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第1章 小行星小传：我们从二十多年的太空探索中学到了什么1

1.1 引言1

1.2 二十多年小行星探索得到的科学成果2

1.2.1 与小行星的第一次相会：“伽利略”号宇宙飞船探测Gaspra2

1.2.2 小行星确实有卫星：“伽利略”号宇宙飞船探测IDA4

1.2.3 第一个C型小行星：NEAR探测Mathilde6

1.2.4 第一次遇到近地小行星：“深空”1号探测Braille8

1.2.5 第一个环绕小行星公转的使命：NEAR探测Eros8

1.2.6 取得重要科学成果的工程测试：“星尘号”宇宙飞船探测Annefrank10

1.2.7 第一个采样并返回的任务：“隼鸟”号宇宙飞船探测Itokawa11

1.2.8 第一个E型小行星：“罗塞塔”号宇宙飞船探测Steins12

1.2.9 第一次访问完整的小行星：“罗塞塔”号宇宙飞船探测Lutetia14

1.2.10 第一次造访原行星：“曙光”号宇宙飞船探测灶神星Vesta16

1.2.11 中国的第一次空间任务：“嫦娥”2号探测Toutatis18

1.3 小行星空间探测的未来18

1.4 总结18

参考文献19

第2章 太阳系内的特洛伊小行星30

参考文献37

第3章 内行星小天体的轨道和动力学特性38

3.1 引言38

3.2 小行星轨道元素和命名39

3.2.1 命名39

3.2.2 轨道要素39

3.3 轨道共振41

3.4 热现象（Yarkovsky与YORP效应）42

3.5 近地小行星44

3.5.1 Aten小行星44

3.5.2 Apollo小行星44

3.5.3 Amor小行星45

3.5.4 共地球轨道的小行星（ECOAs）46

3.5.5 自然地球卫星（NESs）48

3.6 内地天体（IEOs）48

3.7 近地小行星的长期动力学50

3.8 近地小行星的起源53

3.8.1 ？6共振55

3.8.2 3/1共振55

3.8.3 5/2共振55

3.8.4 2/1共振56

3.8.5 扩散共振56

3.8.6 来自近地小行星的小行星家族57

3.8.7 彗星的贡献57

3.8.8 逆行轨道的近地小行星的形成58

3.9 跨火星轨道的小行星58

3.9.1 匈牙利小行星61

致谢61

参考文献62

第4章 勘探小行星资源67

4.1 引言67

4.2 勘探综述68

4.2.1 探测范围问题69

4.2.2 有多少含矿的近地天体70

4.3 小行星矿藏72

4.3.1 天文以及商业准确性72

4.3.2 构成：资源集中度73

4.3.3 从光谱诊断矿物74

4.3.4 利用光谱探查水资源75

4.3.5 太空风化75

4.3.6 小行星和陨石的直接比较76

4.4 近地天体（NEOs）76

4.4.1 近地天体的类型77

4.4.2 近地小行星数量78

4.4.3 近地天体的辐射光线78

4.4.4 近地天体的大小和质量80

4.4.5 近地天体轨道81

4.5 近地天体的发现82

4.5.1 近地天体基于地面的光学观测83

4.5.2 近地天体基于空间的观测86

4.6 远程望远镜的特性描述88

4.6.1 光度学89

4.6.2 光学近红外光谱91

4.6.3 基于地面的热红外光度学和光谱学93

4.6.4 其他特性描述技术93

4.6.5 基于空间的特性描述95

4.7 局部特征96

4.7.1 小行星的任务96

4.7.2 检测97

4.7.3 多个小任务的需求98

4.8 实现99

4.8.1 成本100

4.8.2 耗时101

4.8.3 研究101

4.9 总结与结论102

致谢102

参考文献103

第5章 用于目标选择和任务规划的小行星模型109

5.1 引言109

5.2 小行星建模110

5.2.1 模型的精确参数110

5.2.2 推论特性：组成和结构110

5.3 建模数据源111

5.3.1 光度测量113

5.3.2 雷达测量115

5.3.3 自适应光学图像和其他116

5.3.4 干涉测量117

5.3.5 热红外测量119

5.3.6 恒星掩星测量119

5.4 特殊目标和数据120

5.4.1 双星120

5.4.2 复杂自转120

5.4.3 飞越121

5.4.4 小行星断层造影121

5.5 结论与讨论122

致谢123

参考文献123

第6章 小行星资源开发的第一步：利用被地球捕获的天然卫星126

6.1 引言126

6.2 预测地球的暂时捕获自然卫星的星群特征128

6.3 跟踪被地球暂时捕获的自然卫星130

6.3.1 可检测性130

6.3.2 未来的位置可预测性133

6.4 针对被地球暂时捕获的自然卫星的航天任务133

6.4.1 低推力推进转移135

6.4.2 轨道转移模拟135

6.4.3 其他技术难题137

6.5 结论138

致谢138

参考文献138

第7章 载人探测近地小行星任务分析140

7.1 引言140

7.1.1 小行星带来的威胁与机遇141

7.1.2 探测活动时间表142

7.2 任务定义143

7.2.1 任务描述144

7.2.2 任务目标145

7.2.3 顶层需求145

7.3 挑战与风险146

7.3.1 深空任务操作146

7.3.2 深空（电离）辐射146

7.3.3 小行星环境147

7.3.4 接近小行星与位置保持147

7.3.5 小行星采矿148

7.3.6 来自近地小行星的污染148

7.4 选择小行星149

7.4.1 合适的小行星149

7.4.2 近地小行星目标识别150

7.5 系统性分析153

7.5.1 任务设定与约束153

7.5.2 资产识别153

7.5.3 顶层折中154

7.5.4 识别关键技术158

7.5.5 货运返回飞船159

7.5.6 载人任务161

致谢162

参考文献162

第8章 不受重力约束的移动机器人设计164

8.1 引言164

8.2 微重力下的运动164

8.2.1 滚动和弹跳运动165

8.2.2 爬行和攀登运动166

8.2.3 无足爬行166

8.2.4 可应用的黏附技术166

8.2.5 夹持器终端操纵装置167

8.3 常规假设169

8.3.1 动态模型169

8.3.2 接触面的动力学170

8.3.3 运动控制172

8.3.4 零力矩点和系统的动量172

8.4 广义控制算法173

8.5 存在的问题174

8.6 总结175

参考文献176

第9章 仿生着陆方法及其在地外天体探测中的潜在应用180

9.1 引言180

9.2 应用于航天器着陆的仿生光学流量传感器184

9.2.1 自主月球登陆策略184

9.2.2 着陆器的动态建模和光流方程186

9.2.3 基于光流的飞船着陆器187

9.2.4 为速度方向估计与控制测量OF的ω90和ω135190

9.3 基于VMS的OF测量获得板载ReSSAC192

9.3.1 仿生光流处理192

9.3.2 低速视觉运动传感器的演示192

9.3.3 视觉动作传感器（VMS）的特征194

9.3.4 自由飞行的结果与机载视觉运动传感器195

9.4 结论197

致谢197

参考文献197

第10章 采矿机器人能源系统选择202

10.1 引言202

10.2 环境因素203

10.3 相关能源系统元素概述205

10.3.1 太阳能利用206

10.3.2 核电系统技术208

10.3.3 （电）化工电力系统技术210

10.3.4 物理动力系统技术214

10.3.5 原始推进剂生产214

10.4 动力系统选择215

10.4.1 采矿机器人任务概述和运行215

10.4.2 能源系统概括216

10.5 结论217

参考文献218

第11章 从颗粒物理角度研究碎石堆近地小行星220

11.1 引言220

11.2 抵制施加的力：力链221

11.3 固态—流态转化223

11.4 颗粒态气体224

11.5 仿真技术225

11.6 粒子属性226

11.7 在碎石堆类型小行星上操作227

11.8 结论229

参考文献229

第12章 小行星：用于支持科学、探索、原位资源利用的锚定和样本采集方法234

12.1 引言234

12.1.1 近地天体的类型235

12.1.2 从近地天体取样的原因235

12.2 过去的任务236

12.2.1 近地小行星会合（NEAR）“鞋匠”号探测器238

12.2.2 “隼鸟”号239

12.3 当前和未来的任务240

12.3.1 罗塞塔240

12.3.2 源光谱释义资源安全风化层辨认探测器241

12.3.3 “隼鸟”2号242

12.4 小行星表面环境243

12.5 小行星锚定的概念245

12.5.1 坚硬岩石的钻进247

12.5.2 硬石锤钉248

12.5.3 流体锚249

12.5.4 自我对立系统249

12.5.5 自我对立钻（Cadtrak工程的低重力锚固系统）250

12.5.6 自我对抗多模式锚（蜜蜂机器人公司的支撑锚）252

12.5.7 自我对立尖端（JPL的微型脊柱锚）254

12.5.8 磁锚定256

12.5.9 包络257

12.6 小天体的取样和挖掘途径258

12.6.1 “隼鸟”259

12.6.2 罗塞塔260

12.6.3 样本采集和传输机构（STAM）钻261

12.6.4 一触就走的表面采样器263

12.6.5 刷轮采样器265

12.6.6 采样返回探测器266

12.6.7 鱼叉式采样器266

12.6.8 气动方法267

12.6.9 可移动的原地水提取机271

12.6.10 冲击和振动系统273

12.6.11 表皮土高级表面系统操作机器人（RASSOR）274

12.7 总结275

参考文献276

第13章 用于小行星风化层开采的闭式循环气动技术280

13.1 引言280

13.2 采矿对经济发展的推动281

13.3 小行星采矿的人为方式282

13.4 气动输送原理283

13.5 吸取机制284

13.6 闭环气动输送系统286

13.7 创造地下“大气”287

13.8 一套试验性的气动风化层采矿系统288

13.9 振动压缩288

13.10 气动土壤提取器的安装290

13.11 开采喷嘴设计的性能291

13.11.1 洞穴形成的几何尺度292

13.11.2 产量比较292

13.12 结论293

致谢294

参考文献294

第14章 提取小行星物质构造机器人296

14.1 引言296

14.2 近地天体群297

14.3 需求定义298

14.4 系统299

14.4.1 系统供电和输电299

14.4.2 切割系统299

14.4.3 等离子体切割机制300

14.4.4 混合激波针切割系统300

14.4.5 缩短激波针切割喷嘴301

14.4.6 集成交会—锚定机动系统301

14.5 辅助系统302

14.5.1 主动横梁动力学302

14.5.2 传感系统302

14.5.3 推力燃料箱302

14.5.4 机械臂运作302

14.5.5 命令和控制302

14.6 样品返回地球轨道303

14.7 质量估算303

14.8 成本估算304

14.9 ΔV的考虑因素305

14.10 相关飞行任务305

14.11 结论306

致谢306

参考文献306

第15章 小行星中建筑物复合材料的固化308

15.1 小行星建筑业308

15.2 小行星的空间环境条件310

15.3 真空中的固化反应314

15.4 宇宙射线和太阳风的影响317

15.5 小行星上的建筑业323

致谢324

参考文献324

第16章 小行星采矿飞行器构架328

16.1 引言328

16.2 小行星上操作的挑战330

16.3 飞行器结构331

16.4 一个可部署概念332

16.4.1 四面体采矿器333

16.5 总结336

致谢336

参考文献336

第17章 勘探轨道偏转、采矿与居住338

17.1 引言338

17.2 近地小行星339

17.2.1 背景介绍339

17.2.2 物理性质和矿物学339

17.2.3 小行星分类340

17.2.4 小行星群341

17.2.5 近地小行星群341

17.2.6 近地小行星的可达性与可能的探测目标343

17.3 近地小行星的机器人探测343

17.3.1 已完成的探测任务344

17.3.2 未来的小行星探测任务345

17.3.3 NEA勘探与采矿的概念任务345

17.4 轨道机动346

17.4.1 机动类型346

17.4.2 借力飞行346

17.4.3 未来的推进系统347

17.4.4 应用举例：小行星2008 EV5347

17.5 小行星太空拖船349

17.6 开采和加工处理350

17.7 小行星殖民地352

17.7.1 小行星殖民地原型：2008 EV5352

17.8 未来展望354

致谢354

参考文献354

第18章 地球附近可利用的小行星资源357

18.1 引言357

18.2 小行星运输的能量成本359

18.3 可利用的资源362

18.3.1 NEO轨道和大小分布363

18.3.2 可获得资源的质量364

18.4 小行星资源地图365

18.5 讨论367

18.5.1 可利用的资源368

18.6 总结371

致谢371

参考文献371

第19章 捕获小行星374

19.1 引言374

19.2 概念374

19.3 如何推动小行星375

19.4 机械火箭377

19.5 捕获小行星的益处378

19.6 结论380

参考文献381

第20章 改变小行星轨迹382

20.1 引言382

20.2 动力学影响382

20.3 核弹对小行星偏转的影响383

20.4 小行星运动和变轨理论383

20.4.1 近地真空空间的轨迹计算方程383

20.4.2 通过航天设备碰撞改变小行星的轨迹384

20.4.3 通过位于小行星表面的常规炸药板改变轨迹384

20.4.4 小行星表面的核站爆炸385

20.4.5 小行星轨迹的计算385

20.5 结论388

参考文献388

第21章 小行星捕获计划389

21.1 引言389

21.2 低能量转移方式391

21.2.1 周期轨道和流形结构392

21.3 小行星检索任务395

21.3.1 到L1和L2的不变流形轨迹396

21.3.2 修整小行星目录399

21.3.3 捕获传输和质量估计402

21.3.4 被选中的候选目标的概述407

21.3.5 方法的限制因素408

21.4 结论408

致谢409

参考文献409

第22章 成型金属地球运送系统412

22.1 引言412

22.2 概论415

22.2.1 小行星基本情况415

22.2.2 小行星带415

22.2.3 近地小行星415

22.2.4 近地小天体（NEOs）416

22.2.5 近地流星416

22.3 流星社会学417

22.4 传送方法420

22.4.1 基于Mega-ASSET的传送方式421

22.4.2 小行星捕捉和传送的动力学方法426

22.5 将小行星传送到地球的经济效益430

22.6 传送系统的原理，计算与估算430

22.6.1 进入地球大气层的原理431

22.6.2 AB碳纤维降落原理432

22.7 小行星传送系统的环境影响432

22.8 结论433

参考文献434

第23章 小行星上的人工重力438

23.1 引言438

23.2 电子重力创新的简要描述438

23.3 静电举力理论和计算结果440

23.3.1 电荷、电场和电晕440

23.3.2 电晕（电离球）的尺寸和球的电场强度的安全性442

23.3.3 对于一个圆柱形电缆或带子443

23.3.4 用电晕放电443

23.3.5 关于球体材料的一些数据443

23.3.6 电荷的半衰期444

23.3.7 绝缘体的破裂（击穿）445

23.3.8 平网和地表间的悬浮445

23.3.9 非接触运输中的静电悬浮445

23.3.10 顶部管运输446

23.3.11 桅杆上的球形主要球和液体气球446

23.3.12 举起的小球形的球447

23.3.13 长圆柱形的举起的带子450

23.3.14 悬浮车的气体力学450

23.3.15 控制和稳定性451

23.3.16 在雷暴天气飞行451

23.3.17 充电451

23.3.18 安全452

23.3.19 作为蓄能器的带电球452

23.4 方案452

23.4.1 悬浮运输452

23.4.2 悬浮管运输453

24.4.3 位于高的桅杆或塔上的带电球453

23.4.4 在低云中悬浮453

23.4.5 小行星上的人工重力453

23.4.6 作为蓄能器和火箭引擎的带电球454

23.5 讨论454

参考文献454

第24章 建造可居住小行星456

24.1 引言456

24.2 “常绿”充气穹顶456

24.3 穹顶设计及其创新点457

24.3.1 穹顶457

24.3.2 人类居住地的位置、光照以及对太阳风和宇宙射线的防护459

24.3.3 闭环水循环及其创新点461

24.3.4 覆盖膜的简单数据461

24.3.5 不穿航天服造访小行星462

24.4 充气穹顶计算463

24.4.1 无水灌溉/闭环水循环466

24.5 宏观项目470

24.6 讨论470

24.7 结论471

参考文献471

第25章 利用小行星资源开展天基地质工程472

25.1 引言472

25.1.1 地质工程方法472

25.1.2 天基地质工程474

25.2 方案的使用475

25.2.1 在L1点使用尘云475

25.2.2 L1点处尘云的引力锚定479

25.2.3 地球环483

25.3 资源可用性486

25.4 结论488

参考文献489

第26章 使用小行星进行宇宙飞船的发射/着陆，改变轨道及加速度491

26.1 引言491

26.2 小行星空间升降梯，任何空间升降梯的最优线缆492

26.2.1 空间升降梯的简要描述493

26.2.2 空间升降梯的一般原理495

26.3 小行星利用中的绳系方法496

26.3.1 连接方法496

26.3.2 使用方式描述497

26.3.3 系绳方法原理及其计算499

26.3.4 方案501

26.3.5 系绳方法的讨论504

26.3.6 结论504

26.4 空间飞行中小行星静电场的应用504

26.4.1 介绍505

26.4.2 小行星利用简述505

26.4.3 静电方法的原理和计算506

26.4.4 方案511

26.4.5 讨论511

参考文献511

第27章 通过观测小行星寻找地外文明514

27.1 引言514

27.2 搜索方法517

27.3 结论522

参考文献522

第28章 关于小行星商业利用的考虑525

28.1 前言525

28.2 太空资源的利用525

28.3 小行星采矿：欲望、需求和能力526

28.4 现实与可能527

28.5 实际问题528

28.6 时间和距离的问题528

28.7 指挥控制问题529

28.8 独立性问题530

28.9 财产权531

28.10 风险降低532

28.11 商业模式533

28.12 结论534

参考文献535

第29章 关于小行星开采与偏转的法律考量536

29.1 开采：小行星的财产地位536

29.1.1 引言536

29.1.2 小行星是法律意义上的“天体”吗？537

29.1.3 共有权制度——共有的和无主的540

29.1.4 人类共同继承财产：从共有物到共产主义542

29.1.5 开拓最后的阵地543

29.1.6 获得小行星所有权的方法544

29.1.7 所获小行星资源的产权地位546

29.2 偏转：行星防御的合法性547

29.2.1 引言547

29.2.2 保卫地球：是权利还是义务？548

29.2.3 偏转策略的合法性549

29.2.4 偏转困境550

29.3 代结论：矿田和雷区551

参考文献552

索引555