天梯(運輸工具)

天梯，通常比喻高而險的山路，現在也是在角色扮演遊戲和對戰類遊戲中常用的一種排名機制。天梯也是一種低成本將有效載荷從地球或其它星球的表面運輸到空間的解決方案。

基本介紹

• 中文名：天梯　 
• 拼音：tiān tī
• 注音：ㄊㄧㄢ ㄊㄧ
• 屬性：運輸工具

詞語解釋

基本解釋

(1) [high ladder]∶多裝置在較高的建築、設備上的很高的梯子。

(2) [steps to heavens;high and steep mountain paths]∶古人想像中的登天的階梯。比喻高而險的山路。

引證解釋

1.古人想像中的登天的階梯。 漢 王逸 《九思·傷時》：“緣天梯兮北上，登 太一 兮玉台。”

2.比喻高險的山路。 唐 李白 《蜀道難》詩：“地崩山摧壯士死，然後天梯石棧相鉤連。” 金 路鐸 《潼關》詩：“天梯且失守，況說土山頭。” 清 劉大櫆 《游黃山記》：“由寺右緣天梯而上百餘步，幽壑不可越。”

介紹

天梯，又譯空間電梯，是一種低成本將有效載荷從地球或其它星球的表面運輸到空間的解決方案。這個方案旨在建造一部稱作天梯的運輸工具。

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對於建造在地球上的天梯，平衡錘需要位於距離地面至少3.6萬千米上空，使用3.6萬千米長的纜繩與地面連線。這種纜繩必須十分結實，只有碳納米管可以勝任。包括平衡錘和纜繩的質心位於地球同步軌道的高度，同時為了保證整個裝置固定，地面基站通常建造在赤道附近，同時應該儘量選擇商業飛行較少的區域，以避免飛機與纜繩或貨艙相撞，同時纜繩和貨艙還必須能夠抵禦來自風和閃電的襲擊。對於建造在月球上的天梯，要求相比地球要低，因為月球重力較小，且沒有大氣因素影響，自轉速度較慢，且為同步自轉。這種條件下，平衡錘可以建造在月球和地球的引力中點，即月球的拉格朗日點上。天梯的概念最初出現在1895年，但是甚至就在幾年前，它還僅僅只是一種科學幻想，因為找不到一種合適的材料來製造足夠強度的纜繩。隨著納米技術取得的突破性進展，建造一部現實的天梯已經成為可能，預計其建造成本約100億美元，遠少於國際空間站或太空梭計畫的投資。

組成

平衡錘：平衡錘是一個比較重的物體，放置於同步軌道上方。

纜繩：纜繩是一條十分長且結實的繩子，上粗下細，用於連線地面與平衡錘。

貨艙：貨艙用於裝載貨物，它可以順著纜繩在空間和地面之間上下移動。

地面基站：地面基站用於將纜繩固定在地面上，並為貨艙的移動提供能源，能量通過雷射傳送到貨艙。

部件

核心部件

天梯的核心部件將是碳納米管合成纜繩，它只有幾厘米寬，幾乎只有一張紙那么厚。碳納米管發現於1991年，它的發現使科學家認為天梯是能夠建成的。Spaceward Foundation的布拉德利·愛德華茲（Bradley Edwards）博士稱，“以前，找到合適的材料難度太大了。但現在，我們離實現這一目標越來越近，因為在製造碳納米管和有效的拉絲機方面都取得了進展，這種拉絲機能將製作伸向太空的纜繩所需的材料拉得足夠長。”

天梯概念藝術圖

碳納米管在強度上可能會比鋼高100倍，但卻像塑膠一樣柔韌。碳納米管之所以會有如此高的強度，是因為它們具有類似於足球的獨特結構。一旦科學家們能夠用碳納米管制成纖維，那么就有可能製作出形成天梯纜繩所需的細絲。以前考慮的材料要么是強度不夠，要么是不夠柔韌，無法製成纜繩，而且易斷。

太空電梯公司的研究主管湯姆·紐金特（Tom Nugent）說，“這種材料具有非常高的彈性模量，並且它們的抗張強度也非常高，而且，理論上使天梯相對容易建造的所有材料特性，這種材料都具備了。”

有兩種方法可以製作纜繩：

用數米或更長的長碳納米管編成類似繩子的結構。截至2005年，最長的納米管也只有幾厘米長。

可以將較短的納米管置入到聚合物基中。聚合物與碳納米管之間結合得不夠緊密，因而在拉緊時會將基質拉離碳納米管。

一旦製作出長碳納米管纜繩，就會將它纏成一個軸狀物發射到軌道中。當太空船載著這個軸狀物飛至特定高度（可能是近地軌道）時，它就會開始將這個軸狀物散開，使纜繩落回到地球上。同時，這個軸狀物會繼續向上運動到更高的高度。當纜繩落入地球的大氣層時，就會有相應的裝置捕捉到它並使它繼續下落，最後將它錨定到海洋中的一個移動平台上。這條纜繩有點像鐵軌，將用作進入太空的航線。這樣，就可以用機械升降機順著這條纜繩上升到太空中。

其他部件

儘管纜繩仍是一個處在概念階段的部件，但天梯的所有其他部件均可以利用現有的技術製造出來，這些部件包括機械升降機、錨站和光束動力系統。到纜繩製造出來時，其他部件也差不多都準備好了，在2018年左右即可實現發射。

升降機

升降機

機械升降機將順著纜繩升入太空。升降機上的滾輪夾緊纜繩，滾輪胎面與纜繩之間的摩擦力往下拉繩索，這樣，摩擦力產生的反作用就會使升降機得以順著天梯向上攀爬。

錨站

天梯的下端將連在赤道附近的太平洋海域中的一個移動平台上，該平台將纜繩錨定在地球上。

錨定平台

平衡站

纜繩的最頂端將有一個很重的平衡站。在早期的天梯計畫中，曾考慮捕捉一顆小行星並將它用作平衡站。但是，在太空電梯公司和科學研究所（ISR）計畫中，多數還是考慮使用人造平衡站。實際上，可以將用來製造纜繩的設備（包括用來發射纜繩的太空船）組裝成平衡站。

動力光束

升降機將利用位於錨站或錨站附近的自由電子雷射系統來提供動力。ISR稱，這種雷射會將2.4兆瓦特的能量傳送給附著在升降機上的光電池，這種光電池可能由砷化鎵（GaAs）製成，然後光電池可以將這些能量轉化成電能以供傳統的鈮磁直流電電動機使用。

一旦投入使用，升降機幾乎每天都可以在天梯上往返運動。升降機的大小各異，最初為5噸，最大可達20噸。20噸重的升降機的有效載荷可達13噸，其內部有900立方米的空間。升降機將以約190公里/小時的速度順著纜繩向上運載貨物，所運貨物從人造衛星到太陽能電池板，五花八門，最後它還將載人上天。

運轉

位於100,000公里的高空中時，天梯將很容易遭到包括天氣、空間碎片和恐怖分子在內的許多危險因素的破壞。隨著天梯從計畫階段走向設計階段，開發人員開始考慮這些危險因素及相應的克服辦法。實際上，為了確保始終都有可以使用的天梯，開發人員計畫建造多個天梯。從第一個天梯開始，後續天梯的建造成本將依次遞減。第一個天梯將用作其他天梯的建造平台。開發人員通過這樣做來確保在某一個天梯遇到問題的情況下，其他天梯仍能繼續向太空運送人員和物資。

避開空間碎片

與空間站或宇宙飛船一樣，天梯將需要具備避開碎片、人造衛星等軌道物體的能力。錨定平台將採取主動迴避措施來保護天梯免遭此類物體的破壞，北美防空司令部（NORAD）所跟蹤物體的大小都在10厘米以上。保護天梯則需要配備軌道碎片跟蹤系統，它能夠探測到大小為1厘米左右的物體。正在為其他空間計畫開發這項技術。

“我們的計畫是將纜繩錨定到海洋中的一個移動平台上，”太空電梯公司的湯姆·紐金特（Tom Nugent）說，“實際上你可以來回移動錨定點的位置，從而將纜繩拉離人造衛星的航道。”

防禦攻擊

將天梯置於偏遠位置將是降低恐怖分子攻擊風險的最佳方法。舉例來說，第一個錨定點將位於赤道附近的太平洋海域，與任何空中航線或海洋航線的距離至少為650公里，這是太空電梯公司透露的信息。任何攻擊都只能威脅到天梯的一小部分裝置，即15公里處及以下的所有裝置。此外，天梯將是十分寶貴的全球資源，可能會受到美國及其他國家/地區軍隊的保護。

訓練項目

項目準備：

1. 1.

高空保護點：天梯上方保護裝置3套（每套保護裝置含1張虎皮，2根短扁帶，2把鐵鎖，靜力繩1根），扁帶/小繩套2（用於至高點和次高點橫木輔助）；

1. 2.

攀爬隊員裝備：坐式安全帶10 （至少6，注意型號）、鐵鎖6、頭盔3；

1. 3.

保護隊員裝備：坐式安全帶3、鐵鎖3、GUIGUI 3或8字環3、手套3副、頭盔3。

1. 4.

培訓師備用：坐式安全帶1，手套1，上升器1，鐵鎖2，長扁帶2，頭盔1。

1. 5.

培訓師掛保護點裝備：坐式安全帶1，上升器1，頭盔1，長扁帶2，8字環1，鐵鎖3。

項目名稱：二人天梯

項目類型：團隊合作項目

項目目標：

隊員都要在穿好安全裝備的情況下，以組為單位，沿著天梯盡力向上爬，所有隊員都腳踩第五根，手扶第六根時，項目成功。

規則及注意事項：

1. 1.

每一小組在攀爬以前全體隊員喊他們的名字及隊訓；

1. 2.

不允許抓胸前的保護繩及兩邊的鋼索；

1. 3.

三重檢查原則：安全裝備（安全帶、頭盔）要隊員自查，隊長複查，培訓師檢查；

操作流程:

1. 1.

裝備提前檢查和準備，包含保護點的提前安裝；

1. 2.

準備工作：活動膝、踝關節，以免扭傷。身上飾物、鑰匙、手錶等硬物去除；

1. 3.

介紹項目名稱、目標及規則要點；

1. 4.

分組：巧妙安排強強，強弱，弱弱組合，讓每隊都有困難的一組；

1. 5.

講解項目中的安全保護裝備極其使用；

半身安全帶、安全帽的穿法；

主、副保護的站位，人員分配；

主保護的保護動作的講解。

1. 6.

強調監控要點，特別是大關節原則、手腕相扣原則、收繩法式4步法、保護繩緊張原則；

1. 7.

項目開始，培訓師整場監控；

培訓師監控要點：

1. 1.

根據各安全裝備的要求進行安全裝置的檢查；

保護和被保護人的安全帶的穿著，連線處的反扣；

繩索與隊員安全帶的連線，鐵鎖的搭扣；

培訓師保護的站位，應站在3組保護隊員的中間，培訓師不參加保護；

半身安全帶腰環部分邊上的一圈小環不可以抓，只可以抓腰環。

1. 2.

學員身上硬物的檢查；

1. 3.

項目規則的監控；

1. 4.

另一/二位保護學員的保護狀態及其他學員的保護站位；

1. 5.

第一層的保護，繩子一定要收緊；抱石保護（當攀登學員剛剛往上爬時，容易在低處落下，所以後面應安排其他學員做“抱石保護”）和接人的學員；

1. 6.

如遇學員上不去，而讓學員上去對培訓結果又十分必要時，培訓師可作適當提示，適當幫助，但不允許親自攀爬；

1. 7.

學員沖墜掉下斷橋後的救助：推近木板，藉助扁帶將該隊員拉上來，情節嚴重的要藉助於專門器械；

1. 8.

學員的下降方法：面向天梯，雙手抓住胸前的保護繩，慢慢坐在安全帶上，不允許蹬天梯，下面保護的人在培訓師的指導下，一個一個放下學員，不允許同時放，下面要有人反向推天梯。

研究

起源

太空梯競賽刺激太空探索。

“太空梯”競賽是美國宇航局舉辦的系列競賽中的一部分。美國宇航局從開始舉辦“世紀競賽”，包括太空梯競賽、月球車競賽、太空服競賽、地表挖掘競賽、個人太空交通工具競賽，月球表面造氧競賽。

太陽景觀的概念藝術圖

太空梯競賽包括兩部分：光能競賽和範圍競賽。這兩項競賽在都已經舉辦過一次，但遺憾的是，兩項均未評出優勝者。當年兩項競賽的獎金各為5萬美元，由於沒有人得到，獎金也被順延至的比賽當中，因此原定的各15萬美元都累計成為20萬美元。

太空梯構想來源於科幻小說

最早提出太空梯構想的是111年前的一名俄羅斯科學家，而在1979年，著名的科幻作家亞瑟·C·克拉克將這種構想寫進了他的科幻小說《天堂的噴泉》中：地球不停轉動的過程中，如果你將一個平衡錘用纜繩拴住拋入太空，並且纜繩足夠長———至少10萬公里長，由地球旋轉產生的強大離心力將使纜繩繃緊，這樣就可以建造一架伸向太空的電梯了。小說出版後，科學家發現這並不僅僅是幻想，因為其理論基礎是堅實的，而所需的材料人類已經擁有。

進展

天梯對全球帶來的潛在影響力堪與另一項偉大的運輸成就美國洲際鐵路相媲美。這條洲際鐵路於1869年在美國猶他州的普瑞蒙特瑞（Promontory）竣工，它首次連通了美國的東海岸和西海岸，加快了美國西進運動的進程。這條鐵路建成後，橫貫全美的旅行只需幾天就可以完成，而在此之前則需數月。它還開拓了新的市場，諸多全新的產業皆因它而興起。到1893年，美國已建成五條洲際鐵路。

天梯這一想法與洲際鐵路有許多相通之處。天梯將開創地球與太空之間永恆的連通之門，這道門永遠都不會關閉。雖然它不會加快太空之行的速度，卻能使太空與地球之間的往來更為頻繁，並將開創一個嶄新的發展時代。天梯的建成將大大降低向太空運送貨物的成本，或許這就是促成天梯這一想法的最大動力。儘管天梯的升降機比採用化學推進的宇宙飛船慢，但這種升降機卻將每公斤的發射成本從22000到44000美元降到900美元左右。

據“天梯——NIAC第二階段最終研究報告”（The Space Elevator, NIAC Phase II Final Report）的作者布拉德利·愛德華茲透露，估算的天梯建造成本為60億美元，法律法規方面的費用為40億美元（愛德華茲就是布拉德利·卡爾·愛德華茲博士，他是“碳設計”（Carbon Designs）公司的總裁和創始人。）。相比之下，1971年預測的宇宙飛船計畫的成本為52億美元，但最終卻耗費了195億美元。此外，宇宙飛船每飛行一次都要耗費5億美元，這一數字超過當初估算的50多倍。

天梯可能會取代宇宙飛船成為主要的太空飛行器，並將用於人造衛星部署、國防、旅遊和其他開發。再往後，太空船將順著天梯的纜繩攀升至太空中，然後再朝向其主目標發射。這種發射方式所需的燃料更少，因為它省下了採用傳統方式發射時衝出地球大氣層所需要的部分燃料。有些設計人員還認為，天梯可以建在包括火星在內的其他行星上。

NASA曾資助愛德華茲博士的研究長達三年。但在2005年，它僅給研究天梯的各家公司提供了2800萬美元的獎金。儘管它仍然非常關注這一計畫，但眼下它更願意靜觀其變，等待出現更為實質性的進展。