第 4.8 节：第 4 阶段 - 轨道开发（续）

目前，第 4 阶段的剩余部分（4D、E 和 F）尚未完全开发，无法专门为它们分配完整的章节。暂时，我们将把我们对这些项目阶段的早期想法集中在一起，在一个地方，等待进一步的概念探索工作。

第 4 阶段的早期部分涵盖了围绕地球的低轨道（第 4A 阶段）和高轨道（第 4B 阶段）区域的开发，以及围绕太阳的内行星际区域（第 4C 阶段），距离太阳 1.8 个天文单位。这些内容在本书的第 4.5 节至第 4.7 节中已有描述。这三个区域是距离地球最近且最容易到达的区域，因此我们预计它们将首先开始开发。剩下的三个轨道区域涵盖了距离太阳越来越远的区域：第 4D 阶段 - 主带和小行星带，第 4E 阶段 - 外行星际，以及第 4F 阶段 - 散布、希尔德和小行星带。这些区域是未来的发展目标，因此我们对它们的认识还不够深入。

第 4D 阶段 - 主带和小行星带开发

第一颗已知的小行星，谷神星 (矮行星)，恰巧是在 19 世纪的第一天 - 1801 年 1 月 1 日被发现。在那个世纪里，又发现了 462 颗小行星，到 1951 年，数量已达到 2158 颗。从那时起，更大的望远镜、电子传感器和自动分析极大地增加了已知的小行星数量。到 1995 年，数量达到 28000 颗，到 2005 年达到 280000 颗，到 2017 年达到 750000 颗，并且仍在快速增加（图 4.n-1）。它们的位置最初集中在我们现在称为火星和木星之间的小行星带。现在已知小行星存在于整个太阳系，从水星轨道内部到远超海王星。从数量上来说，大多数小行星仍然位于主带，但这可能是观测偏差。距离太阳较远的小行星更暗淡，因此我们往往只能找到较大的小行星。距离太阳较近的小行星很难看到，因为太阳本身会造成干扰，而且我们看到的是它们未被照亮的一侧。

虽然小行星存在于太阳系的各个地方，但出于项目目的，我们将它们根据与太阳的距离分为四个区域，每个区域一个阶段。这是因为太阳辐射通量、温度和其他环境参数的变化，以及平均成分的差异。这些特征将推动每个区域的设计。主带和小行星带区域的开发是第 4C 阶段内行星际区域工作的延伸，由于距离地球更近，因此开发工作开始得更早。这两个区域都有轨道偏心率范围很广的物体（图 4.n-2）。因此，每个物体与太阳的距离都不同，并且整体轨道重叠，使区域边界变得模糊。我们为该区域设置了一个内边界，位于火星之外，半长轴为 1.8 个天文单位，主带小行星的密度在此明显增加，外边界为 5.4 个天文单位，木星特洛伊群的密度在此下降。这是一个任意选择，但它包括了大量在类似环境中运行的小型天体。因此，我们可以为整个区域开发一组共享的设计。

区域特征

该区域包括主带小行星，核心区域位于 2.1 到 3.3 个天文单位之间，小行星密度最高。它还包括希尔德群，它们与木星处于 3:2 共振状态。它们的轨道距离太阳 3.7 到 4.2 个天文单位。最后的主要群是木星特洛伊小行星，它们占据了木星前方和后方的拉格朗日点。它们的平均距离与木星相同，在 5.2 ± 0.15 个天文单位的范围内。该区域总人口中只有一小部分不属于这些主要群体。该区域不包括木星本身，也不包括距离该行星 2000 万公里以内的轨道（见下文第 5D 阶段）。

历史上，小行星和彗星被认为是截然不同的天体。现在我们知道，一些天体实际上是失去大部分挥发物的彗星，现在看起来像小行星。一些被认定为小行星的天体仍在释放蒸汽，其中最突出的是最大的天体谷神星。因此，将该区域的所有小型天体视为单一类别是合理的，它们具有多种成分和太阳距离。我们将使用“小行星”来指代所有这些天体，因为它们的數量要多得多。传统上被称为短周期彗星的天体，它们的半长轴在 1.8 到 5.4 个天文单位之间，也被列入我们的“小行星”类别中，但它们只占总人口的 0.1%。

小行星的大小从谷神星的 945 公里直径（现在被归类为矮行星）到亚毫米级的行星际尘埃不等。尘埃成分是短暂的，在该区域的总质量中所占比例很小。大约每秒有 100 万吨太阳风粒子以高速流过该区域，但流速非常稀疏，约为每平方公里每秒 1 纳克。该区域的总质量约为 3 x 10¹⁸ 吨，相当于地球目前总采矿产量的 1600 万年。所有这些资源都可供有决心的采矿活动利用，因为小行星上的低重力导致地下岩石压力较低。大约一半的总质量集中在四个最大的天体中：谷神星 (1)、灶神星 (4)、智神星 (2) 和健神星 (10)。

小行星的成分差异很大，这是由于它们的形成和历史不同（DeMeo，2015）。通过光谱观测和陨石的检验，其中许多陨石是小行星的碎片，我们可以识别出多种成分类型。然而，只有少数小行星被探测器访问过，因此在大多数情况下，它们成分的详细验证还有待进行。

从最大的天体谷神星到达轨道的速度仅为每秒 270 米，或相当于地球上所需动能的 860 分之一。因此，一旦你靠近这些小行星，就能很容易地将它们上的物质运输出去。主要耗能部分是改变绕太阳的轨道，以到达它们。该区域全天候都能获得太阳能，除了小行星周围和表面的阴影区域。强度为地球附近强度的 31% 到 3.4%。对于黑色物体，环境温度在 244 到 217K（-29 到 -56C）之间，而对于浅色物体则更低。从地球到该区域的旅行时间通常需要数年时间，采用的是能耗最小的轨道，对无防护的人员来说辐射水平很高，甚至可能致命。从地球到该区域的通信时间往返需要 13 到 120 分钟，包括在需要时进行中继，以避免直接穿过太阳。

开发项目

目前，该区域几乎没有航天器，因此大多数用途都属于未来。丰富的多样化成分的原材料，以及充足的能量（如果集中起来），将使采矿成为早期活动。原材料将首先运往之前开发的区域，这些区域更发达，太阳强度更高，可以进行进一步加工。当条件允许时，种子工厂可以帮助启动全面的当地产业，并最终实现大规模居住。该区域拥有足够的原材料和能量来支撑一个完整的文明。

该区域最大的天体是矮行星谷神星 (矮行星)。赤道轨道速度为每秒 359 米，赤道自转速度为每秒 94 米。因此，到达轨道需要每秒 265 米的净速度。这种速度可以通过轻型钢制离心机实现，并且可以使用任何先进材料轻松实现。因此，从其他任何主带小行星（都比谷神星小）上发射散装材料都不需要任何火箭推进。谷神星上的 1g 天钩半径将为 7 公里，允许机组人员和设备在低加速度下着陆和起飞，并且维持轨道所需的反应质量成本为净质量流的 0.5%。因此，任何小行星的表面进入都不应该很困难。对于较小的天体，操作更像是零重力状态下的对接，而不是从轨道着陆。

对于较小的天体来说，留在其表面比上上下下更困难。例如，按直径排列的第 35 大天体是 **9 弥提斯**，赤道半径为 170 公里，质量为 1.47 × 10¹⁹ 千克。这使得其表面重力为 0.034 米/秒²（地球的 0.34%）。自转周期为 5.08 小时，自转速度为 58.4 米/秒，赤道上的离心加速度为 0.020 米/秒²。因此，净有效重力仅为 0.014 米/秒（地球重力的 0.14%）。实际上，轨道速度为 76.0 米/秒，因此只需要额外增加 17.6 米/秒（39 英里/小时）的速度即可进入轨道。因此，人类或低速机械可以将物体抛入轨道，并且需要牢固的固定方法以防止设备意外移动。

生产

该区域的内部区域有足够的阳光供太阳能电池板直接发电。在外部区域，太阳能电池板将受益于反射器来增加光强度。集中式反射器可以在所有距离产生高温，用于工业流程或加热栖息地。随着你远离太阳，所需的反射器数量越来越多，但在零重力环境中没有天气，它们本身的质量很低。请注意，该区域可用的总太阳能数量不超过内行星际区域，等于太阳的总输出功率，即 3.83 × 10²⁶ 瓦特。它是相同的总太阳能通量，只是随着距离的增加而更分散。区别在于主带和特洛伊区域拥有比内行星际区域更多的原材料。

小行星通常覆盖着大小不一的岩石和尘埃混合物。这是它们一生中反复受到撞击以及对松散轨道物质的引力吸引的结果。事实上，一些小行星的密度如此之低，以至于它们一定是“砾石堆”，没有坚实的中心体。松散的物质使表面开采变得容易，但同时大多数小行星都很小。岩石和尘埃很容易被扰动，并可能成为采矿和生产作业的危险。因此，必须注意如何小心地移除物质，而不会造成过多的干扰。然后，它们被拖船或转移到附近的加工厂，远离任何产生的尘埃云。对于大型作业，可以在整个小行星周围建造一个充气或组装的壳体，以防止尘埃扩散。然后，加工设备可以连接到壳体的外部，并持续不断地输送材料，直到小行星被消耗殆尽。由于尘埃和碎片被包含在内，因此可以使用更强烈的开采方法。由于小行星的大小和类型相似，因此应早些时候为内行星际区域开发开采和加工方法。唯一的区别是主带和特洛伊区域中一些天体的尺寸更大，使其重力足够大，在设计中需要考虑。

居住

该区域的栖息地可以从先前区域的未修改设计开始，除了增加反射器来提高功率和保持温暖。早期单元可以从内部区域整体交付，并随着时间的推移逐渐移至该区域。由于持续可以从附近的小行星获取补给，因此无需一次性交付全部补给。一旦到达一个好的位置，例如绕着谷神星轨道运行，早期栖息地就可以通过制造和组装更大栖息地的结构部件来扩展，然后形成一系列越来越大的外壳。谷神星位于主带最密集区域的中心，因此前往附近不同成分小行星的补给旅行将相对容易。这使其成为开始该区域大规模发展的理想地点。

运输

该区域可以使用与内行星际区域相同的方法进行运输。主要区别是向太阳能电池板添加反射器，或向热能发电装置添加更大的反射器，以弥补较低的太阳光强度。离心式运输中心对于将散装货物注入转移轨道来说，效率更高，因为它们执行脉冲转移而不是螺旋轨道。如果一颗大型小行星吸收了反作用力，它们也不需要推进剂来发送货物。

服务

该区域的首批服务功能将是通信、科学探索和勘探，以详细地确定和定义可用资源。其他服务将在以后确定。

第 4E 阶段 - 外太阳系开发

外太阳系区域是继内行星际（第 4C 阶段）和主带与特洛伊（第 4D 阶段）之后开始开发的第三个区域。它是物理距离上的下一个区域，涵盖半长轴从 5.4 到 50 个天文单位的轨道。它不包括土星、天王星和海王星等主要行星及其卫星以及围绕每颗行星的轨道区域，这些区域被归类为第 5E 阶段。截至 2017 年，只有少数航天器到达该区域，大多数航天器都指向主要行星和冥王星，因此该区域基本上未被探索。我们迄今为止的大部分信息来自地球或地球附近的天文观测。

区域特征

该区域发现的第一个天体是矮行星 **134340 冥王星**，发现于 1930 年。截至 2017 年底，已知天体数量已增长至 **半人马** 类群（图 4.n-3）中的约 275 个，以及 **柯伊伯带** 类群（图 4.n-4）中超过海王星的近 1800 个。半人马小行星的轨道位于或穿过了四颗气态巨行星（包括木星）的轨道。这使得它们的轨道不稳定，寿命短暂。海王星外天体类群整体上大部分或全部时间都位于比海王星更远的地方，因此它们的轨道更加稳定。从 30 到 50 个天文单位的海王星外天体类群的内部区域包含大量天体，被称为柯伊伯带。此外，该区域还有大约 20 个已知 **特洛伊** 天体，它们的轨道与外气态巨行星（主要是海王星）的轨道相关联，以及大约 240 颗该区域的短周期和长周期彗星。

为了我们的目的，我们将该区域的小行星和彗星归为一类，它们形成一个轨道和成分各不相同的连续天体范围。彗星的特点是，有时它们会足够靠近太阳，从而活跃地失去气体和尘埃。从历史上看，这使得它们很容易被发现。但在其他时候，它们就像小行星一样不活跃，保持着更加稳定的距离。现有的望远镜很难找到直径小于 10 公里的该区域的不活跃天体，因此我们的统计数据不完整，并且仍在不断增加。

该区域约有六个已知天体（冥王星、妊神星、鸟神星、厄里斯、夸欧尔和瓦尔达）足够大，可以被认为是矮行星，估计大约有 675 个天体直径大于 100 公里。该区域的总质量估计为 240-600 × 10¹⁸ 吨（地球的 4-10%），这是一个非常庞大的总可用材料量。除了最大天体更深的部分外，理论上大多数材料都是可以获取的。由于重力和密度通常较低，因此地表压力对于开采作业来说不是太高，内部温度可能也不太高，不会造成问题。半人马小行星可能由混合成分组成。由于它们的轨道不稳定，它们最初来自其他地方，那里的形成条件不同。在其中一些天体上已经探测到水冰和碳化合物。

木星以外的整个区域都在 **霜线** 之外，即原始太阳星云中水冰能够凝结的距离。因此，该区域存在大量水，以及其他冰，例如甲烷、氨和氮，存在于外部区域，那里的当地温度足够低，使它们也能凝结。自太阳系形成以来，不透明的太阳星云已经消散，太阳逐渐变亮，增加了给定距离处的温度。因此，最初稳定的表面物质已经蒸发了。它们可以在天体的深处存活至今。自形成以来的轨道变化也会影响这些天体中剩余的物质。更大的天体在形成过程中经历过冲击加热，并在之后经历过放射性加热。这导致它们按密度分离成不同的层。理论上，金属和岩石物质会集中在中心附近，冰物质会集中在表面附近。较小的撞击以及暴露于太阳紫外线和其他辐射可能会改变表面层。由于对这些天体的近距离探索很少，我们目前只能进行概括性的描述。在开始使用该区域的材料并开始当地开发之前，还需要进行更多的探索和勘探。

冥王星的逃逸速度为 1.2 公里/秒，对于较小的天体来说更低。这在机械运输的范围内。从地球到达该区域外围部分的最小速度接近太阳系逃逸速度，即 12 公里/秒。这样的轨道将需要 60 多年时间，因此使用更多能量的更快运输方式是可取的。因此，利用该区域的主要能源成本就是首次到达该区域。需要借助引力弹弓和先进的推进技术，才能在合理的时间内到达该区域，否则需要付出很多耐心。

可用总太阳能与前两个区域相同，即太阳的总输出功率。然而，单位面积的强度很低，仅为地球轨道值的 3.4% 到 0.04%。这将需要大型反射器来增加强度，或者使用核能或其他能源。环境温度非常低，黑色物体为 217 到 70K，而颜色较浅的物体则更低。从地球到那里的旅行时间通常需要数年。未受保护的辐射水平对人体来说很高，有时甚至致命，并且长时间会损坏设备。往返通信时间在直接路径上为 1.2 到 13.6 小时，如果需要中继以避免太阳，则略高。

开发项目

由于目前的技术，这个区域可能太远了，无法进行除科学探索以外的活动。当文明扩展到之前区域，并且拥有更好的技术时，第一个用途可能是开采大量的原材料。这些原材料将被带回内层区域，在那里有更高的能量密度来加工它们，并将其用于其他活动。低温与密度分类的结合使各种冰成为最容易获得的早期资源。该区域的利用在未来相当遥远，技术很可能在预想不到的方向上得到显著提升。因此，我们针对该区域提出的任何概念都应视为非常初步的，并可能发生变化。

生产

除开采外，我们预计该区域不会出现大量生产，直到技术显著提升。诸如水和氮气之类的冰对人类非常有用，并且在该区域大量存在。因此，一旦有足够的需求，开采和运输到内层区域就成为可能。运输速度很慢，需要数年时间，因此有动力建立一个运输货物“管道”，两端都有车辆来设定航线和在终点收集货物。货物可以在运输过程中无人看管，节省了车辆时间。一旦管道装满，货物就会定期到达。如果聚变技术得到充分发展，可能会形成一个基于聚变的经济体，实现全面生产和居住。我们没有看到一个强烈的理由要住在这么遥远的地方，而不是留在温暖明亮的内层区域，但这样的理由可能会出现。

柯伊伯带和更远区域面临的一个挑战是如何提供足够的太阳能来运作。地球上的文明消耗大约 2.7 千瓦/人，我们预计太空位置的数字会更高，这既是由于更高的生活水平，也是因为需要人为地完成地球上自然过程所处理的事情。假设我们需要 20 千瓦/人，系统质量是国际空间站的两倍，即 150 吨/人，其中一半用于太阳能收集。如果使用 1 微米厚的镁铝反射器来集中阳光，它们的质量将为 2.4 吨/平方公里。因此，我们每人最多可以使用 31.25 平方公里的反射器。为了获得 20 千瓦的净功率，效率为 1/3，我们需要 60 千瓦的阳光。在地球上，太阳能通量为 1.361 千瓦/平方米，因此我们需要 44 平方米。由于我们允许使用这个面积的 711,500 倍，并且太阳能通量随距离的平方反比下降，因此我们可以将足够的太阳能提供到 843.5 天文单位，这是一个令人惊讶的大距离。超过这个距离，操作将仅限于低功率情况，或者需要其他来源，例如核能或束能。

居住

[待定]

运输

由于该区域的阳光微弱，我们预计核动力推进和来自大型天体的引力辅助将成为主要的移动方式。如果核聚变尚未得到充分发展，裂变将是唯一可用的核源。地球和月球上的适合放射性元素的供应量是有限的。为了补充这些元素，可以在太阳附近产生人造放射性元素，那里丰富的能量可以为加速器提供动力，将非放射性起始材料转化为放射性元素。如果核聚变技术得到充分发展，该区域将有丰富的氢，可以从中提取聚变燃料。随着与太阳的距离增加，轨道速度以及所需的轨道速度变化将随距离的平方根下降。太阳能通量下降得更快，与距离的平方成反比。因此，太阳帆作为运输方式的效率将低于更靠近区域。

服务

[待定]

概念细节

我们注意到该区域外围的一个大型天体 **136108 妊神星** 的一些特征。妊神星的质量足够大，可以处于流体静力平衡状态，因此被归类为矮行星。但是，短自转周期（3.9155 小时）意味着它不是圆形的，而是椭圆形的，长轴约为短轴的两倍。长端处的圆形轨道速度约为 527 米/秒，而端点本身的旋转速度约为 428 米/秒。因此，仅需要约 99 米/秒的速度变化即可着陆或从它起飞，这是太阳系大型天体中最低的数字之一。如果妊神星保留任何形式的大气层，它往往会形成一个环绕短轴的婚戒状环。引力也会从长端到短轴发生显著变化。

第四阶段 F - 离散盘、希尔士云和奥尔特云的发展

柯伊伯带以外的广阔空间是开始开发的第四个也是最后一个星际区域。它包括半长轴从 50 天文单位到太阳引力支配范围的极限（我们将其设定为 100,000 天文单位）的轨道。虽然它涵盖了巨大的距离范围，但从地球上测量时，它的能量范围很小，占达到太阳逃逸速度的最后 2%。到 2017 年，只有四艘宇宙飞船在完成更靠近的初级任务后进入该区域，第五艘将在几年内进入该区域。因此，我们几乎所有信息都来自地球及其附近的观测。

区域特征

长周期彗星 和 近抛物线彗星 的轨道足够大，可以算在这个区域内，自古以来就可见。确定它们的轨道实际上如此之大，必须等到轨道力学和更好的望远镜的发展。活跃的彗星在靠近太阳时很容易看到。它们在被加热时会释放大量气体和尘埃，形成一个彗发和彗尾，可以延伸数百万公里。当远离太阳时，它们是寒冷、黑暗和惰性的，因此很难找到。因此，该区域中第一个不是活跃彗星的天体 **(48639) 1995 TL8** 直到 1995 年才被发现，而且是因为它相对较大——主体的直径约为 350 公里，卫星的直径约为 160 公里。

该区域中已知的天体数量（截至 2017 年后期）包括 100 颗长周期彗星和 420 颗近抛物线彗星，以及 440 颗 离散盘天体，它们的轨道完全位于海王星之外，因此相对稳定。它们的名字来源于被主要行星从太阳星云中更靠近的轨道散射出来，在那里它们形成。四个已知天体的最大距离大于 2000 天文单位。这将它们置于希尔士云中，其轨道的远日点范围为 2000 到 10,000 天文单位。推测这是一个巨大的天体库，被太阳形成时的星团中经过的恒星所散射得更远。超过这个范围是奥尔特云，它在半长轴上延伸到 100,000 天文单位。我们根据已知近抛物线彗星的轨道，间接地证明了最外层区域存在一个庞大的人口。奥尔特云天体距离太阳足够远，会受到银河潮汐和经过的恒星以及巨型气体云的影响。这些力量有时会使它们靠近太阳，在那里我们看到它们是活跃的彗星。

我们目前检测所有这些遥远天体的能力仅限于那些目前距离太阳约 80 天文单位以内的大型天体。因此，我们在过去 20 年中的发现来自该区域中轨道最接近距离（近日点）小于 80 天文单位，并且恰好接近该最小距离的天体。由于在更大距离处轨道速度较低，具有高偏心率轨道的那些天体大部分时间都太远而无法看到。那些以更圆形的轨道运行的，距离太阳超过 80 天文单位的天体，今天根本无法找到，直径小于 15 公里的天体也无法找到。因此，我们预计随着仪器的改进，将在该区域中发现更多倍的天体。

目前，该区域的总质量知之甚少，但估计为地球质量的 4-80 倍，这是一个巨大的物质储藏库。这个总数包括一个疑似但尚未发现的第九颗行星，其可能的质量在海王星的范围内（约为地球质量的 15 倍）。由于彗星来自该区域，并且它们蒸发的气体和尘埃很容易被观测到，因此我们对该区域的成分有合理的了解，即使我们无法直接观察到大部分物质。该区域最有可能由水、其他冰、复杂的碳化合物以及一些较重的矿物颗粒组成。大约 4% 的物质可能起源于太阳系的内部区域，因此比挥发性化合物更岩石或金属。该区域的太阳能非常微弱，不到地球附近太阳能的 0.04%，环境温度低于 70K，下降到接近 2.7K。使用当前的推进技术，旅行时间需要数年甚至数百年。往返通信时间从 14 小时到 3 年不等。这些因素以及到达那里所需的轨道能量使得到达和在该区域工作变得困难，尽管那里可能存在大量物质。

开发项目

我们没有足够的信息来详细规划该区域的物体，而且它们离我们太远，无法用当前的技术进行访问。因此，除了科学和探索之外的任何事项都被推迟到未来，那时需要更多资源和更先进的技术。然而，当那一天到来时，该区域将提供一个非常巨大的材料储备，可以用于各种用途。

生产

我们已经在第 4E 阶段的生产部分证明，即使在距离太阳 1000 AU 的地方，也有足够的太阳能来维持生产和居住。在那之外，可能需要核能或能量束来源。目前，除了物质提取之外的生产仍然是推测性的。

居住

[待定]

运输

为了将运输时间缩短到合理水平，需要非常高能量的推进系统，例如核聚变。由于聚变所需的轻元素在这些外部区域很常见，因此一旦建立，它可以自我供能。不幸的是，聚变目前还不是一项可行的技术，因此使用它的运输仍然是推测性的。

服务

[待定]