0 引 言
太阳系小天体是指围绕太阳运转但不符合行星和矮行星定义的天体，主要包括小行星、彗星、流星体和其他行星际物质。目前已发现约130万颗小行星和约3800颗彗星。近地小天体是轨道近日点在1.3AU以内的太阳系小天体，其中与地球最近距离在0.05AU以内且绝对星等亮于22等（对应直径约140 m）的近地小行星又被称为潜在威胁小行星（Potentially Hazardous Asteroid，PHA）。目前，已发现33954颗近地小天体（包括33832颗小行星），绝大部分近地小行星的直径小于1 km。截至2023年12月12日[1]，直径超过1 km的小行星有864颗。近地小天体主要分为阿莫尔型（Amor）、阿波罗型（Apollo）、阿登型（Aten）和阿提拉（Atira）4类。阿莫尔型小行星离太阳1.08~2.76AU，其近日点在地球轨道之外，完全在地球轨道之外运行，未越过地球轨道。阿波罗型小行星是指半长轴大于地球，而其近日点距离小于或等于1.017 AU的小行星，穿越地球轨道。阿登型小行星的半长轴小于地球，且其远日点大于0.983 AU的小行星，穿越地球轨道。阿提拉小行星是指在地球近日点距内运行的小行星，完全包含在地球的轨道内。
近地小天体轨道接近地球，表面处于微重力水平，到达其表面所需的速度增量比到月球小。它既对地球构成潜在威胁，又是便于开发的太空资源。近地小天体拥有丰富的矿产资源，可为人类可持续发展提供战略性关键矿产。近地小行星一般没有大气，按照光谱特征可分为碳质小行星（C类）、硅质小行星（S类）和金属质小行星（M类）等。近地小天体几乎都含有水，其中近地彗星水含量可达50%。金属质小行星约占小行星总量的8%，其主要由铁、镍构成，富含铂族矿物和稀土元素。碳质小行星约占小行星总量的75%，富含碳、氢、氧、氮等元素，能够为深空探索补给物资。有些碳质小行星中铂系金属元素含量也很丰富，有大量铂、钴、铑、铱、锇等稀有金属[2-3]。小行星的矿石品位显著高于地球，相对均匀分布、不用深钻，其开采和冶炼难度较小。初步估计，直径100 m的碳质小行星拥有5.4×107t的水资源，直径500 m的碳质小行星则拥有6.8×1010 t的水资源；直径100 m的金属质小行星拥有97 t的铂族金属，直径500 m的金属质小行星则拥有1.2×104 t铂族金属[4]。而且，许多近地小行星相对容易到达，有利于将提取到的资源转移到地月空间或近地轨道上，大大降低开发的成本，具有重要的开采潜力和商业价值。近地小天体采矿不仅将获取地球可持续发展所需的稀贵金属等关键矿产资源，也可为后续建立空间基础设施以及星际航行提供大量基础材料，包括制备水基推进剂、开发防护材料、建造防辐射结构，甚至整个星际探测产业链所需要的各种材料，具有非常重要的开采价值。
近年来，针对地球可持续发展面临的战略性关键矿产短缺的问题，国际上兴起了“太空淘金热”，一批以太空采矿为目标的私营公司涌现出来。行星资源公司等相继制定了小行星采矿任务计划，如AstroForge公司将开采小行星资源并带回地球，Asteroid Mining公司将从小行星中提炼铂金元素。美国银行美林集团（America Merrill Lynch）和全球著名经济智库美国米尔肯研究院（Milken Institute）认为，未来太空资源开发的生产总值将高达数万亿亿美元以上，并将改变全球经济格局[5]。
近地小天体采矿是太空资源开发的第一步，也是走向深空、开发太阳系资源的基础[6]。当前的主要航天大国，甚至一些新兴商业航天公司已初步拥有了近地天体的绕飞、着陆与探测的航天工程能力和实践经验，具备了太空资源开发的部分技术基础。本文分析了近地小行星的资源特征，提出了近地小天体采矿体系构想和方案框架设想，并进行了初步的效益评估分析。
1 近地小天体资源特征
了解近地小天体的物质成分对于目标选择和初步任务设计至关重要。通过多种方法，如光谱、多色测光、偏振、红外、射电辐射、雷达探测等技术手段可以研究小行星表面的物质成分和化学性质。假设小天体的表面和内部成分相似，那么小行星的成分可以通过其光谱类型来确定，但太空风化会对小行星表面光谱有一定影响。现代分类学基于小行星的大小、形状、成分、自转速率和光谱分析等物理特性对小行星进行分类。1975年，美国天文学家Chapman、Morrison和Zellner提出了基于颜色、反照率和光谱形态的小行星分类体系[7]，将小行星分为深色碳质天体的C型（占已知小行星的75%），较亮硅质天体的S型（占已知小行星的17%）和不适合这两型的U型。1984年，Tholen提出了Tholen分类法[8]，其依据是1980年进行的8色小行星调查（Eight-Color Asteroid Survey，ECAS）收集的数据。按照该分类法，小行星共分为14种类型，包括C类（碳质）、S类（硅质）和X类3大类。2002年，Bus & Binzel根据主带小行星光谱调查任务（Small Main-belt Asteroid Spectroscopic Survey，SMASS）数据，按近红外光谱特征，将小行星分成3类（C、S、X）26型[9]。2009年进一步完善形成了Bus-DeMeo分类法[10]，该方法根据小行星的可见光谱和近红外光谱进行分类，包括4类25型小行星。
表 1 不同类型最有价值小行星的主要物质成分[11]Table 1 The main material composition of different types of most valuable asteroids[11] |
| 名称 | 类型 | 发现时间 | 组成 | 与地球最小轨道交会距离/AU | 价值/美元 |
| Ryugu | Cg | 1999 | Ni , Fe , Co , H2O, N2, H2, NH3 | 827亿 | |
| 1989 ML | X | 1989 | Ni , Fe , Co | 139亿 | |
| Nereus | Xe | 1982 | Ni , Fe , Co | 47亿 | |
| Bennu | B | 1999 | Fe, H2, NH3, N2 | 669.9百万 | |
| Didymos | Xk | 1996 | Ni , Fe , Co | 622亿 | |
| 2011 UW158 | Xc | 2011 | Ni , Fe , Co , Pt | 66亿 | |
| Anteros | L | 1943 | MgSiO3, Al , Fe , Fe2O4Si | 5.5万亿 | |
| 2001 CC21 | L | 2001 | MgSiO3, Al , Fe2O4Si | ||
| 1992 TC | X | 1992 | Ni , Fe , Co | 840亿 | |
| 2001 SG10 | X | 2001 | Ni , Fe , Co | 30亿 | |
| 2002 DO3 | X | 2002 | Ni , Fe , Co | 334.4百万 | |
| 2000 CE59 | L | 2000 | MgSiO3, Al , Fe2O4Si | 106亿 | |
| 1995 BC2 | X | 1995 | Ni , Fe , Co | 788亿 | |
| 1991 DB | C | 1991 | Ni , Fe , Co , H2O, N2, H2, NH3 | ||
| 2000 RW37 | C | 2000 | Ni , Fe , Co , H2O, N2, H2, NH3 | 292亿 | |
| 1998 UT18 | C | 1998 | Ni , Fe , Co , H2O, N2, H2, NH3 | ||
| Seleucus | K | 1982 | Ni , Fe , Co , H2O, N2, H2, NH3 | 33.5万亿 | |
| 1998 KU2 | Cb | 1998 | Ni , Fe , Co , H2O, N2, H2, NH3 | 80.3万亿 | |
| 1989 UQ | B | 1989 | Fe, H2, NH3, N2 | ||
| 1999 KV4 | B | 1999 | Fe, H2, NH3, N2 | 25.6万亿 | |
| 1988 XB | B | 1988 | Fe, H2, NH3, N2 | ||
| 1997 RT | O | 1997 | Pt , Ni , Fe | ||
| 1997 XF11 | Xk | 1997 | Ni , Fe , Co | ||
| 1996 FG3 | C | 1996 | Ni , Fe , Co , H2O, N2, H2, NH3 | 1.3万亿 | |
| 1992 QN | X | 1992 | Ni , Fe , Co | ||
| 2001 TY44 | X | 2001 | Ni , Fe , Co | 35亿 | |
| 1999 JV6 | Xk | 1999 | Ni , Fe , Co | 120亿 | |
| 2002 EA | L | 2002 | MgSiO3, Al , Fe2O4Si | 672.1百万 | |
| 2001 HK31 | X | 2001 | Ni , Fe , Co | 13亿 | |
| 2005 YU55 | C | 2005 | Ni , Fe , Co , H2O, N2, H2, NH3 | 498亿 | |
| 1992 BF | Xk | 1992 | Ni , Fe , Co，Pt | 29亿 | |
| 2001 PD1 | K | 2001 | Ni , Fe , Co , H2O, N2, H2, NH3 | ||
| Lucianotesi | Xc | 1994 | Ni , Fe , Co，Pt | 531亿 | |
| 2002 CS11 | X | 2002 | Ni , Fe , Co | 766.1百万 | |
| 1992 NA | C | 1992 | Ni , Fe , Co , H2O, N2, H2, NH3 | 4.5万亿 | |
| 2002 AV | K | 2002 | Ni , Fe , Co , H2O, N2, H2, NH3 | 177亿 | |
| 2002 BM26 | X | 2002 | Ni , Fe , Co | 777亿 | |
| 1999 NC43 | Q | 1999 | Ni , Fe | 26亿 | |
| 2000 CO101 | Xk | 2000 | Ni , Fe , Co | 292亿 | |
| Dionysus | Cb | 1984 | Ni , Fe , Co , H2O, N2, H2, NH3 | 26万亿 | |
| 1999 CF9 | Q | 1999 | Ni , Fe | 152.7百万 | |
| 2002 AH29 | K | 2002 | Ni , Fe , Co , H2O, N2, H2, NH3 | 77亿 | |
| 1986 DA | M | 1986 | Ni , Fe, Co | 4.2万亿 | |
| 1996 BZ3 | X | 1996 | Ni , Fe, Co | 731亿 | |
| Davidharvey | C | 1999 | Ni , Fe , Co , H2O, N2, H2, NH3 | 53.9万亿 | |
| 2001 HA8 | C | 2001 | Ni , Fe , Co , H2O, N2, H2, NH3 | 1.5万亿 | |
| Apollo | Q | 1932 | Ni , Fe | 805.0百万 | |
| 2000 LC16 | Xk | 2000 | Ni , Fe, Co | 4.2万亿 | |
| 2001 WH2 | X | 2001 | Ni , Fe, Co | 46亿 | |
| 2000 WC67 | X | 2000 | Ni , Fe, Co |
在小行星的样品返回地球之前，其主要成分可通过将小行星的反射光谱与陨石的反射光谱进行比较来推断，但其微量元素成分只能通过陨石样品的化学分析来推断。通过分类法的矿物学解释以及将这些分类法与陨石联系起来，是评估其成分的主要方法。一般来说，属于S类的小行星与普通球粒陨石有关（OCs），富含硅酸盐成分。C类小行星与水合碳质球粒陨石（CCs）中的CI和CM等有关，它含有高百分比的水以及有机化合物。与S类和C类相比，X类近地小行星（X、Xc、Xe和Xk）的组成具有较高的不确定性，它们与无水的CV/CO 碳质球粒陨石、顽辉石球粒陨石、石铁陨石和铁陨石等有关。X类小行星与地球上富含PGM的铁陨石紧密相关，因此，X类近地小行星被认为是贵金属的潜在来源。参考对陨石成分的分析，某些元素（例如，高度亲铁元素）的丰度高于地球和月球地壳岩石，PGM的浓度远高于地壳中最丰富的矿体浓度。而根据陨石成分分析，碳质小行星PGM浓度可达数百甚至上千ppb（1ppb=10-9）甚至更高[12]。
非碳质小行星估计包含有约20%的金属铁镍合金、6%的硫化铁和大量的橄榄石、辉石和长石，少量的稀土元素和贵金属（尤其有铂族元素），以及非金属物质（如砷、硒、磷、碳、硫等）。硅质小行星很可能包含大量的半导体材料、金属和挥发分等。硅质小行星也可能含有铂族元素金属，但是含量比金属质小行星低。在非碳质陨石中，最重要的元素为自然铁镍合金。铁和镍在地球上的陨石中分布广泛，存在于90%的球粒陨石和所有的铁陨石中。M型小行星主要成分为自然铁镍合金，并含有丰富的铂族元素。除彗星外，近地小行星中含水的主要是碳质的C类小行星。已经广泛观测到小行星上存在含水矿物 [13-14]，水一般占据C类小行星质量的8%~10% [9]，在某些富含水分的C类小行星中其水含量高达20%。如果近地彗星可以被开采利用，其水含量可达彗星质量的50%。
表 2 近地小天体赋存的黑色金属和稀有金属丰度Table 2 Abundance of black and rare metals in NEAs |
| 金属 | 碳质小行星的金属丰度 | 优质金属质小行星的丰度（Ir、Pt 的 90%） | 最佳金属质小行星丰度（Ir、Pt 的 98%） |
| 黑色金属： | |||
| Fe | 63.7% | 81%~94% | 82%~94% |
| Co | 1.57% | 0.46%~0.80% | 0.43%~0.75% |
| Ni | 34.3% | 5.6%~18.0% | 5.4%~16.5% |
| 稀有金属： | |||
| Ge | 0.06×10-4%~70×10-4% | 0.05×10-4%~35×10-4% | |
| Re | 1.1 ×10-4% | 1.1×10-4% | 2.4×10-4% |
| Ru | 22.2 ×10-4% | 20.7 ×10-4% | 45.9×10-4% |
| Rh | 4.2 ×10-4% | 3.9 ×10-4% | 8.6×10-4% |
| Pd | 17.5×10-4% | 2.6 ×10-4% | 1.2×10-4% |
| Os | 15.2×10-4% | 14.1 ×10-4% | 31.3×10-4% |
| Ir | 15.0×10-4% | 14.0 ×10-4% | 31.0 ×10-4% |
| Pt | 30.9×10-4% | 28.8 ×10-4% | 63.8×10-4% |
| Au | 4.4 ×10-4% | 0.16×10-4%~0.70 ×10-4% | 0.06×10-4%~0.6×10-4% |
2 近地小天体采矿体系构想
近地小天体采矿的主要目标是水和PGM等稀贵金属。水可为太空运输提供推进剂补给，而稀贵金属可为地球可持续发展提供战略性关键矿产。另外，在开采过程中可提炼铁、镍、铬、硅等金属和非金属元素，可为超大规模的太空设施原位制造与建造提供原位物资。
近地小天体采矿需要考虑所在天体的自然环境及矿物资源存在形式[19]。参考地面采矿流程和小天体微重力、高真空和深低温等特点，近地小天体采矿全流程如图1 所示，可分为以下主要过程：（1）勘：主要基于天文观测普查和探测飞行器原位勘探等手段，逐步实现小天体资源的精细化探测，为高效“采”提供重要基础数据和约束条件。（2）采：针对近地小天体微重力特点，采取锚定等方法，进行挖掘、收集并输送星壤，实现在小天体表面规模化采矿。具体而言，根据小天体资源赋存特性及环境特征，进行表层疏松星壤挖掘，含冰星壤钻取加热、岩石冲击破碎，并通过机械或电磁等方法，实现星壤颗粒物规模化采集及高效输运。（3）选：针对近地小天体高真空特点，基于原位能源利用思路，依靠太阳能资源，采用热采方式，提取小行星含冰星壤内部水分；进一步破磨、选矿和处理干热星壤；通过机械振动，开展颗粒物粒径筛分；通过电、磁等手段，进行矿物成分分选，将星壤制备成合适的原料。（4）冶：进一步将选矿获得的水和挥发分、金属矿物等加工处理，精炼转化为地球可持续发展迫切需要的稀贵金属，以及深空可持续探索迫切需要的推进剂、设备制造维护所需的金属材料等。对于碳热还原、卤素还原等气基还原金属冶炼方法，需要提供大量还原气体，不适合太空应用。熔融氧化物电解（Molten Oxide Electrolysis，MOE）虽然成熟度低、反应温度高，但由于原则上只需太阳能提供能源和选矿后的星壤作为原料，不需要从地球供给其他资源，因此是适合进行太空冶炼的工艺方法。
2.1 近地小天体采矿体系组成
近地小天体采矿体系以稀贵金属等战略性矿产资源开发为目标、以水冰资源开发利用为基础，实现对高价值近地小天体的勘探、捕获、资源开采和分选，太空矿物冶炼、太空产品制造等功能。重点建设近地小天体资源遥感普查系统、资源勘探器、采矿站、资源加工补给站及配套的太空资源运输系统，具体介绍如下：
（1）近地小天体资源遥感普查系统。该系统通过已有地基天文望远镜和空间天文望远镜，利用日地L1（SEL1）位置优势，补充发射小天体资源普查器，通过光学和微波等手段，识别近地小天体的形状和尺寸、运动状态、理化特性等，并评估开采价值。
（2）近地小天体资源勘探器。针对初步遴选的高价值近地小天体，发射资源勘探器进行抵近甚至着陆探测，通过环绕探测测绘绘制地形地貌图，勘察分析水冰和各种矿物的资源分布。利用着陆探测对小行星表面物质进行原位采样分析，并获取资源开发基础数据。在此基础上，确证可开采的目标小天体。
（3）近地小天体采矿站。发射并在目标小天体附近建立近地小天体采矿站并进行矿物开采、分选与初步加工，以获得高价值原料。
（4）日地L2(SEL2)资源加工补给站。在采矿站原位获得的高价值原料，通过资源运输器运送到SEL2资源加工补给站进行冶炼和深加工处理。应用资源加工补给站既便于将开采、分选的小天体矿产就近加工处理，也同时将获取的近地小天体水冰资源制备推进剂等物资，为更深远的探索与开发提供物资补给。
（5）近地小天体资源运输系统。在可加注、可重复使用的氢氧上面级推进系统的基础上，研制发射资源运输器，以实现在采矿站和资源加工补给站之间往返运送矿物等物资。为实现低成本的目标并有效提高物资运送率，该运输器在采矿站、资源加工补给站均需加注推进剂。精炼的稀贵矿物通过资源运输器运送到地球轨道，并通过地球进入器到达地球表面，实现近地小天体资源的地球利用。
2.2 任务框架设想
初步构想部署2站4器组成的近地小天体资源开发设施，包括天地一体的近地小天体资源遥感普查系统（新建日地L1近地小天体资源遥感普查器）、近地小天体资源勘探器、SEL2资源加工补给站、近地小天体采矿站、资源运输器、地球进入器等。通过分阶段实施多次任务，逐步建设近地小天体采矿体系，如图3 所示。
第1阶段任务：从地球向日地L1点补充发射近地小天体资源普查器，与地面小天体监测网络联合，实现对近地小天体资源特征的普查和开采目标小天体的初步遴选。
第2阶段任务：从地球向SEL2点发射资源加工补给站，并通过携带的水资源，开展原位推进剂制备，为后续任务提供补给服务。
第3阶段任务：从地球向SEL2资源加工补给站发射多个低成本、可重复使用的资源勘探器，通过补加推进剂，对遴选的目标小天体实施抵近探测和原位样品分析，确认小天体矿物成分和资源品位，确定可开采的目标小天体。
第4阶段任务：从地球向SEL2资源加工补给站发射小天体采矿站（包括资源处理伴飞器和多个采矿机器人）和资源运输器，进一步通过资源运输器将小天体采矿站运送到目标小天体。
第5阶段任务：小天体采矿站在目标小天体开展资源开采活动，采矿机器人在小天体表面进行开采活动，并将开采的资源运送到资源处理伴飞器进行资源预处理。一方面，提取水资源并原位制备推进剂，为资源运输器加注返程所需的推进剂；另一方面，对资源进行矿物分选。资源运输器多次往返于小天体采矿站和SEL2点的资源加工补给站，运送分选后的高价值矿物和水资源，并进行矿物冶炼和推进剂制备等。
第6阶段任务：在资源加工补给站制取的稀贵矿物通过资源运输器运送到地球轨道，并通过地球进入器到达地球表面，实现近地小天体资源的地球利用。
3 近地小天体资源评估分析
根据近地小天体的资源特征，主要针对金属质小行星和碳质小行星开展稀贵金属和水资源的开采。小天体的可开采资源总量主要取决于小天体的总质量和矿物品位。小天体中某类资源的开采质量可通过式（1）估计。
式中，$ \varepsilon $ 为资源提取率；$ {\rho }_{{\mathrm{s}}} $ 为某类小天体的平均密度；$ {D}_{{\mathrm{s}}} $ 为小天体直径；$ {c}_{\mathrm{r},{i}} $ 为第i种资源在小天体中的浓度。
按表2 的成分进行估算，可得到不同尺寸的小天体的多种资源储量。对于典型碳质小行星来说，它不仅可获得地球可持续发展所需要的稀贵金属，还可获得丰富的水资源（按10%估计）和可观的铁、钴、镍等资源，为太空资源开发和太空工业发展提供物资基础。典型碳质小行星(按2.08%金属成分估算)的铂族元素、铁钴镍金属元素和水资源储量丰富，随小天体直径增大，资源储量呈数量级增加。例如，直径50 m的小天体铂元素储量约百千克，直径1 km的小天体铂元素储量达千吨，而直径3 km的小天体铂元素储量达万吨，远高于地球约200 t的年产量(见图4a )。此外，碳质小行星还有更为丰富的铁钴镍金属元素，例如，直径50 m的小天体铁元素储量约千吨，直径1 km的小天体铁元素储量达千万吨，而直径3 km的小天体铁元素储量达2亿吨，是地球年产量的1/10，可为太空工业化提供重要的物质基础，如图4b 所示。水资源储量也非常丰富，例如，直径50 m的小天体水储量约万吨，直径1 km的小天体水储量达亿吨，而直径3 km的小天体水储量达20亿吨，可为太空规模化活动提供推进和能源物资，如图4c 所示。
相比碳质小行星，金属质小行星的铂族元素和铁钴镍金属元素储量更为丰富。例如，直径 50 m的小天体铂元素储量约10 t，直径1 km的小天体铂元素储量近10万吨，而直径3 km的小天体铂元素储量达百万吨，如图5a 所示。金属质小行星的铁钴镍金属元素储量十分可观，例如，直径50 m的小天体铁元素储量约10万吨，直径1 km的小天体铁元素储量达10亿吨，而直径3 km的小天体铁元素储量达百亿吨，超过地球的年产量，如图5b 所示。
小天体的开采总价值可通过式（2）估计。
式中，$ {p}_{\mathrm{r},{i}} $ 为第i种资源的价格。
参考典型铂族金属的报价[17]来估计PGM的总价值（包括铂、钯、铑、铱、钌），参考地球向高轨的发射成本来估计太空水资源的供应成本，图6 为不同直径的典型碳质小行星价值估计：直径50 m的小天体PGM价值近1亿元人民币，直径1 km天体PGM价值近万亿元人民币，而直径3 km的小天体PGM价值近十万亿元人民币。若考虑将开采的水资源为太空提供资源服务，则其开采价值更高，此时直径50 m的小天体水资源价值达万亿元人民币，直径 1 km的小天体水资源价值约亿亿元人民币，而直径3 km的小天体水资源价值约百亿亿元人民币。图7 为不同直径的典型金属质小行星价值估计，其中直径50 m的小天体PGM价值近10亿元人民币，直径1 km的小天体PGM价值近百万亿元人民币，而直径3 km的小天体PGM价值超千万亿元人民币。
4 近地小天体采矿任务初步效益评估
对于具体的近地小天体采矿任务，需综合考虑矿物运输成本和获得的矿物收益。对于大于3 km/s的速度增量，若资源运输器携带往返的推进剂，则会导致资源运输能力极为有限，需在采矿小天体上原位生产并加注返程推进剂，才能有效降低运营成本。
因碳质小行星在近地小天体中占比高，易于选取采矿目标，可同时获得金属资源和水资源，因此下面以碳质小行星为例进行分析。近地小天体采矿站在目标小天体通过采矿机器人进行资源开采，并运送到伴飞资源处理站进行水资源提取和推进剂制备。因碳质小行星仅含有约2%的金属，需在伴飞资源处理站进行矿物分选。资源运输器在目标小天体和SEL2资源加工补给站之间往返飞行，将在小天体开采的金属矿物和水资源运送到SEL2资源加工补给站进行金属冶炼和推进剂制备。
资源运输器干重为$ {M}_{{\mathrm{RT}}} $ ，包括推进系统干重$ {M}_{{\mathrm{pn}}} $ 、水储箱干重$ {M}_{{\mathrm{wn}}} $ 、金属矿物储箱干重$ {M}_{{\mathrm{mn}}} $ 及平台其他重量$ {M}_{{\mathrm{pf}}} $ ，即：
资源运输器从SEL2资源加工补给站到采矿的近地小天体所需的最小去程推进剂质量为：
式中，$ \Delta {V}_{{\mathrm{DA}}} $ 为从SEL2到近地小天体的速度增量。
假定资源运输器每次从近地小天体运输质量为$ {M}_{\mathrm{m}} $ 的金属矿物以及质量为$ {M}_{{\mathrm{w}}} $ 的水资源到SEL2资源加工补给站，则其所需的最小返程推进剂质量为：
式中，$ \Delta {V}_{{\mathrm{AD}}} $ 为从采矿的近地小天体到达SEL2的速度增量。
假设返程推进剂在近地小天体原位获得，则扣除去程的推进剂消耗后，每次运输任务后资源加工补给站获得的净物资为：
式中，$ {M}_{{\mathrm{w}}}-{M}_{{\mathrm{p,DA}}} $ 为水资源净增量。
假设资源运输器干重为5 t，根据以上估计方法，可计算得到从采矿的近地小天体向资源加工补给站运输的物资量随速度增量的变化关系。随着速度增量的增加，返程的推进剂消耗会显著增加。例如，在矿物运输量为50 t时，1 km/s速度增量时消耗返程推进剂约15 t，2 km/s速度增量时消耗返程推进剂约35 t，4 km/s速度增量时消耗返程推进剂约90 t，代价高昂，如图8 所示。再参考矿物运输量和获得的PGM质量和价值呈线性关系，如图9 所示，单程矿石运输量小，PGM获得的收益就小。因此，需综合权衡，选择合适的矿石运输量。
速度增量与小天体的可达性有直接关系，速度增量越大，可到达、可开采的小天体就越多。从低地球轨道到近地小天体的速度增量范围为3.8~28.0 km/s，中值约为6.65 km/s[20]。从SEL2出发到达近地小天体，相较从低地球轨道出发可节省约3 km/s的速度增量。去程速度增量影响在SEL2点的加注量，造成水资源消耗。例如，当每次从小天体可运回5 t水，扣除去程的推进剂资源消耗，加工补给站可获得的水资源的净收益如图10 所示，从图中可以看到，当速度增量超过3 km/s后，从小天体获得的水资源变为推进剂后会在下一个去程中全部消耗，此时净收益为零甚至为负值，因此，需选择速度增量较小的目标星开展开采工作。当速度增量为2 km/s时，水净收益接近2 t，价值接近2亿元人民币。图11 为水资源运输量与水净收益的关系，从图11 可以看出，增加小天体水资源运输量可线性增加水的净收益，在速度增量为2 km/s，小天体水资源运输量为3 t时，水的净收益为零。当水资源运输量为10 t时，可获得约7 t的净收益，价值约6亿元人民币。
5 结论与展望
近地小天体采矿已逐步具备技术可实现性和工程实施能力，成为当前国际航天的热点。本文分析了近地小天体的资源特征并评估了可开采矿物总量，从低成本、规模化、经济性的角度，提出了近地小天体采矿体系构想和方案框架设想，并初步建立了资源净收益为目标的小天体采矿效益评估方法。结论与展望如下：
（1）近地小天体轨道接近地球，可达性好且拥有丰富的矿产资源。近地小天体采矿不仅将获取地球可持续发展所需的铂族和稀土等稀贵金属战略性矿产资源，也可为后续建立空间基础设施以及星际航行提供大量基础材料，包括制备水基推进剂、开发防护材料、建造防辐射结构。千米直径的碳质小行星铂储量达千吨，铁储量达千万吨，水储量达亿吨。千米直径的金属质小天体铂储量近10万吨，铁储量达10亿吨，均具有重要的开采价值。
（2）对近地小天体采矿任务需综合考虑矿物运输成本和获得的矿物收益。速度增量不仅与小天体的可达性有直接关系，而且对采矿经济性有重要影响。速度增量越大，可到达、可开采的小天体就越多，但同时也消耗更多的往返程推进剂，导致资源净运输量减少，甚至为负值。本文算例表明，若每次从小天体可运回5 t水，当速度增量超过3 km/s时，从小天体获得的水资源净收益变为负值，当速度增量为2 km/s时，水资源净收益接近2 t。
（3）因碳质小行星仅含约2%的金属矿物，为在一定的可达性下获得较高的净收益，需在小天体附近对矿物进行分选，提升矿石品位，把高价值矿物运回SEL2资源加工补给站，同时需进行水资源提取并原位制备推进剂。
（4）通过构建近地小天体采矿体系，形成日地SEL2资源加工补给站、近地小天体采矿站等太空资源开发基础设施，近地小天体采矿可具备技术经济可行性和可持续发展能力，将激发带动太空采矿业发展，并为更深远的太空探索与开发提供物资补给。