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來源：互聯網

航天飛機（英文名Space Shuttle）是可以重復使用的、往返于地球表面和近地軌道之間運送人員和貨物的飛行器。

航天飛機系統設計為由火箭推進入軌，返回地面時像滑翔機一樣下滑著陸，為人類自由進出太空提供了良好的工具，是航天史上重要的里程碑。

航天飛機在軌道上運行時，可完成釋放衛星、回收及維修衛星、微重力實驗等多種任務。

整個航天飛機系統由軌道器、助推器和外貯箱組成。

迄今為止，只有美國與蘇聯曾制造并實驗過完整的航天飛機，而美國是唯一曾以航天飛機成功進行過載人任務的國家。因此，后文主要討論美國的航天飛機。

研發歷史

背景需求

20世紀60年代末，隨著人類對太空的探索愈加頻繁，人類需要進行越來越多的太空發射任務。由于發射火箭的成本過于高昂，而火箭的箭體又難以回收，因此研發一種可重復使用、成本低廉、乘坐舒適的載人航天運輸工具已迫在眉睫。在阿波羅計劃開啟后，發射火箭的高昂成本再次擺在人類面前，人們不得不尋求新的空間運輸方式。

研發過程

1969年，美國提出研制“航天飛機”這種新的空間運輸系統，并于1971年正式開始研究工作。美國將研制工作分為A、B、C、D四個階段。A階段研究航天飛機的外形，并提出進一步研究的要求和方向；B階段確定指標并進行方案設計；C階段進行技術設計；D階段則進行生產與試飛。1972年1月15日，美國正式宣布研制新的空間運輸系統，并于當年3月確定接近于現有狀態的總體方案。研發過程中的大致變化如下表所示：

美國航空航天局共生產過6架航天飛機軌道器，分別為OV-101企業號（Enterprise）、OV-102哥倫比亞號航天飛機（Columbia）、OV-099挑戰者（Challenger）號、OV-103發現者號（Discovery）、OV-104亞特蘭蒂斯號航天飛機（Atlantis）、OV-105奮進號（Endeavour）。其中，企業號為試驗機，其余5架為工作機，奮進號航天飛機則是為填補挑戰者號失事后的空缺而制造。

設計特點

總體布局

根據自身推進裝置發射入軌、軌道器無動力自主返回、可重復使用的任務需求，航天飛機被設計成運載火箭和入軌載荷的組合體。因此，航天飛機是一種獨特的部分入軌、部分重復使用的航天運輸系統。

航天飛機由軌道器、外貯箱和固體助推器組成：

（1）軌道器：軌道器是航天飛機的核心部分，是整個航天飛機系統中唯一可載人、可重復使用的部分。

（2）固體助推器：固體助推器的作用是在發射航天飛機時助推，補充主發動機的推力。

（3）外貯箱：外貯箱是一個獨立的可拋棄的結構，用于在發射時貯存燃料。采用這種結構形式，可以減少航天飛機軌道器的尺寸和重量。

主要系統

軌道器

氣動布局

軌道器為無尾三角翼布局，機翼安裝靠后，為帶前緣邊條的大后掠三角翼。采用這種靠后的大后掠布局，有利于改善飛行器返回平飛時的壓心與質心匹配。飛行器采用下單翼布局，既保證了機翼和中央翼的有效高度，提高了結構性能，又為主起落架的收起和有效載荷艙的打開提供了充足的運動空間。

軌道器包含眾多控制舵面，其中每側機翼后緣各連接內外兩塊副翼，副翼差動實現滾轉控制，同向偏轉實現俯仰控制，著陸時向下偏轉，作為襟翼增加升力。

機身背部后方設置垂尾，其中方向舵分為上下兩組，每組又分為左右兩片，張開時可起到減速板的作用。

尾部下方還安裝有一塊體襟翼，正常飛行時可發揮體襟翼的縱向配平及俯仰控制作用，再入返回時可為發動機尾噴管遮擋空氣熱流。

軌道器是航天飛機唯一能夠全部重復使用的組件。

內部構造

軌道器的機身由前段、中段和后段三部分組成：

熱防護

在軌道器重返大氣層時，氣動加熱現象會導致軌道器的表面溫度迅速升高，所以必須進行熱防護處理。對軌道器而言，考慮到“重復使用”的要求，因此不適合用“燒蝕法”來防熱。根據溫度的不同，應采用不同的材料。具體如下：

陶瓷材料很脆，如果直接粘接到蒙皮上，在受熱和受力情況下，陶瓷瓦會破裂。因此，陶瓷瓦和鋁合金蒙皮之間膠有一層4mm厚的變形隔離墊。

外貯箱

外貯箱是航天飛機上質量最大的組件，同時也是最大的不可重復使用設備。主動段飛行過程中，固體助推器在燃料耗盡后首先與其分離，達到入軌高度和速度后，外貯箱與軌道器分離，最終在再入大氣層時解體。

外貯箱全長47m，直徑8.38m，結構主要選用2195鋁合金，質量約為33.5t，加注后質量高達744.3t，其中液氧加注604.2t，液氫加注101.6t。外貯箱主要由前端低溫液氧貯箱、箱間段、后端低溫液氫貯箱組成，并包括頂部整流罩、固體助推器和軌道器連接結構等。箱體外側覆蓋厚度為12.7mm的軟木/環氧樹脂復合材料層，并噴涂25.4~50mm厚的泡沫塑料防熱層。

固體助推器

固體助推器并聯捆綁在外貯箱兩側，與外貯箱分離后，拋掉噴管延伸段并最終落入海中。

美國航天飛機的SLS固體助推器是迄今為止建造的最大的固體助推器。每個助推器高17層，每秒燃燒約6噸推進劑。該款助推器采用推進劑為聚丁二烯丙烯腈。

飛行程序

發射倒計時階段

航天飛機發射倒計時一般從發射前 70h 開始，在倒計時期間完成各項檢查測試與系統配置工作：

升空入軌階段

以航天飛機離開發射臺為起飛零秒，主發動機在 -6s 點火，之后航天飛機以垂直上升的姿態離開發射臺。之后按如下程序完成入軌：

自發射起，發射團隊需時刻關注主發動機、助推器和外貯箱的工作情況，以便隨時采取應對措施。例如，當一臺發動機故障時，飛行控制團隊需要判斷航天飛機是否可以執行直接返回的預案。軌道器入軌期間，電氣及環控系統人員需關注相應系統的功能情況，而在爬升及入軌的整個階段，任務控制中心的工作人員都要始終保持高度警惕。

返回階段

航天飛機軌道器通過離軌制動發動機降低飛行速度和高度，并調整姿態實現再入與返回著陸。整個再入返回過程由如下四個階段組成：

1.高速再入階段

2.第一階段

3.第二階段

4.第三階段

每次飛行任務中，美國航空航天局會為著陸提供2天時間與多個著陸窗口，最常選擇在肯尼迪航天中心著陸，有時也會在愛德華茲空軍基地著陸，此時需要一架改裝過的波音747將軌道器運回肯尼迪航天中心。

固體助推器回收

緊隨發射之后的便是固體助推器的回收工作。在發射約6~7min后，固體助推器將濺落在離發射場約258km的大西洋海域。每個固體助推器配備有三套降落傘，以減緩在海面上濺落時的沖擊。助推器由兩艘專用回收船（自由之星號、獨立之星號）負責回收。回收船一般在發射前1天即啟程前往佛羅里達東海岸的預定海域，在助推器濺落后迅速靠近并開展各部件的打撈回收工作。

回收船靠近后，潛水員拆下助推器上的主降落傘，將它們纏繞在回收船甲板的卷軸上。潛水員還將找回減速傘、前裙段和截錐段，并將它們運回甲板。對于尺寸較大的助推器殼體，潛水員將潛入32m深的海中，將一個特制堵塞放入助推器的噴管，再壓入空氣，排出海水，將助推器由豎直狀態變為水平狀態，隨后將其固定在船側，運回卡納維拉爾角空軍基地。

服役歷程

美國航天飛機一般從肯尼迪航天中心發射執行任務。自1981年4月12日首架航天飛機發射以來，來自16個國家的355名航天員，乘坐航天飛機飛行852人次，共執行135次任務。其中，企業號只用于測試，一直未進入軌道執行太空任務。完成試驗任務后，企業號即被收藏在史密桑尼亞協會的博物館里。

受挑戰者號爆炸、哥倫比亞號航天飛機解體等事故的影響，且航天飛機本身在經濟性和安全性上存在問題，這種空天運輸系統于2011年7月20日退出歷史舞臺。

安全事故

挑戰者號爆炸

1986年1月28日，“挑戰者”號航天飛機進行第10次飛行，升空73秒后發生爆炸。價值12億美元的航天飛機化作碎片，7名機組人員全部遇難。這是美國進行25次載人航天飛行中首次發生在空中的大災難。

6月9日調查委員會正式向里根總統提出長達256頁的調查報告。報告認為，“挑戰者”號爆炸的原因是右側助推火箭存在問題。航天飛機發射時氣溫過低，寒冷的天氣對火箭墊圈產生影響，最終導致爆炸。

1988年，美國航空航天局投入2億美元改進設備，擴編安全部門。其中最重要的改良是，增加第三個O型圈，重新設計絕緣，從而阻止熱廢氣從引擎側邊外泄。此外，航天飛機還配備了基本的逃生系統。

哥倫比亞號解體

2003年2月1日，美國哥倫比亞號航天飛機在返回地面過程中解體，機上7名航天員全部遇難。失事時，哥倫比亞號的飛行高度是6.3萬米，時速1.9萬公里。

后續調查認為，左機翼上的防熱瓦失效，使得機翼結構受損，最終導致航天飛機解體。防熱瓦失效原因為：在航天飛機再入大氣層時，外貯箱上的絕熱泡沫由于工藝問題脫落，一塊重約0.76kg的泡沫脫落后撞擊左機翼，隨后破損處的防熱瓦在高溫中迅速失效。

主要問題

成本高昂

美國設定的目標是：至少重復使用100次，成本降低到原來的四分之一到二分之一。然而，這兩項目標均沒有實現。航天飛機每次發射的成本至少為5億美元，而“挑戰者”號和哥倫比亞號航天飛機的相繼失事更使情況雪上加霜。

美國在設計航天飛機時，希望能將運送1千克有效載荷到地球低軌道的費用降到350美元，但事實上一直卡在1萬美元這個瓶頸，這就使得航天飛機不僅沒有達到降低運輸費用的目標，而且在地面周轉的時間太長，導致整個飛行計劃缺乏靈活性。

最初，美國航空航天局計劃設計一款有翼航天器，這種航天飛機能夠完全重復使用，且每次飛行的費用可以減至最低程度，但研發費用很高，約需100億美元。然而，國會希望航天飛機計劃的費用在50~60億美元。因此，最終選擇現有的航天飛機布局。首飛日期原定于 1978年3月，但實際首飛晚了三年，在1981年4月12日。其中，因技術問題拖延兩年，經費不足拖延一年。

從總投資來看，1970-1989財年NASA用于航天飛機的費用每年平均為19.86億美元，總投資預算為385.9億美元，占NASA1970-1989財年總預算1029.43億美元的37.5%。其中，1985-1989財年用于航天飛機的年平均費用高達34.09億美元，約占美國航空航天局該五年預算的一半。受此影響，NASA不得不挪用其他項目的預算，擠占一些原有的研究計劃。

綜合多方數據，美國于1972年1月5日正式批準經費為51.5億美元，至1982年研制階段結束，費用達到100.83億美元。至1989年時，在航天飛機項目上已花費430億美元。

安全性不足

與其他航天器不同，航天飛機在設計中沒有考慮宇航員的逃生通道。一旦出現問題，宇航員就會失去逃生機會。我國戰略導彈與運載火箭技術專家、中國工程院院士龍樂豪認為，這是一個重大的戰略失誤。

航天飛機系統設計過于復雜，包括250萬個零部件，制造工藝難度高，需要解決運載能力和結構設計的矛盾，滿足重復使用的復雜氣動外形和耐高溫氣動加熱的熱防護要求。同時，人貨混運，軌道器、外貯箱和助推器并聯的設計方式導致航天飛機先天不足，沒有設置逃生系統，無法從根本上解決安全問題。

歷史意義

各界人士評價

美國總統奧巴馬在訪談中對航天飛機作了如此評價：“航天飛機取得了非凡成就，我們都以此為榮。”

航天飛機“亞特蘭蒂斯”號指令長克里斯·弗格森表示：“沒有航天飛機，國際空間站根本無法建設。”

美國新科學家網站盛贊航天飛機是“人類迄今建造過的最先進、最復雜、功能最為齊全的航天器”。

俄羅斯宇航專家利索夫這樣評價：“起初指望這個計劃能帶來商業利潤，這成了幻想……美國人對綜合體的復雜性和星際飛行工作的規模和難度估計不足。”

英國《經濟學人》雜志認為：“航天飛機的運營成本超出預想地高昂，為了確保復雜的設備系統的完全性，發射日期總是一拖再拖，需要核查的項目層出不窮，維修費用居高不下，最終成本并沒有因多次使用而降低下來?！?/p>

航天飛機前項目經理韋恩·黑爾表示，雖然他對航天飛機的缺陷有所認識，但航天飛機一旦真的進了博物館，自己是會難過的。

沒有航天飛機可用的NASA壓力重重

美國歷來是航天大國，衛星的維修和發射任務十分頻繁。隨著時間推移，越來越多的衛星維修任務也擺在了NASA的面前。尤其是哈勃空間望遠鏡，它為人類認識宇宙做出了巨大的貢獻，但它已經老了，有許多維修工作需要做。但沒有航天飛機可以升空的現狀，讓NASA感到十分頭痛，如果不去維修哈勃望遠鏡，來自天文愛好者的壓力也讓NASA感到無法承受。

壓力不僅來自于國內，也同樣來自于國外。航天飛機的一個最重要工作是參與國際空間站的建設，有許多部件需要由航天飛機送上太空，但自從哥倫比亞號航天飛機爆炸后，國際空間站的宇航員無法換班，于是，這些任務全部落到了俄羅斯頭上。俄羅斯的聯盟號貨運飛船，開始肩負起頻繁的發射任務。所有國際空間站需要的物品都由俄羅斯聯邦航天局承擔，俄羅斯方面對此已有怨言。

國外的怨言不僅來自俄羅斯，也同樣來自當年參與空間站建設的歐洲航天局，歐洲宇航局為國際空間站制造的大型觀察窗已經完成，可是這要等到四年以后才能發射安裝，這使國際空間站的建成速度大大減緩。沒有航天飛機，美國航空航天局就要承受來自各方面的壓力。

總體評價

與宇宙飛船相比，航天飛機因其超強運載力，能將一些無法用運載火箭發射的航天器送上太空，大大拓寬了有效載荷體積和質量，也增加了航天飛機的功能。同時，它能夠在軌回收、檢修衛星，可以在空間軌道上精確部署、組裝各類有效載荷，從而極大擴展了人類的空間活動范圍和規模，“國際空間站”就是最典型的例子。可以說，30年來，航天飛機為美國乃至全人類的太空探索事業畫出了一道獨特亮麗的風景線，然而高技術也隱含著高風險，這成為航天飛機致命的缺陷。

從成本來講，航天飛機每次的發射費用高達4億至5億美元，返回地面后需要大量維修工作，從而使發射間隔變得很長，每年最多只能進行5至6次發射。

航天飛機的安全性更是不容樂觀。航天飛機設計極為復雜，包含3000多個重要的分系統和超過300萬個零部件，只要其中一個分系統或關鍵零部件出問題，就可能導致重大事故。美國發射航天飛機的30年間，5架航天飛機損失了2架，共有14名航天員犧牲。134次飛行就有兩次事故，14人遇難，按照百萬公里死亡人數來計算，其風險比民航客機高138倍。NASA在2010年的一份內部安全報告說，現在航天飛機安全性比30年前提高了10倍，但發生災難性事故的風險仍達1/90。

航天科技對美國經濟的發展曾經起過巨大的牽引作用。美國航空航天局的一份統計資料指出，向航天科技領域每投入１美元，就能從整個經濟領域得到８美元的回報。NASA的另一份調查報告則指出，航天工程在就業、教育、經濟發展、軍民兩用技術等方面對美國產生了巨大影響，它帶來的技術突破直接促成了20世紀若干重大的技術進步。美國將航天技術轉化為民用產業，創造了2萬億美元的巨額利潤。另外，航天工業不僅直接產生經濟效益，航天科技的轉化和移植還能夠帶來更多的效益。據NASA公布的數據，美國在上世紀90年代開發的1000多種新材料80%是在空間技術的刺激下完成的，有近4000項空間技術成果已移植到民用領域，數萬家企業參與了載人航天的生產、研制。航天技術的二次應用已滲透到日常生活的方方面面。

美國航天飛機時代畫上句號后，美國將不得不以高價向俄羅斯購買宇宙飛船座位，使本國航天員得以進入國際太空站。

美國30年的航天飛機發展歷程，告訴我們這樣一個道理，一個人、一個民族，永遠不要停下追尋夢想的腳步。在這個過程中，錯誤也自有它的價值。正如美國航空航天局局長博爾登所說：“在NASA，失敗并不是最終結果?！焙教煊媱澘梢越K止，然而人類向未知領域進發的腳步永遠不會停下。