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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Gaspra 2

1.2.2 小行星确实有卫星：“伽利略”号宇宙飞船探测IDA 4

1.2.3 第一个C型小行星：NEAR探测Mathilde 6

1.2.4 第一次遇到近地小行星：“深空”1号探测Braille 8

1.2.5 第一个环绕小行星公转的使命：NEAR探测Eros 8

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Annefrank 10

1.2.7 第一个采样并返回的任务：“隼鸟”号宇宙飞船探测Itokawa 11

1.2.8 第一个E型小行星：“罗塞塔”号宇宙飞船探测Steins 12

1.2.9 第一次访问完整的小行星：“罗塞塔”号宇宙飞船探测Lutetia 14

1.2.10 第一次造访原行星：“曙光”号宇宙飞船探测灶神星Vesta 16

1.2.11 中国的第一次空间任务：“嫦娥”2号探测Toutatis 18

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ω135 190

9.3 基于VMS的OF测量获得板载ReSSAC 192

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 EV5 347

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 EV5 352

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