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）尚处于开发阶段，无法为此专门设立完整的章节。目前，我们将把关于这些阶段的早期想法集中在这个地方，以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，以及围绕太阳的距离为 1.8 AU 的内行星际区域（第 4C 阶段）。这些内容之前在本书的第 4.5 至 4.7 节中有所描述。这三个区域是距离地球最近、最容易到达的区域，因此我们预计它们将率先开始开发。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 - 主带和小行星群；第 4E 阶段 - 外太阳系行星际；以及第 4F 阶段 - 散布带、希尔德云和小行星群。这些阶段将在更远的未来实现，因此我们的概念对它们的开发程度较低。

第 4D 阶段 - 主带和小行星群开发

第一个已知的小行星，1 Ceres，恰好是在 19 世纪的第一天——1801 年 1 月 1 日被发现。在那个世纪，又发现了 462 颗小行星，到 1951 年，总数已达到 2,158 颗。从那时起，更大口径的望远镜、电子传感器和自动分析极大地增加了已知的数量。到 1995 年，数量达到 28,000 颗，到 2005 年达到 280,000 颗，到 2017 年达到 750,000 颗，并且仍在迅速增加（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小行星带 的区域。现在我们知道小行星存在于整个太阳系，从水星轨道内部到远超海王星的区域都有。从数量上看，大多数小行星仍然位于主带，但这可能是观测偏差。离太阳越远的小行星越暗淡，因此我们往往只发现较大的小行星。离太阳越近的小行星，由于太阳本身的干扰，以及我们看到的是它们未被照亮的一面，所以很难看到它们。

尽管小行星在整个太阳系中都存在，但出于项目目的，我们根据它们到太阳的距离将它们分为四个区域，每个区域都有一个独立的阶段。这是由于太阳能通量、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不同设计。主带和小行星群区域的开发是第 4C 阶段内行星际区域工作的延伸，因为该区域更靠近地球，因此开发也更早。这两个区域都有轨道偏心率范围很广的天体（图 4.n-2）。因此，每个天体到太阳的距离都有所不同，而且整体轨道相互重叠，这使得区域边界变得模糊。我们为该区域设定了一个内界限，位于火星之外，半长轴为 1.8 AU，在这里主带小行星的密度明显增加，外界限为 5.4 AU，在这里木星特洛伊小行星群的密度下降。这是一个任意选择，但它包含了大量数量较小、环境相似的天体。因此，我们可以为整个区域开发一套共享的设计。

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 AU 之间，它们的密度最高。它还包括希尔德小行星群，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 AU。最后一个主要群体是木星特洛伊小行星，它们占据了木星前后的拉格朗日点。它们与木星具有相同的平均距离，在 5.2 ± 0.15 AU 的范围内。该区域中只有一小部分人口不属于这些主要群体。该区域不包括木星本身及其周围 2000 万公里内的轨道（见第 5D 阶段，下文）。

在历史上，小行星和彗星被认为是不同类别的天体。我们现在知道，有些天体实际上是曾经的彗星，它们已经失去了大部分挥发物，现在看起来像小行星。有些被识别为小行星的天体仍在释放蒸汽，其中最突出的例子是最大的天体谷神星。因此，合理地将该区域中的所有小型天体视为一类，它们具有不同的成分和太阳距离。我们将使用“小行星”来指代所有这些天体，因为它们的数量远远超过其他天体。传统上称为短周期彗星的物体，它们的半长轴在 1.8 到 5.4 之间，被纳入我们的“小行星”类别，但它们只占总人口的 0.1%。

小行星的大小范围从直径 945 公里的 1 Ceres（现在被认为是矮行星）到行星际尘埃（亚毫米级）不等。尘埃成分的寿命很短，在该区域的总质量中所占比例很小。大约每秒 100 万吨的太阳风粒子以高速穿过该区域，但流量非常稀疏，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，相当于地球目前总开采产量的 1600 万年。所有这些资源都可供有决心进行开采的人使用，因为小行星上的低重力造成了低地下岩石压力。总质量的大约一半集中在四个最大的天体中：1 Ceres、4 Vesta、2 Pallas 和 10 Hygeia。

小行星的成分差异很大，这是由于它们形成和历史的差异（DeMeo, 2015）。通过光谱观测和陨石检查（其中许多是掉落的小行星碎片），我们可以识别出许多成分组。然而，只有少数小行星被航天器访问过，因此在大多数情况下，它们的成分细节还有待进一步验证。

从最大的天体谷神星到达轨道的速度只有 270 米/秒，或比从地球到达轨道的动能低 860 倍。因此，一旦您靠近这些小行星，就可以很容易地将它们上的物质运出。主要的能量成本是改变绕太阳的轨道以到达它们。除小行星周围和上面的阴影区域外，该区域始终有太阳能可用。强度是地球附近强度的 31% 到 3.4%。对于黑色物体，环境温度在 244 到 217K（-29 到 -56C）之间，而对于颜色较浅的物体，温度更低。从地球到该区域的旅行时间通常需要数年才能使用最节能的轨迹，对于没有保护的人来说，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，因此大多数用途都将在未来实现。丰富的多种成分的原材料，以及集中后充足的能量，将使采矿成为早期活动。最初，材料将被运送到之前开发的区域，这些区域更加发达，拥有更高的太阳强度，可用于进一步加工。当条件允许时，种子工厂可以帮助启动当地的一系列产业，并最终实现大规模居住。该区域拥有足够的原材料和能源来支持一个完整的文明。

该区域最大的天体是矮行星1 Ceres。赤道轨道速度为 359 米/秒，赤道自转速度为 94 米/秒。因此，要到达轨道，需要 265 米/秒的净速度。这个速度可以通过一个轻钢离心机实现，而且可以轻松地通过任何先进材料实现。因此，从任何其他主带小行星（比谷神星更小）上的大量物质发射都不需要任何火箭推进。谷神星的 1-g 天钩半径将为 7 公里，允许宇航员和设备在低加速度下着陆和起飞，并且维持轨道的反应质量成本为净质量流量的 0.5%。因此，任何小行星的表面访问都不应有困难。对于较小的天体，操作更接近于零重力对接，而不是从轨道上着陆。

对于较小的天体，留在表面会比起降更困难。例如，按直径排名第35大的小行星是 **9 智神星**，它的赤道半径为 170 公里，质量为 1.47 × 10¹⁹ 公斤。这使得它的表面重力为 0.034 米/秒²（地球的 0.34%）。自转周期为 5.08 小时，这使得自转速度为 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，人类或低速机器可以将物体抛入轨道，并且需要牢固的锚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提高光强度。集光反射器可以在所有距离产生高温，用于工业过程或加热栖息地。随着你离太阳越来越远，需要的反射器数量也越来越多，但在零重力环境下没有天气，反射器本身的质量很低。请注意，该区域的总太阳能可用量与内行星际区域的总太阳能可用量一样多，与太阳的总输出功率相同，即 3.83 × 10²⁶ 瓦。它是相同的总太阳能通量，只是随着距离的增加而变得更加分散。不同的是，主带和特洛伊群区域可利用的原材料比内部区域多。

小行星通常覆盖着不同大小的岩石和尘埃混合物。这是它们一生中反复撞击以及对松散轨道物质的引力吸引的结果。事实上，一些小行星的密度非常低，它们一定是“砾石堆”，没有坚固的中心体。松散的物质使表面开采变得容易，但与此同时，大多数小行星都很小。岩石和尘埃很容易被扰动，并可能成为开采和生产作业的危害。因此，必须注意如何小心地移除材料，而不造成太大的扰动。然后，它们被拖船运送到其他地方，或者运送到附近的加工厂，远离任何产生的尘埃云。对于大型作业，可以围绕整个小行星建造一个充气或组装的外壳，以将尘埃控制在内部。然后，加工设备可以连接到外壳外部，材料可以持续供应，直到小行星被消耗殆尽。由于尘埃和碎片被控制在内部，可以使用更强力的开采方法。由于小行星的大小和类型相似，开采和加工方法应该在更早的内行星际区域开发出来。唯一不同的是，主带和特洛伊群区域中一些天体的尺寸更大，它们的重力足以在设计中发挥作用。

居住

该区域的栖息地可以从先前区域的未修改设计开始，除了增加反射器以提高功率并保持温暖。早期的单位可以从内部区域完整地交付，并随着时间的推移逐渐移动到该区域。由于可以持续获得附近小行星的供应，因此无需一次性交付所有单位。一旦在理想的位置就位，例如围绕谷神星运行，早期栖息地可以通过制造和组装更大的栖息地的结构部件来扩展，然后是一系列尺寸不断增大的外壳。谷神星位于主带最稠密的区域的中心，因此，前往附近成分不同的天体的供应旅行将相对容易。这使其成为开始该区域大规模发展的理想候选地。

运输

该区域可以使用与内行星际区域相同的运输方法。主要区别在于为太阳能电池板添加反射器，或为热能发电单元添加更大的反射器，以弥补较低的太阳辐射强度。离心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将货物送上轨道。

服务

该区域的第一项服务功能将是通信、科学探索和勘探，以详细确定可利用资源的位置和定义。其他服务将在以后确定。

第4E阶段 - 外行星际开发

外行星际区域是在内行星际区域（第4C阶段）和主带与特洛伊群区域（第4D阶段）之后开始开发的第三个此类区域。它是下一个物理距离，涵盖半长轴从 5.4 到 50 个天文单位的轨道。它不包括土星、天王星和海王星的主要行星，它们卫星，以及围绕每个行星的轨道区域，这些区域被分配到第 5E 阶段。截至 2017 年，只有少数航天器到达了该区域，其中大部分是针对主要行星和冥王星的，因此它在很大程度上是未经探索的。我们迄今为止的大部分信息来自地球上或地球附近的观测结果。

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，已知人口已增长到 **半人马** 类（图 4.n-3）中的大约 275 个，以及 **柯伊伯带** 类（图 4.n-4）中的近 1800 个。半人马的轨道在四颗气态巨行星（包括木星）的轨道之间或穿过这些轨道。这往往使它们的轨道不稳定，持续时间很短。海王星外类整体上大部分或全部时间都比海王星更远，因此它们的轨道更稳定。海王星外类内部，即 30-50 个天文单位的大量天体，被称为柯伊伯带。该区域还有大约 20 个已知的 **特洛伊** 天体，它们的轨道与外层气态巨行星（主要是海王星）相关联，以及大约 240 个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，形成具有不同轨道和成分的连续范围的天体。彗星的特征是它们有时会足够靠近太阳，从而主动地失去气体和尘埃。从历史上看，这使得它们很容易被发现。但在其他时候，它们像小行星一样不活跃，它们保持更一致的距离。目前的天文望远镜难以找到该区域中直径小于 10 公里的不活跃天体，因此我们的统计是不完整的，并且还在不断增长。

该区域已知的天体中，大约有六个（冥王星、妊神星、鸟神星、厄里斯、夸奥尔和瓦尔达）足够大，可以被认为是矮行星，估计大约 675 个天体的直径大于 100 公里。该区域的总质量估计为 240-600 × 10¹⁸ 吨（地球的 4-10%），这是一个非常大的总可用材料量。除了最大天体的更深处之外，理论上大多数材料都可以获取。由于重力和密度普遍较低，地下压力对开采作业来说不会太高，内部温度可能不会太高，不会成为问题。半人马的成分很可能是混合的。由于它们的轨道不稳定，它们最初来自其他地方，在那里形成条件不同。在其中几个天体上检测到了水冰和碳化合物。

整个木星外区域都在 **霜线** 之外，霜线是原始太阳星云中水冰可以凝结的距离。因此，该区域普遍存在水，而其他冰，如甲烷、氨和氮，则存在于外部区域，那里当地的温度足够低，可以使它们也凝结。由于太阳系的形成，不透明的太阳星云已经散去，太阳逐渐变亮，在给定距离处的温度也逐渐升高。因此，最初稳定的表面物质已经蒸发。它们可以存活到现在的物体内部。自形成以来轨道的变化也会影响这些物体中剩余的东西。较大的天体在形成过程中经历了撞击加热，并在之后经历了放射性加热。这导致它们按密度分层。名义上，这将是金属和岩石物质在中心，冰物质在表面。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层。由于很少有这些天体被近距离探索，我们目前只能笼统地说。需要进行更多探索和勘探，才能开始利用来自该区域的材料，并开始当地开发。

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部的最低速度接近太阳系逃逸速度，或 12 公里/秒。这种轨道需要 60 多年，因此使用更多能量的更快运输方式是可取的。那么使用该区域的主要能源成本就是首先到达那里。需要引力辅助和先进的推进系统才能在合理的时间内访问该区域，或者需要很多耐心。

可利用的总太阳能与前两个区域相同，即太阳的总输出。但是，单位面积的强度很低，只有地球轨道值的 3.4% 到 0.04%。这将需要大型反射器来提高强度，或者使用核能或其他能源。环境温度非常低，黑色物体的温度从 217 到 70K 不等，浅色物体的温度更低。从地球到该区域的旅行时间通常为数年。不受保护的辐射水平很高，偶尔会对人类造成致命伤害，并会在长时间内对设备造成损害。往返通信时间在直接路径上为 1.2 到 13.6 小时，如果需要中继来避免太阳，则通信时间略长。

开发项目

该区域可能距离太远，无法用现有的技术进行太多科学探索。当文明扩展到前几个区域，并且拥有更好的技术后，该区域的首要用途可能是开采大量的原材料。这些材料将被运回内部区域，那里有更高的能量密度，可以用来加工它们并用于其他活动。低温和密度分类的组合使各种冰成为最早可获得的资源。该区域的利用还很遥远，技术可能会在不可预见的方向上取得巨大的进步。因此，我们提出的任何关于该区域的概念都应被视为非常初步，并且很可能发生变化。

生产

在技术大幅提升之前，我们预计该区域不会进行大量生产，除了采矿。像水和氮气这样的冰对人类非常有用，而且在该区域大量存在。因此，一旦需求足够，采矿和运输到内部区域就成为可能。运输速度会很慢，需要数年时间，因此有动力建立一个运输“管道”，在两端设置车辆，将货物运送到轨道并最终收集。货物可以在运输过程中无人看管，节省车辆时间。一旦管道装满，货物就会按固定时间表到达。如果核聚变技术得到很好的发展，可能会形成以核聚变为基础的经济，实现全面生产和居住。我们没有看到住在这么远的地方的强烈理由，而不是留在温暖明亮的内部区域，但这样的理由可能会出现。

对柯伊伯带和更远区域来说，一个挑战是如何提供足够的太阳能来运营。地球上的文明大约消耗 2.7 千瓦/人，我们预计太空地点的需求会更高，这既是因为更高的生活水平，也是因为需要人工完成地球上自然过程完成的任务。让我们假设需要 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，我们允许每个人最多拥有 31.25 平方公里的反射器。要获得 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，所以我们需要 44 平方米。由于我们允许的面积是这个面积的 711,500 倍，并且太阳能通量随着距离的平方反比下降，因此我们可以提供到 843.5 天文单位的足够太阳能，这是一个非常大的距离。超出这个距离，操作将局限于低功率情况，或者需要其他能源，例如核能或能量束。

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利用大型天体的引力助推将成为主要的移动方式。如果核聚变技术还没有得到充分发展，裂变将是唯一可用的核能源。地球和月球上已知存在有限的合适放射性元素供应。为了补充它们，可以在太阳附近生产人工放射性元素，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很好的发展，该区域存在丰富的氢，可以从中提取聚变燃料。随着距离太阳的增加，轨道速度以及所需的轨道速度变化也随之降低，下降幅度与距离的平方根成正比。太阳能通量下降得更快，与距离的平方成反比。因此，与更靠近的区域相比，太阳帆作为一种运输方式的效力会降低。

服务

[待定]

概念细节

我们注意到136108 妊神星的一些特点，它是该区域外围的一个大型天体。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。然而，较短的自转周期（3.9155 小时）意味着它不是圆形的，而是椭球形的，长轴约为短轴的两倍。长端处的圆形轨道速度约为 527 米/秒，而顶端本身的自转速度约为 428 米/秒。因此，只需要大约 99 米/秒的速度变化就可以降落或起飞，这是太阳系中大型天体中最低的速度变化之一。如果妊神星保留了某种大气层，它可能会形成一个围绕短轴的环形结构。重力也会从长端到短端发生明显变化。

阶段 4F - 散射盘、希尔星云和奥尔特云发展

柯伊伯带之外的广阔空间是开始开发的第四个也是最后一个行星际区域。它包括半长轴从 50 天文单位到太阳引力支配范围的极限的轨道，我们将其设定为 100,000 天文单位。尽管它涵盖了巨大的距离范围，但从地球测量时，它在能量上只是很小的一部分，占达到太阳逃逸速度的最后 2%。截至 2017 年，只有四艘航天器在完成靠近太阳的初级任务后进入了该区域，第五艘将在几年内进入。因此，我们几乎所有信息都来自地球上和地球附近的观测结果。

区域特征

长周期 和 近抛物线 彗星，它们的轨道大到足以被计入该区域，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。当接近太阳时，活跃的彗星很容易被看到。它们在加热时会释放大量气体和尘埃，形成彗发和彗尾，可以延伸数百万公里。当远离太阳时，它们很冷、很暗、很惰性，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 - 主星体的直径约为 350 公里，卫星的直径为 160 公里。

该区域中已知的天体数量（截至 2017 年底）包括 100 颗长周期彗星和 420 颗近抛物线彗星，以及 440 颗散射盘天体，它们的轨道完全位于海王星之外，因此相对稳定。它们的名字源于被主要行星从太阳星云中更靠近的轨道上散射出去，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。这将它们置于希尔星云中，其轨道的远日点范围为 2000 到 10,000 天文单位。据推测，这是一个巨大的天体库，被太阳形成时星团中经过的恒星散射到更远的地方，并受其限制。再往外就是奥尔特云，它在半长轴上延伸到 100,000 天文单位。我们有间接证据表明最外层区域存在大量天体，这是基于已知近抛物线彗星的轨道。奥尔特云天体距离太阳足够远，会受到银河潮汐以及经过的恒星和巨大的气体云的影响。这些力量有时会将它们送往靠近太阳的地方，我们看到它们成为活跃的彗星。

我们目前探测所有这些遥远天体的能力仅限于目前距离太阳约 80 天文单位的较大的天体。因此，我们在过去 20 年的发现来自该区域中近日点距离小于 80 天文单位的天体，并且碰巧接近那个最小距离。由于轨道速度在更大距离处更低，那些具有高度椭圆轨道的物体大部分时间都太遥远而无法看到。那些具有更圆形轨道并且始终保持在距离太阳 80 天文单位以上的物体，今天根本无法找到，大多数直径小于 15 公里的物体也无法找到。因此，我们预计随着仪器技术的进步，将在该区域发现更多倍的天体。

目前，该区域的总质量知之甚少，但估计是地球的4-80倍，这是一个巨大的物质储备。这包括一个怀疑存在但尚未发现的第九颗行星，其质量可能与海王星相当（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观测，因此即使我们无法直接观察该区域的大部分物质，我们也能对该区域的成分有一个合理的了解。该区域最有可能由水、其他冰、复杂的碳化合物和一些较重的矿物颗粒混合而成。大约4%的物质起源于太阳星云的内部区域，因此它们比挥发性化合物更岩石或金属。该区域的太阳能非常微弱，低于地球附近的0.04%，环境温度低于70K，降至接近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。这些因素再加上到达该区域所需的轨道能量，使得到达和开发该区域变得困难，尽管那里可能存在大量物质。

开发项目

我们对该区域天体的了解不足以制定详细的计划，而且它们距离太远，无法用现有的技术到达。因此，除了科学和探索之外的任何活动都将推迟到未来，待需求增加和技术进步之时。然而，当那一天到来时，我们将拥有来自该区域的极其巨大的物质储备，可以用来开发利用。

生产

我们在第4E阶段的生产部分中表明，即使距离太阳1000天文单位，也能够获得足够的太阳能来维持生产和居住。在更远的地方，可能需要核能或束能源。目前，除了材料开采之外的生产仍处于推测阶段。

居住

[待定]

运输

为了将前往该区域的运输时间缩短到合理水平，需要使用极高能量的推进系统，例如核聚变。由于该区域外围普遍存在聚变所需的轻元素，因此一旦建立起来，便可以自给自足。不幸的是，聚变技术尚未成熟，因此利用聚变进行运输目前仍处于推测阶段。

服务

[待定]