如何利用原位资源实现土星系统的探索与可持续发展
前言
探索和利用外太阳系一直是行星科学界和航天器工程师的目标。土星拥有梦幻般的环系统和许多不同的卫星，一直是两次旅行者号飞越任务和轨道卡西尼号航天器探索的重点。
利用原位资源利用（ISRU）将使得对该行星及其卫星进行更广泛的探索成为可能。土星系统中的运输，例如核电动轨道转移器和化学推进器月球着陆器。这些技术的结合可能会实现对卫星的卓越调查，最终实现人类的探索和可能的月球基地建设。
原位资源利用
原位资源利用（ISRU）是指利用太阳系中其他天体上的材料。这些原位材料可以存在于行星表面的岩屑、大气层或自然环境的其他部分。
几十年来，人们一直在研究如何在行星表面或其附近利用ISRU。已经进行了许多实验来定义从冰、气体和岩屑中提取资源的方法，最早的ISRU实验可以追溯到1965年。
根据地球上的光谱测量结果，人们模拟了月球的岩石和尘埃，并对其进行了化学处理，旨在从月球材料中提取氧气。
火星上的ISRU已经在许多参考文献中进行了讨论，ISRU开发的六个步骤：识别、勘探、资源捕获、利用（推进剂等）、发电和制造。
火星2020号漫游车还计划进行更多广泛的实验和分析，其中包括一个名为MOXIE的实验，该实验将从火星的二氧化碳大气中分离氧气。
土星及其卫星
土星是太阳系中第二大的行星。它的平均轨道距离太阳约为1,433万公里。环绕土星的环系统非常广阔和壮观，并具有丰富的共振和动力学特性。
卡西尼任务的航天器仪器在其寿命期间收集了丰富的数据。土星还拥有强大的辐射带，既靠近行星，也远离环系统。由于辐射环境，卫星对于任何航天操作来说都是更重要的位置。
根据旅行者号和卡西尼号航天器的观测，土星的卫星含有丰富的冰。光谱数据显示这些冰的性质是水冰，其中还有其他冻结的气体，如氮、甲烷等。卫星的温度在75-130K范围内。相对较低的密度也意味着这些卫星主要由冻结的冰组成。
土星探索的系统分析
在人类任务之前，计划对土星的主要卫星进行详细勘测。这项调查的动力来自于ISRU的需求：识别、勘探、资源捕获和利用。最后的步骤将是在卫星表面进行发电和制造。
对主要卫星的首次勘测将包括轨道飞行器和小型着陆器。建议的航天器组合可能包括核电动推进转移器和小型化学推进着陆器。
核电动推进转移器将使用一套科学仪器来评估卫星表面的冰和岩屑。轨道飞行器上的兆瓦级雷达系统将提供冰厚度和岩屑组成的数据。
一旦确定了一个有吸引力的地点，化学推进着陆器可以降落到表面并进行一系列的原位评估。送达表面的化学实验室可以对冰和岩屑进行采样。样本甚至可以返回轨道进行存储，并计划返回地球。
核电推进（NEP）飞行器或轨道转移飞行器（OTV）由以下质量缩放方程描述。使用的干质量缩放方程为：Mdry，级（kg）=反应器比质量（kg/kW）∙P（kWe）+0.05∙Mp（公斤）+固定质量（公斤）。
在泰坦和土卫二上，质量最小的1吨载荷着陆器将用于ISRU的勘探和探索。50吨载荷的着陆器将用于工业规模的ISRU推进剂生产厂的交付。
ISRU工厂将使得OTV能够从卫星上的水冰中加注燃料。最初，OTV、科学着陆器和工厂着陆器被送到中心卫星。
OTV不携带核电动推进剂，只携带氧气和氢气推进剂用于科学着陆器（负载1吨）和负载50吨的工厂着陆器。
一旦绕着中心卫星进入轨道，带有50吨ISRU工厂的着陆器将着陆。在卫星上进行水冰的采矿和转化为氧气和氢气，用于工厂着陆器的升轨。
在中心卫星上还会产生额外的氢气，并将其传送给轨道上的OTV。然后，OTV可以展开探索其他剩余卫星的任务。
工厂着陆器将执行多次飞行，将完整的推进剂负载送到轨道上的OTV。工厂的质量基于着陆器的比冲和工厂设计，这取决于与着陆器的集成程度。
总结
在遥远的未来，人类对土星系统的探索可能会采用非常高能的核动力系统。核脉冲推进飞行器可能会实现快速的土星转移，并将机器人探测器和人类探险家送往目的地。
在土星和天王星系统中，ISRU有许多好处。借助ISRU，人类的探索选择几乎是无限的，揭示土星卫星的秘密的能力正等待人类进行科学投资。
