第 4.7 节：阶段 4C - 内行星际开发
传统上，主要行星和卫星之间的太空被认为是无用的。它们只是被尽可能快地穿过以到达“真正”的目的地，如月球或火星。这种观点是错误的，并且已经过时。一直以来，人们都知道开放空间存在着大量且恒定的太阳能通量。在地球与太阳的距离上，此通量为 1361 兆瓦/平方公里，大约相当于一座大型核电站，并且太阳周围有 281 千万亿平方公里的空间。从 1990 年到 2017 年底，已知的近地天体仅在行星际空间中就从大约 180 个增加到 17000 个，而且我们还在迅速发现更多。因此，有大量的可用资源，并且随着人们对如何利用这些资源的新想法的出现，这些区域的广泛使用应该是可能的。
可用的能量通量以及材料的数量和类型会随着与太阳距离的变化而显著变化，局部环境参数也是如此。因此，我们根据距离将行星际空间的开发划分为四个阶段（4C、4D、4E 和 4F），并分别讨论它们。其中，阶段 4C - 内行星际开发最靠近太阳和地球，因此在四个阶段中首先被讨论。迄今为止，只有少数科学任务探索过该区域，除了用于前往其他地方的旅行之外，它没有被其他方式使用过。
我们通过根据环境和可用资源描述该区域的特征来开始对该阶段的概念探索。然后，我们调查行业类别，以确定该区域未来潜在的活动，以及推动实施这些活动的项目。这些被组合成一种开发方法，以及按时间和功能划分的初始项目列表。后续工作将把项目与程序的其他部分联系起来。对于我们已经生成更多细节和计算的项目，这些信息包含在本节的最后一个主要部分。概念探索工作的输出是确定此阶段需要哪些准备性研究和开发。这些信息提供给之前的阶段 0I - 内行星际开发的研发，因为它必须在能够在此阶段使用之前完成。
- 内行星际特征
这些位置脱离了地球的主导引力，而是围绕太阳运行，尽管它们有时可能会靠近地球。它们的范围从设备在太阳附近能够运作的最近距离到1.8天文单位，这正好超过火星与太阳的最大距离，也是小行星带的起点。它不包括四颗内行星（水星、金星、地球和火星）及其周围的近轨道。在这些轨道上，太阳能可以100%地获得，但强度根据太阳距离的不同而变化，从地球附近的31%到许多倍不等。环境温度也相应地从非常热到黑暗物体的244K（-29℃）不等，对于明亮或反光的物体则更低。从地球到这些位置的旅行时间根据轨道和推进方式以及是否使用行星的引力助推而有所不同。引力助推可以节省燃料，但通常需要额外的时间。太阳和宇宙辐射是一个中等强度的背景，偶尔会出现强度更高的耀斑/太阳粒子事件，如果没有屏蔽，可能会达到对人类致命的程度。延迟时间从轨道穿过地球附近时的几秒钟到1.8天文单位时通过中继卫星从地球到太阳另一侧的45分钟以上不等。太阳会中断与另一侧的直接通信。
如第1.0节所述，已知有超过13500颗小行星距离小于1.3天文单位，并且在1.8天文单位范围内还有数千颗。其中最大的直径超过30公里，质量大约是地球上所有开采岩石的100倍。因此，总的物质资源非常巨大。小行星的轨道大小不一，通常不是圆形的，并且相对于地球轨道略微倾斜，因此到达特定小行星所需的能量也不同。时间也很重要，因为所有物体在太阳轨道上的速度都不同。高效的旅行取决于您的飞行器和目标是否在同一时间到达同一地点。小行星的成分在约十几种光谱类别中有所不同，表明不同的化学成分。我们只对可能开采的十颗小行星进行了航天器的探测。这还不包括小行星带中的灶神星和谷神星。因此，我们的大部分知识都来自望远镜观测和检查坠落到地球的陨石。
- 经济用途
目前在该区域的航天器数量并不多。它们大多是过境到其他行星的科学探测器，或位于地球-太阳拉格朗日点1和2（ESL-1和ESL-2）。未来的用途可能会从小行星开采开始，并将资源运送到地球高轨道，使用电力牵引器。该区域中大多数已知的小行星都太大，无法整体移动。这更多是因为我们找不到非常小的，而不是因为它们不存在。因此，开采将涉及刮取材料或从这些较大天体的表面抓取巨石。在开采之前，勘探任务应该访问多个候选小行星，并详细了解它们的构成。随着地球高轨道的进一步发展，除了开采牵引器外，它们还可以开始向该区域发送设备和种子工厂。由于有原材料和全天候的太阳能可用，种子工厂可以发展成为规模更大的工厂，并生产栖息地、车辆以及其他所需的一切。
- 星际运输
该区域的主要运输系统是缓慢但高效的电力牵引器。它们可以相对于自身质量牵引大量的岩石，对于10吨的飞行器和23吨的燃料，可以牵引高达1000吨的载荷，但这取决于轨道目的地和所需的速率变化。它们也可以用较轻的载荷更快地移动人员栖息地。当需要快速的速度变化时，使用化学火箭，而太阳帆可能在更缓慢地移动物体方面更有效，但在制造出大型轻质反射镜后，则无需推进剂。随着时间的推移，将建立一个“转移栖息地”网络。这些栖息地被放置在重复的轨道上前往特定的目的地，从而避免每次进行多次旅行时都需要移动人员栖息地。随着时间的推移，还可以建造离心平台，既可以提供舒适的重力，又可以利用高效的推进实现快速的速度变化。平台质量用作能量储存，可以转移到有效载荷。由于旋转结构可以相对较大，因此它取决于大量的交通量才能在经济上证明其合理性，以及在轨道上生产高强度材料。
- 星际生产
地球上的全球能源消耗约为18太瓦，包括开采、加工和制造约200万公斤/秒的材料。因此，地球文明的能源强度平均为9兆焦/公斤。我们将将其翻倍以允许在太空中回收材料，并增加8公里/秒的轨道速度变化，这需要300兆焦的电力牵引器功率。这涵盖了相当数量的星际轨道。因此，运输是需要交付的新材料的主要能源消耗。如今，太空太阳能电池板在地球轨道上的功率为177瓦/公斤，并在20.8天内产生所需的318兆焦。鉴于在太空中平均使用寿命为15年，它们的总能量输出是运输自身原材料质量并维持其余文明（包括制造替换电池板）所需的能量的260倍。集光反射镜和核动力源尚未充分发展到足以计算太空中的能量回报率。它们可能比太阳能电池板更好或更差，但只要我们有一个已知的能量来源具有很高的回报率，我们就可以以此为基础建立太空产业。
在星际空间中可以使用相同的方法来引导生产。这从开采出口开始，然后是当地制造的简单产品，并逐渐引导到更复杂的产品。随着距离的增加，从月球运来的原材料会减少，而从附近的小行星运来的会增多。这些小行星类型不同，这提供了一系列合理的材料可供使用。如果我们将自己限制在黄道平面20度以内，以保持进入行星的通道并保持较低的速度变化，那么我们就可以获得太阳总能量的1/3，即1.3 x 10^26瓦。这比我们目前的能源消耗高7万亿倍，这是一个如此巨大的数字，以至于很难想象它无法维持文明。
随着围绕地球和月球的系统网络的发展，下一步是将该网络扩展到火星和小行星带。与之前一样，遵循类似的建立种子工厂和增加设施的过程。
系统概念包含以下主要部分
- 使用自由飞行的电力推进器驱动的飞行器到达具有有用资源的新地点。
- 在每个地点建立种子工厂，以建立工业能力，包括更多飞船和用于下一个地点的种子工厂。
- 在每个地点生产燃料、生命支持用品和栖息地，以便能够永久居住。
- 建造更多太空电梯，以提供快速的速度变化，但同时获得电力推进的效率益处。
在之前的步骤中，我们定义了一个近地轨道（LEO）天钩，其尖端速度为 2400 m/s。由于其轨道速度为 7474 m/s，因此在其旋转顶端可以以总共 9,874 m/s 的速度释放货物。在 1,226 公里的高度，或距地球中心 7,604 公里的半径处，标准引力参数为 398.6 x 10^12，我们得到逃逸速度为 10,239 m/s。因此，我们的近地轨道天钩距离达到逃逸速度仅差 365 m/s。因此，近地轨道天钩可以将货物送入长半轴为 54,278 公里的椭圆转移轨道，从而达到 100,952 公里的高点。
在该高度的圆形轨道速度为 1,987 m/s，转移轨道到达速度为 743 m/s。差值为 1,244 m/s。1,500 m/s 或更高的尖端速度将允许注入火星和主小行星带转移轨道，以及任何更近的月球和低倾角近地小行星转移轨道。因此，高地球轨道（HEO）天钩可以通过选择半径，从而选择速度和时间（给出释放方向），作为到达任何所需内太阳系目标轨道的发射平台。这个位置在地球辐射带之外，但它也未受到地球磁层对太阳和宇宙辐射的保护。因此，人类栖息地需要辐射屏蔽。从月球或近地小行星到达如此高的轨道相对容易，因此屏蔽的散装物质可能来自这些来源之一。
建造顺序将从获取近地轨道小行星材料并将其放置在高轨道以及从地球运送设备开始。一旦建立了加工厂、工厂和栖息地，就会使用碳质小行星中的碳来制造用于天钩的碳纤维。初始速度能力不会那么高，因此需要更多的车辆推进，但随着天钩的增长，它可以到达更广泛的轨道。动量变化不是免费的，因此天钩将需要大量的电源和推进器装置。但由于这些不需要与正在改变轨道的车辆一起携带，因此推进器可以根据需要变得很大和很重。
根据定义，近地天体在黄道面上的太阳轨道速度范围有限。它们也具有一系列轨道倾角，这会导致在穿过黄道面时产生速度分量。倾角站是位于地球附近（例如月球拉格朗日点之一）并垂直于黄道面定向的第二个天钩。因此，它可以以更少的燃料和任务时间将货物送往和运回倾斜轨道以到达近地天体，而第一个 HEO 天钩在黄道面上运行以到达火星和主小行星带。此外，行星飞越可用于进一步改变轨道倾角并到达其他小行星群。站本身将对货物轨道变化的平均值做出反应。因此，它需要一些推进才能保持位置，但这将比每辆车单独进行轨道机动消耗更少的燃料。
如果交通量足够大，那么在不同的倾斜度上建立其他倾角站以产生黄道面和倾角速度变化的不同组合可能是有意义的。各种高轨道天钩之间的速度差将非常小，并且从不到其完整半径处释放就足以在它们之间移动。由于它们之间的行程时间很短，因此第一个可以拥有大部分栖息地和生产设施。后面的可以主要作为中转枢纽，而不是那么发达。
前往近地天体或火星的转移轨道需要以月为单位的行程时间。对于人类乘客来说，存在暴露于辐射的风险，还需要食物和生命维持。如果您期望进行多次旅行，那么在前往这些目的地的转移轨道上永久设置栖息地是有意义的。然后，屏蔽和温室的质量就没有那么重要了，因为它们一旦建立就不会移动。乘客会在其经过地球附近时使用小型车辆在 HEO 天钩和转移栖息地之间穿梭，然后在栖息地内乘坐，直到靠近目的地，然后再使用小型车辆到达。由于只有乘客和货物需要改变速度，因此每次任务转移的总质量大大减少。
太阳系中的所有物体都相对于彼此运动，而转移轨道只有在例如地球和火星处于正确的相对位置时才能正确对齐。因此，需要一个网络，其中包含在不同轨道上的多个转移栖息地，才能在正确的时间将乘客和货物运送到正确的目的地。建造栖息地的源材料主要来自轨道最接近的小行星。根据大小，将开采 NEO 以获取材料，或者如果体积小，则将其整体移动到所需的转移轨道。
可选地，转移栖息地将连接一个天钩，以增强到达或离开车辆的增量速度变化。这也为栖息地提供了人造重力环境。如果未提供，则栖息地的一部分将旋转以产生人造重力。是否使用天钩将需要对完整的运输网络进行更详细的分析。
当栖息地没有将乘客运送到火星时，它们正在开采近栖息地小行星。就像有一组轨道“靠近地球”的小行星，因此易于开采一样，还将有一组不同的轨道靠近任何给定的转移栖息地轨道。因此，您可以忙于生产燃料，建立制造业，并最终在那里建立一个太空城市，只是碰巧定期靠近火星。当它靠近时，您会在火卫一上放下人类和累积的硬件，您也在那里建立设施，然后继续前往火星本身。
由于我们从地球开始，因此我们希望栖息地定期经过地球。如果我们将轨道周期设置为 1.50 年，它将在每两次轨道中经过一次。轨道将是椭圆形，长轴将为 2.62 AU。如果轨道的近地点在地球（1.00 AU），则远地点将为 1.62 AU，略微超过火星的平均距离（1.52 AU）。需要超过地球轨道 3,340 m/s 的速度变化才能到达此轨道。这来自 HEO 天钩、月球引力辅助、运载人员和货物在各点之间转移的飞行器推进以及可能在转移栖息地上的天钩的组合。栖息地将每 7.5 年与火星对齐一次，并且在该端需要 4,440 m/s 的速度变化以匹配轨道。同样，这将使用推进的组合，包括火星引力辅助。在早期的旅行中，转移车辆需要做更多的工作，但后来火星轨道天钩可以承担更多速度变化。
由于每 7.5 年一次并不频繁，因此您可以将多个栖息地放置在给定的轨道路径中，并在其近地点使用在围绕地球轨道均匀分布的多个轨道路径。这将提供更多往返于地球和火星的机会。在轨道周期的 80% 时间里，栖息地将进行采矿和建造，访问附近轨道上的小行星。在其余 20% 的时间里，它们还将运载乘客和货物往返于火星，当它们碰巧对齐时。可能存在更好的轨道和栖息地安排，以增加它们可以用作渡轮服务的时间比例。