Singed Landings）宇宙飞船再入大气的速度非常高，飞船前方的空气被剧烈压缩，产生的极端高温能够损坏甚至摧毁飞船。实际中，可以采取特殊的再入路径以减少发热，飞船本身还可以使用特殊材料抵御高温——这种材料在再入时能缓慢烧蚀并带走热量。【图：欧空局的自动转运飞船（ATV）儒勒·凡尔纳号再入并燃烧。（图源：NASA）】这是航天飞行的一个基本且重要的环节，因此我们必然要在KSP2中加以体现。我们可以从再入过程中提取几条短小的用户故事：1.在大气中高速飞行会使载具升温；2.玩家应能使用隔热部件保护载具免受再入加热损害；3.玩家应能获取性能更好的专用隔热部件。【图：再入情景：不用隔热罩真不行】在KSP1中也有类似的情况，但这次我们把尺度放大了。KSP2将加入更多外星球，游戏中也将出现更高的速度和更多样的大气，我们将面对更严峻的挑战。外星球？倒不如说是外热球！再入的事暂且不表，我们还得考虑环境因素。在KSP2的宇宙旅程中，你的小绿人将置身于各种各样的环境，比如：1.离恒星很近；2.超级热、超级冷或者“温度正好”的大气；3.高温甚至熔化的地面；4.寒冷甚至冻结的行星。这些就是我们想让玩家在向其他行星发射卫星或小绿人之前考虑的事情。我们想创造一些有趣的谜题，解开这些谜题需要玩家恰当地使用部件，创新地运用环境，巧妙地规划任务。这也意味着之前提到的所有传热材料都应受到环境的影响。你可以在寒冷星球上更高效地使用采矿钻头，也可能在岩浆星球上面对更有趣的聚落难题。我们从对环境的思考中提炼出以下用户故事：1.暴露在强阳光下会使部件升温；2.大气和海洋会使改变部件温度；靠近或接触某些地貌特征会改变部件温度。【图：环境情景：我不是搞美术的，您就凑合看吧！】以上用户故事其实在KSP1的一项核心扩展（译注：KSP 1.0版本）中有所体现。但在KSP2中，“部件层”和“环境层”的互动将产生更广泛的影响。这部分我们一会儿再说。一些简单小问题等等，还有！1.部件说明中应给出一系列热学参数以表示部件能否用于特定热环境（比如升温速率或者极限温度）；2.暴露在引擎喷流中会使部件升温。事情虽小但不能忽略。为了有趣的游戏体验而设计系统时，我们需要思考部件应具备怎样的热学特性，所以部件应有不同的耐热性能和极限。哦，我们还得让引擎喷流发热。不能让你用引擎对着聚落喷射而不承担任何后果！整合总而言之，根据以上用户故事，我们希望在KSP2中建立一个具有以下功能的热系统：1.创造能够发热和能够通过三种传热途径大量散热的部件；2.模拟再入大气过程，并能用防热罩减轻损害；3.建立大量从冷到热的环境模型，并在上述两项功能中运用这些模型；4.为部件的热行为设定合适的变量。我们将这些用户故事同KSP2的四大设计理念相对照，以确保新的热系统能与游戏相适应。从图看出，我们的热系统偏重于实现“拟真太空飞行”和“外星探索”两项理念。但是我必须向“建造又COOL又独特的火箭”这句话致敬，因为我超喜欢“冷”笑话。另外，热系统必须是可预测、可规划的。这部分也留到稍后再说。
研究真空中的球形牛（译注：真空球形牛代表物理学研究中常用的理想模型方法）前文提到，KSP2的热系统应被合理抽象，也就是说模拟应该抓大放小。用户故事决定了系统应呈现的细节程度。事无巨细的系统不仅让玩家难以理解，也让程序员难以调试，还会产生讨厌的极端情形，总之无法满足用户的需求。过于简单的系统又意味着我们在“拟真太空飞行”的设计理念上做出巨大妥协，对那些高玩来说也没什么意思。我很喜欢“真空球形牛”这个理想模型——如果要分析一头牛，可以先假设这头牛是一个漂浮在真空中的圆球。对这样的情景进行物理分析十分简单，甚至是过于简单了。其实，我们设计热系统的过程就像是为这样一头牛搭建几何近似和环境背景。这头牛可不可以近似成圆柱体？可不可以看成是是几个方盒子拼在一起？当然，要是给一头牛的全部外形细节进行建模的话将非常麻烦，我们不能这么干。【图：这头球形牛正在和周围环境进行热交换！】KSP2的热系统将是这样一个集合体：它既能反映真实物理，又切合我们的用户故事，对玩家来说还易于理解和操作。合理的简化使我们得以构建一些直观的小工具，帮助玩家理解这一系统。简言之，玩家可以知道他们的航天器或聚落何时会过热，还知道用什么方法解决过热问题。确定性VS模拟性在模拟类游戏中，开发者常需要在确定性和模拟性之间做取舍。游戏的模拟性成分越多，游戏玩法就越是靠基础规则驱动。在我们的早期热系统中，散热板就是模拟性的典型案例。散热板的行为方式是由以模拟为中心的机制确定的：1.首先，定义散热板的可用面积；2.然后，确定各种因素作用下散热板各处的温度（这些温度同样靠模拟生成）；3.最后，把数字代入斯特藩-玻尔兹曼定律，计算出散热板的辐射散热量。【图：用几个必要参数模拟出来的散热板】这种模拟方法可以准确估计出散热板的散热量。但是，想实现这种效果，我们需要进行大量设计和计算来确定温度取值，还得额外告诉玩家散热板面积是怎么回事，散热板温度是怎么回事，散热量、面积、温度之间的物理关系又是怎么回事。如果要模拟的物理关系很复杂（比如在刚才提到的那个定律中，辐射功率和温度的四次方成正比），那我们的工作就会变得更加困难。模拟还可能产生矛盾：比起游戏中其它系统，热系统是不是模拟得过于细致了？这要争论起来可没完没了。我们或许可以采用更简单的基于确定性的方法：只要给一块散热板的散热量做出定义即可。【图：基于物理定律，给一块散热板的散热量赋一个定值】这样一来，不论是对设计者还是玩家来说，事情都变得简单多了。通常我们会把确定法和模拟法混合使用。在散热板的例子中，我们把部件的表面积和温度代入公式，推算部件的散热量数值，再把数值直接放进游戏，而不是把公式丢给玩家。这样做有很多好处，比如能把玩法和美术分离开来，使我们更灵活地分别进行开发。KSP1在模拟性方面做得不好。在KSP1的热模型中，航天器的所有部件都要计算自身与环境、自身与其他部件的热交换（通过对流、传导和辐射），计算部件表面之下的内部热源，跟踪多达三种不同的温度。你需要在 KSPedia 上埋头查阅大量资料，才能逐步理解这一套东西是怎么运作的。【图：游戏中的KSPedia展示了KSP1的热模型】在KSP2中，我们决定在不怎么移动的部件上使用一个新模型，我称之为“基于现实物理的确定性模型”。这个模型仍然具有实现前文所列用户故事所需的复杂度，不会在拟真性上妥协，但大大减少了玩家的学习成本。有哪些改动你一定想知道我们对模拟过程做了哪些修改。1.简化温度数值：我们不想再让玩家在玩游戏的时候琢磨三种不同的部件温度了。少就是好。2.部分而非完全的高分辨率热力学：模拟部件之间的热传导，或者进一步模拟部件与散出废热之间的热传导，并非实现用户故事的必需项。在KSP1中，特别是在高倍时间加速的情况下，这样的模拟往往会打破热平衡。如果我们想把后台航天器也加进热模拟中，就必须简化热系统。对有500个部件的航天器进行热学计算已经很困难了，想想如果要对100个航天器上的50000个部件进行这样大规模的精细计算又会是个什么场景！我们必须把握准确和高效的尺度。3.简化环境互动：和上一条的理由类似，环境与给定部件之间的互动可以简化。我不会为坎星低轨道上的长波辐射和短波辐射建模。现在我脑袋里的前热物理学家正为此又哭又闹呢，但我就当听不见。
整体解决方案综上所述，我们设计了一个很棒的（译注：原文为rad，意为很棒，也是辐射计量的单位）系统。耶，谐音梗。KSP2的热系统会使用一个基于热流管理的模型——这里的热流指在一段时间内施加到某个物体上的热能。我们想建模表述的所有过程归根到底都是在部件上增减热流。热流可以是正向的，使部件升温；也可以是负向的，使部件降温。以下是用热流模型重新阐释的用户故事：1.有些事情产生正热流，比如采矿、制造资源和运转引擎；2.有些事情产生负热流，比如散热板和各种热沉；3.恒星发光产生正热流；4.温暖或寒冷的大气、流体、表面产生或正或负的热流；5.高速大气飞行（再入）产生正热流。在这个模型中，我们可以把所有影响部件的热流求和，把得到的结果告诉玩家。如果所有热流加和为正，部件就升温；热流加和为负，部件降温；没有热流或加和为零，部件温度稳定。如果部件温度超过了耐热极限，好吧，那就炸了。我来画几个图示！【图：再入时的热系统】首先分析再入情景。一个装有防热罩的乘员舱正快速进入大气层。这里的两个部件都存在对流传热，其中有大气传热，还有高速运动产生的再入热流。防热罩为乘员舱阻挡了热量，其净热流为正。所以防热罩温度升高，乘员舱却没有升温。【图：轨道飞行时的热系统】再看看由3个部件组成的飞船绕坎星作轨道飞行时的情景。左图中，这个独立的飞船什么都没做。无热流，无变温。右图中，引擎点火并产生正热流，所以它升温了，除此之外没有其它热流。如果就这么放着不管，这个引擎绝壁要炸。【图：更复杂的飞船，更复杂的例子】现在往组合体上装几个散热板。我没在图中标出所有部件，但这实际上是个装有核反应堆的电推飞船。左图中，散热板没展开，反应堆运行并放热，输出200 kW的热流，马上就要烧坏了。右图中，谢天谢地，散热板展开成功。每个散热板从反应堆抽出100 kW热流。万物平衡，不会爆炸。【图：一个拉远的聚落的例子】最后一个例子稍微复杂点（我已经画得很简单了）。这是某大气行星上的一个聚落。冷却塔排出2 MW热流，反应堆产生2 MW热流，工厂产生1 MW热流。我们把旁边的水域当成热沉，向其中排出2 MW热流。一计算就发现净热流是负的。因为工程师懂得利用环境，所以聚落居民都很开心。这个故事很美妙，它展示了你布置好的聚落最终会存在怎样的优缺点。如果聚落边不是水而是岩浆，这可能就不是个宜居的地方。我们也可以看出这个系统是如何做到“可规划”的。虽然系统中有很多细节，但是玩家只要知道整个航天器的净热流即可。不论有多少发热部件，也不管环境情况如何，每个部件只为总体贡献一个数字。把这些数字加起来，如果结果为正，你就摊上事了。如果结果是零或者负的，那就啥事没有。热系统的第二部分是我们如何确定合适的热流值。我们假设KSP2中的所有部件都有一定程度趋向热平衡的自调节能力，而无需建立一种能模拟出所有可能热源作用下的所有可能热流值的复杂环境模型。坎星品质，坚如磐石！只有当我们为了为难玩家而设定一些不正常的情景时，正热流才会出现，比如说：1.你的航天器逐渐靠近恒星；2.你的航天器高速再入，烧得冒火；3.某个部件搞了些大量产热的事，当然我们不考虑环控生保之类的小热源；4。你用聚变引擎喷射轨道居住站。当你的直觉认为某些情景有助降温时，系统一般都能给你一个负热流。这样的情景包括：1.航天器漂在冰海上，或者在冷风中飞行；2.某个部件搞了些散热的事，比如启动散热板。我们借助正负热流的概念实现前文所述的所有用户故事，同时只留下两个需要传达给玩家的数值：部件的净热流和部件的温度。玩家会尽可能把净热流调节到零，温度则告诉玩家部件离爆炸还有多远。再提一嘴温度和极限——环境温度和部件温度之间是存在关系的。通常来说，你不应该把部件带到它不适应的环境中。如果你试着把一个不耐热的部件（就设定这个部件会在500 K时坏掉吧）摆到600 K的大气中，你就会因为没考虑当地环境热流而遭遇严重后果。如果你非要这么干，最好用点小窍门，比如把部件装进货舱。时间加速和载入我们给热系统提出了一项核心要求：在时间加速下也要正常运作，其在不同倍数加速下的行为还应具有一致性。与之类似，热系统在后台航天器上的运作方式也是我们考虑的课题。这项工作支撑起聚落和星际飞船的玩法。玩家在操作星际飞船等需要持续点火的东西时肯定会用到高倍时间加速，引擎在时间加速下持续燃烧并产生巨量废热。我们要做的就是在这种时候维持热系统的连贯稳定运行。如果一个航天器在1倍速下能耐受住热量，那它在10,000,000倍速下也必然能顶住——这样一个不言自明的推论给我们的系统开发提出了非常具体的要求。对于聚落，我们既要处理时间加速的问题，又要处理那些在后台运行的东西。KSP1中的一些数值系统（尤其是热系统）只对已载入的航天器生效。为了实现我们提出的用户故事，我们需要对那些展示给玩家的概念有一个清晰的认识。是的，一致性是这些玩法成立的必要条件。玩家的期望是，不论视角是否切换到聚落，那里的资源生产或货物运输都能够无缝连续地进行。这又给热系统提出要求：由于大部分的复杂聚落功能都会产生热量，我们需要在关于生产的计算中考虑这些热量。并能够在聚落位于后台时进行计算。我们提出的基于热流的热系统能够很好地满足这些要求。只要没有额外热流出现，温度就不会上升，故我们可以简化甚至忽略大部分计算。我们还为涉及到热流的情况设计了一个专门的简算机制。以时间加速为例可能更容易说明：假设你给航天器装了个巨大的星际引擎，这个引擎能产生100 MW热量，同时你又装了一堆散热板，足以排放1000 MW热量，那么易证：1.只要散热板保持工作，引擎就不会爆炸；2.如果散热板停止工作，那么一旦启动中高倍数的时间加速，引擎爆炸只在一瞬间。即使我们有了这么多想法，让系统变得稳定且可理解仍是一大技术挑战。系统的”可理解性“意味着我们还需要开发一些有助于玩家和系统间互动的工具。现在谈一谈和规划有关的事情吧。规划成功前文提到，KSP2的热系统应该是可规划的。而我所描述的系统为实现这一目标提供了合适的细节水平。玩家可以像检查推重比和dV一样去检查航天器的热性能。作为“可规划”目标的一部分，我们正在研究从UI到部件的一系列工具和概念。我们很高兴能在EA阶段对热系统进行迭代，并考虑来自社区的优秀反馈。我们希望你在指挥小绿人一头扎进太阳时，既能感到兴奋，又能预测到即将出现的可怕情况。
开发和部署KSP2处于EA阶段，正沿着既定的更新路线图前进。因此把这一整个复杂系统塞进一次更新中并无意义，特别是我们还有一堆野心勃勃的点子要实现。我们会在合适的更新阶段将最新的功能迭代加入游戏。目前情况是这样，但我们会动态完善更新路线图，以便让发热问题在适当的时候出现在玩家面前。围绕再入发热而提出的用户故事和我们的第一次大更新——科学更新——密切相关。试想，如果科学试验材料在返回地面之前能被再入发热烧掉，那么取回试验结果的过程是不是就更好玩了？再入发热排在热系统各项功能更新的首位。敬请期待相关内容先于或随着科学更新一道加入。类似地，在我们推送第二个大更新——聚落更新——之前，摆弄散热板和发热部件也没什么意思。当我们推出更加先进的推进系统和核反应堆之类的能源时，这些和热量相关的部件亦会同时推出。当前版本的游戏中确实有核反应堆，但你应该也注意到了，反应堆上的集成式散热板巧妙地避开了热问题。后续推出的更大的反应堆就不会有集成散热了，你得往上面装散热板。一些热规划工具也将随聚落更新推出。当小绿人能够走向星际、前往外行星时，我们提出的有关环境的用户故事也就到了彻底兑现的时候。星际更新中将有更先进的环境热系统和更多规划工具，帮助你建造更凉爽的聚落或航天器。岩浆星球上肯定没有适宜的热环境。希望你能通过这篇开发日志得知KSP2热系统的发展方向以及我们面临的技术挑战。总之，我写得很开心。（全文完）原文发布于2023年7月21日作者：Chris Adderley，KSP2开发团队设计师翻译：董工至明初试翻译，水平业余，经验不足，敬请批评指正本译文发布于百度坎巴拉太空计划2吧、百度坎巴拉太空计划吧、BiliBili感谢楼主翻译+分享。不过这个从7.21发布了这个，论坛和steam上好像就没有任何开发更新了，下载贴吧APP看高清直播、视频！}