第 4.7b 节 - 轨道采矿（第 2 页）
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矿石是一种具有经济价值的原材料。在地球上，我们通常将那些在其一种成分中特别高的源岩分类为矿石。在太空中，几乎所有东西的当前成本都比地球上高出数千倍，因此几乎任何类型的质量都具有经济价值。未经加工的原始岩石可用于辐射屏蔽，因此即使它也具有相当大的价值。因此，我们认为所有近地小行星都是矿石，但它们仍然具有不同的成分，这使得它们适合不同的用途。如第 1 页所述，我们还没有关于大多数近地小行星的材料总体组成和分布的非常好的数据，但我们可以根据对较大的主带小行星、陨石以及一小部分具有观测光谱的近地小行星的观测结果列出一般类别。广泛使用的 Tholen 小行星光谱类型 中的主要类别进一步细分为不同的亚型。主要类型是
它们代表了 75% 的小行星，以及近地小行星中一个未确定但可能类似的比例。它们的成分与太阳和形成太阳系的原始太阳星云相似，除了氢、氦和一些挥发性化合物。缺少的成分是近地小行星温度和压力下的气体，因此已经蒸发掉了。与气态巨行星不同，近地小行星没有引力阱来捕获这些轻质成分。这些天体的光谱类似于 碳质球粒陨石 类型的陨石，据推测它们来自相同的母体。C 类内部的特定类型在特定成分方面富集或贫乏。通常，它们由不同成分的颗粒的物理混合物组成，包括重要的铁镍成分（取决于亚型，3-20%）、矿物硅酸盐和氧化物、硫化物、水（高达 22%）以及该组得名的有机（碳）化合物。C 类天体非常暗，反照率（在阳光下的反射率）为 0.03 到 0.10，因此它们最初很难发现。初始尺寸估计往往会低估其尺寸，因为这些估计是基于平均反照率，而平均反照率被假定为 0.10。
这代表了大约 17% 的小行星，并以其 石质 成分命名。它们主要包含铁和镁硅酸盐，但不包含 C 类型的碳。它们起源于内部主带小行星，在那里它们在 <2.2 AU 处占主导地位，在 <3 AU 处很常见，而在更远的地方很少见。
这些包括高金属含量的小行星，金属含量从 50% 到 100% 不等，其余部分为石质夹杂物。其中一些是镍铁合金，被认为来自后来被摧毁的较大小行星的金属核。其余的被认为在没有从较小的星体中分离出来或暴露在高温下的情况下结晶。因此，金属部分的成分不同。
还有一些其他类别，即 A 类、D 类、T 类、Q 类、R 类和 V 类，它们的数量很少，但没有形成一个由成分构成的一致的大类别。
在整个太阳系中，大约有 600,000 个已知的各种类型的小行星。近地小行星 (NEO) 是大约 9,300 个已知的小行星的子集，这些小行星靠近地球，距离太阳 1.3 个天文单位（AU）。这比火星轨道（1.52 AU）和主带小行星（主要在 2.1-3.3 AU 处）要近得多，因此从地球更容易到达。
新发现的小行星按年份和当年的序号来识别，例如 2011 AG5。当它们的轨道确定得更好时，它们会得到一个永久序号，并可能得到一个名称，例如 谷神星（1 号） 或 灶神星（4 号）。喷气推进实验室的 Landau 和 Strange 在 2011 年进行的一项研究 (人类探测可达的近地小行星 AAS 11-446) 列出了许多轨道特别容易到达的小行星。它们的估计质量范围从 50 吨到 60 亿吨（对于 (175706) 1996 FG3），因此在大多数情况下，对于早期的采矿任务来说，将整个天体带回来是不切实际的。相反，我们将考察几种采矿任务类型，这些任务类型有不同的难度和时间范围，你将在这些时间范围考虑执行这些任务。
- 开采地球的碎片带
- 返回整个小型 (~500 吨) 近地小行星，
- 从较大天体的表面收集 1000 吨未经加工的表土，
- 现场提取燃料并将整个天体推向地球，以及
- 提取成品材料，只将这些材料返回地球。
这将既是采矿技术的演示，例如捕获不合作的目标，而且也有助于消除地球轨道上的危险。碎片带 是来自意外爆炸和碰撞的报废航天器和航天器碎片的累积。通过将大气采矿用于燃料，以及电力推进，将拥有足够的速度能力，与分散的天体相遇，并将它们送回组装平台进行回收，或者送回一个足够低的轨道，在那里阻力将很快导致它们再入大气层。为了提高效率，将在一趟旅行中收集多个具有相似轨道的物体，并使用几种不同尺寸的收集船。用一艘大型飞船去追赶一个小物体是不高效的。碎片带目前的危险程度大约是自然陨石的十倍，因此清理这些垃圾将大大减少对功能性航天器的危险，对于这些航天器，运营商（或他们的保险公司）应该愿意付费。
一些非功能性航天器只有一个部件故障，或者燃料耗尽，可以重新投入使用。在这种情况下，可以修复它们并重新投入使用。其他可以被拆解用于零件，或者回收它们的材料。任何不可用的东西都会通过再入大气层进行处置。这样的回收和维修业务可以自负盈亏。
目的 - 将整个小型小行星返回地球附近，作为演示，用于科学检查，以及用于对加工方法进行原型设计。
描述 - 卡内基梅隆大学空间研究学院在 2011-2012 年对将整个小型近地小行星返回地球附近进行了详细研究，该小行星直径约为 7 米，质量为 250-1300 吨（参见 小行星回收可行性研究 或 其他来源）。该近地小行星将被一个可充气结构完全包裹起来，然后收紧以进行运输。由于这样一个小型天体引力很小，这种方法将防止其表面任何灰尘和岩石损失。小物体很难从地球上进行表征，这导致了质量估计范围很大。如果提前发送一个小型飞越或轨道飞行器任务，则可以更好地确定质量和其他特征。在进行采矿拖船的详细设计之前，这将很可能需要这样做。
假设 - 对于任何技术研究，所做的假设都会影响结果。主要假设包括
- 起点是近地轨道，目的地是近月轨道，用于返回近地小行星，之后将对其进行科学研究并加工提取材料。该任务在两个方向上都使用了月球引力弹弓辅助。该任务需要总共 9.56 公里/秒的速度，这取决于选定的特定近地小行星，用于设计模型。
- 该任务使用一枚阿特拉斯 V 551 级运载火箭和一艘宇宙飞船一次发射完成。这限制了发射时宇宙飞船的总质量，包括所有推进剂预装。它还限制了太阳能电池板的尺寸，只能从单个有效载荷体积中自动展开。
- 推进系统使用 40 千瓦净功率（寿命结束时，外加 1.2 千瓦用于其他电力需求），估计质量不包括推进剂罐为 1370 公斤，因此功率/质量比为 33.25 公斤/千瓦。电力系统效率为 60%，假设太阳能电池板在从地球辐射带向外行驶时损失 20% 的初始效率。它使用 5 个 10 千瓦离子推进器，排气速度为 30 公里/秒。氙气推进剂的储罐质量分数比推进剂质量高 4.25%。
结果 - 宇宙飞船的总初始质量估计为 14.7 到 18.8 吨，用于返回 250 到 1300 吨，因此提供了 17 到 69 的近地小行星返回质量/宇宙飞船质量比。消耗的燃料从 8.8 到 12.9 吨不等，近地小行星质量/燃料质量比为 28 到 101。该任务设计为一次性返回任务，但如果可以从近地小行星中提取足够的推进剂，范围为其质量的 1% 到 4%，未来的任务可以依靠燃料自给自足。使用 40 千瓦推进动力，总任务时间范围为 4.0 到 10.2 年，具体取决于小行星的质量。近地小行星质量的返回率为每年 62.5 到 127.5 吨。如果需要更高的返回率，则需要更大的太阳能电池板和更高功率的推进器，与质量返回率大致呈线性关系。在某个功率水平下，太阳能电池板会变得过大，需要多艘宇宙飞船。如果用现代电池替换目前的国际空间站阵列尺寸，则功率将达到 300 千瓦，而带有多个阵列和推进器的桁架的实际限制可能为 2 兆瓦。大型阵列将打破一次发射且无需轨道组装的假设。对于比太阳能实际功率水平更高的功率水平，核反应堆将是可能的能源。
目的 - 每次返回最多 1000 吨散装近地小行星表面物质（月壤）到高地球轨道 (HEO) 上的加工厂。
描述 - HEO 的高度从 10 个地球半径（高于辐射带）到地球-月球系统的边界。由于重力随距离平方反比下降，所有 HEO 位置的所需速度都相似，并且接近地球逃逸速度。HEO 位置将每个小行星任务的总往返速度降到最低。假设采矿拖船使用上次任务中提取的一部分推进剂进行重复航行以补充燃料。假设采矿拖船的主要部件，如太阳能电池板和推进器，在加工厂按需维修或更换，以确保拖船正常运行。因此，拖船的设计考虑了轨道组装和加油，这既可以减少从地球发射的初始组件质量，又能实现维护/升级。
假设
- 使用抗辐射太阳能电池板穿过范艾伦辐射带进入高地球轨道。辐射防护使用覆盖在太阳能电池上的盖板玻璃，它可以吸收辐射，防止辐射损坏电池中的活性层。盖板玻璃会增加质量，并通过吸收和反射部分阳光而略微降低效率。从加工厂到近地小行星及其返回的航行中，使用质量更轻、效率更高的电池板。高效率电池板在运送到 HEO 时会折叠起来并受到辐射屏蔽的保护。未受保护的电池板在自身动力下穿过辐射带时会损失 20% 的效率，因此使用加固的电池板进行这项工作会有很大的区别。
- 小型近地小行星返回任务以最小的扰动捕获了整个小型近地小行星，以保护科学研究。此任务假设从较大的近地小行星收集 1000 吨表层岩石和尘埃，以便返回后更容易加工。较大的近地小行星更容易从地球上探测到并确定其属性，从而提供更多任务候选对象。这将通过提供更多选择来稍微降低任务速度，并为以后的任务提供更好的时间安排。
- 使用更高的排气速度节省推进剂，并使用更高的功率缩短航行时间。对于生产性采矿作业，效率和年度交付质量至关重要。假设推进剂为氧气，因为除了金属型近地小行星外，其他类型的近地小行星中都可以大量提取氧气。这使得采矿作业在燃料方面能够自给自足。我们假设 Ad Astra VASIMR 等离子推进器和太阳能电池板的组合质量为 10 公斤/千瓦，排气速度为 50 公里/秒，氧气推进剂储罐质量分数为 10%。 (来源：Ad Astra Rocket Company 使用 VASIMR 进行灵活太空探索的调查，2010 年)。
- 第一次旅行可能会运送较小的货物，例如 200 吨，以减少从地球上所需的初始燃料质量，并使第二次旅行更早开始，以启动燃料生产。这些质量中有一半以上是提取难度不同的氧气，这足以满足以后旅行的满载燃料需求。
计算
- 轨迹
对于一般任务规划，我们从目的地开始反向工作，以找出我们需要从哪里开始。我们假设您可以在两个方向上使用月球引力弹弓来帮助离开和返回地球轨道。此任务不需要返回近地轨道 (LEO)，但某些最终产品将返回。通过高层大气进行的制动可以通过空气制动的方式用于将较小的货物返回 LEO 并节省燃料。有几个详细的轨迹模拟程序可以计算到达已知目的地并返回的精确轨迹。目前，我们不知道我们将要去哪个近地小行星，也不知道什么时候去。事实上，它可能还没有被发现。目前，推进将根据所需的 4 公里/秒的通用推力速度进行计算， outbound 和 1 公里/秒 inbound。
大约 1% 的已知近地小行星具有从 LEO 抵达的理想速度，该速度为 4.5 公里/秒或更低（见上一页）。假设未来发现将保持低速度候选者的比例。在这些候选者中，一部分将具有合适的大小、成分和轨道时间。从 HEO（> 64,000 公里半径）开始，到达月球飞越的所需速度约为 1.2 公里/秒，而到达近地小行星的太阳轨道变化约为 2.8 公里/秒。我们选择一个近地小行星，它将在我们想要从它返回时，与地球进行近距离飞越。这样，我们可以进行相对较小的速度变化，以建立地球或月球引力弹弓，帮助我们返航。由于返程的质量将大得多，因此针对这部分进行优化将减少所需的总推进剂量。返回速度估计为 1 公里/秒。
- 推进剂
一个 200 千瓦的等离子推进器正在研发中，因此，如果我们拥有 5 个这样的推进器，外加一个 1 兆瓦的太阳能电池板，那么估计的硬件质量为 10 吨。等离子推进器具有 50 公里/秒的排气速度，因此，根据火箭方程，我们可以计算出质量比为 1.02，从而在返程中产生 1 公里/秒的速度变化。质量值将分别针对 200 吨和 1000 吨的返回货物给出，并用括号表示，如（200，1000）吨。考虑到末端质量为 (210,1010) 吨（车辆硬件加上返回的月壤），这部分任务的燃料为 (4.24,20.4) 吨。在任务的出程中，我们假设需要 4 公里/秒。因此，质量比为 1.083，相对于 10 吨的空车质量，外加 (4.24,20.4) 吨的返程燃料，因此这部分需要 (1.19,2.5) 吨的燃料。因此，总共需要的燃料为 (5.43, 22.9) 吨。
总的返回率是 200 或 1000 吨的月壤对 5.43 或 22.9 吨的燃料，即 37 到 43:1。只要我们能够从月壤中提取出合理的比例的有效产品，这是一个非常有吸引力的比例。特别是，如果我们能够提取至少 23 吨氧气，即第一次旅行中返回质量的 11.5%，那么以后的全部采矿任务就能在燃料方面实现自给自足，并且采矿车辆使用寿命内的返回率会大幅提升。如果车辆能够在主要硬件更换之前进行 5 到 10 次旅行，那么在使用燃料后的净返回质量将为 4100 到 9000 吨，而发射质量为 15.5 吨，总的返回率为 264 到 580。
上面的特定数字会根据您选择哪个近地小行星，以及使用哪个开始和结束日期来确定任务而发生变化。目前，已知的近地小行星数量每年增长 10%，预计随着更大望远镜投入使用，这一增长速度将加快，因此随着时间的推移，我们有更多选择。近地小行星始终在其各自的轨道上移动，因此它们与地球的距离不断变化，从而也影响任务路径。每个推进器每天使用 9.85 公斤燃料。5 个推进器以全功率运行时，每天消耗 49.25 公斤燃料。根据总燃料使用量，我们可以计算出发动机运行时间为 110 天和 465 天，总行程时间将是这个数字加上由于轨道位置而需要的任何滑行时间，以及在近地小行星上进行采矿的时间。粗略估计，我们允许 200 天的滑行时间和 100 天的采矿时间，因此总行程时间为 1.125 到 2.1 年。
最初假设返回 1000 吨并不是一个固定要求。在合理的范围内，这个数字可以更大或更小，只要采矿船的主要部件能够线性缩放。等离子推进器在较低功率水平下的效率并不高，因此，当功率水平低于约 80 千瓦时，使用离子推进器将更有意义。为了确保可靠性，应在推进所需的推进器数量基础上增加一到两个备用推进器。大型太阳能电池板由于其自身的结构，包含足够多的重复部件，因此具有可靠性。
目的 - 将整个大型近地小行星返回地球轨道，以便以后进行采矿。这将是第二代采矿，需要大量的市场和基础设施。
描述 - 我们将以2011 AG5 为例，这是一个预计在 2040 年经过地球 300,000 公里以内的近地小行星。目标是足够改变其轨道，以便在 2040 年进行引力飞越，为以后捕获到地球-月球系统做好准备。一旦捕获，它将被开采用于提取材料。考虑到估计质量为 400 万吨，使用太阳能电池板的电力推进器似乎不可行。有几种方法可以实现：
- 使用强大的核反应堆或太阳聚光热电发电机为更大的等离子推进器提供动力。燃料来自小行星本身，这需要在现场建立一个提取工厂。如此大规模的作业可能需要在小行星上建立一个居住区和人员，以进行操作和控制。对于 500 米/秒的推力变化，需要 40,000 吨燃料。如果我们允许 5 年时间完成速度变化，那么每年需要 8,000 吨燃料。
- 在 NEO 周围放置一个容器，以防止材料丢失，添加或建造一个由小行星材料制成的推板/减震器装置，并使用一个或多个小型核装置来改变速度。将小行星速度改变 500 米/秒所需的能量为 125 千焦/千克，因此总能量需求为 500 太焦耳。这相当于 120 千吨 TNT 的能量，加上一个效率因子。如果推板在捕获爆炸能量方面效率为 25%，则需要 500 千吨装置，这些装置应根据减震器和容器的强度进行划分。核装置的使用存在明显的危险，任何小行星材料的返回也存在危险，因为当物体接近地球时的撞击能量是其质量的 15 倍的 TNT。
目的 - 在 NEO 上建立一个加工厂，只返回成品，而不是散装的岩屑。
描述 - 最终用户离地球越远，从附近的小行星加工 NEO 材料就越有意义，而不是先返回地球轨道，然后再发送到最终位置。对于多个目的地，这意味着多个加工厂，因此它们需要比位于地球附近的中心化工厂更小、更高效。
(本节为初步内容)
小行星通常是旋转的。因此，采矿的概念是进入天体周围的同步轨道，并使用某种方法，例如在电缆上向下发送铲斗，将材料向上运送到拖船。这避免了试图降落在移动目标上的问题，以及满载拖船的相对较低的推力与质量比，这可能难以从一个小行星上起飞。另一个避免着陆的原因是由于处于小行星的夜侧而导致电力损失。理论上，降落在小行星的极点可以简化移动目标问题，但会限制采矿地点的选择。
足够小的物体不会有太大的旋转速度，但如果着陆，则会面临保持连接的问题。我们目前还不知道表面粘合力，无法设计锚定系统。可能需要在整个物体周围运行电缆才能保持固定。