摘要： 今年2月1日，世界上第一架航天飞机，美国的Columbia(哥伦比亚号)在返回地球途中解体，7名航天员遇难，这一震惊世界的悲剧，引起了世人对航天飞机的密切关注。本文简要介绍一下航天飞机。
航天飞机是往返于地面和太空轨道之间运转旅客、给养或设备的飞行器。在上世纪60年代Apollo(阿波罗)登月工程接近完成时，美国NASA(国家航空航天局)就寻求美国航天计划的未来发展。当时把航天员和设备送上太空的火箭都是一次性使用的。于是可重复使用的航天器，即“航天飞机”(space shuttle)的概念想法就提出了。1972年Nixon(尼克松)总统宣布开发可重复使用的航天飞机，即太空运输系统(STS)的计划。NASA决定航天飞机由轨道器、固体火箭助推器和外置燃料箱组成，因为这个方案是比较安全和经济的。
经过许多年的试验，美国建造了四架航天飞机，分别命名为Columbia、Discovery(发现号)、Atlantis(阿特兰蒂斯号)和Challenger(挑战者号)。1981年4月Columbia航天飞机由航天员John Young和Robert Crippen驾驶进行了第一次成功的飞行。随后其他航天飞机也相继进行了飞行。1986年Challenger航天飞机发生爆炸，此后又建造了Endeavour(奋进号)航天飞机来替代Challenger。
航天飞机的预期寿命是100次飞行。迄今航天飞机已经历了许多次设计修改，其目的是更加安全，运载能力更大。
一、航天飞机的构成
航天飞机的总长度①是56m，翼展是24m。起飞总质量是2000t。航天飞机由以下三个部分组成(图1)：固体火箭助推器(2个)、外置燃料箱、轨道器。
图1 航天飞机的组成
a.固体火箭助推器——两侧长柱体；b.外置燃料箱——中间长柱体；c.轨道器——类似飞机形状
固体火箭助推器2个。在升空初期提供推力。长度46m，直径3.7m，质量590t。推力11700kN，在升空中占总推力的71%。在使用后分离出去，依靠降落伞减速，降落在海上，可以回收再用。
外置燃料箱。储存主发动机所需的燃料。长度48m，直径8.4m，总容积2×106L，可容纳燃料719t。箱内分隔成两部分：前储箱容纳液体氧，后储箱容纳液体氢。采用涡轮泵式输送系统。在使用后被抛弃，最后在大气中烧毁。
轨道器(orbiter)。航天飞机的主体。外形像飞机(图2)。在固体火箭助推器和外置燃料箱分离出去以后，航天飞机就是轨道器。所以往往也把轨道器叫做航天飞机。它主要由以下几部分组成。
图2 航天飞机的轨道器
1.机身。分为前机身、中机身和后机身三段。
2.机翼、垂直尾翼、舵面。
3.航天员舱。位于前机身，容积为74m3，可容纳至多8名航天员。
4.主发动机。是液体火箭发动机，共3台。位于后机身，安装在球形接头上，可调节推力方向，控制飞行。每台发动机长4.3m，直径2.3m，质量3040kg。燃料是液体氧和液体氢。燃烧产物水蒸气以2780m/s的速度排出。每台发动机的推力是1668～2091kN。为航天飞机升空提供29%的推力。在固体助推器分离后，主发动机继续工作，直到把轨道器送入轨道，随后外置燃料箱就脱离。
5.轨道机动系统2个。在轨道器的后段，尾翼的两侧。该系统使轨道器精确进入轨道，进行轨道机动以及在最后使轨道器减速而脱离轨道。它们也是液体火箭发动机，利用氦气将燃烧剂和氧化剂从各自的储箱挤压到燃烧室，一接触就自动燃烧。每个轨道机动系统可产生推力26400N。可以起动和关机1000次，总工作时间可达15小时。
6.反作用控制组件。在前机身和后机身各有一个，互相配合工作，实现轨道器姿态控制或轨道微调。由38个固定喷嘴和6个游动喷嘴组成。可控制轨道器移动以及滚转、俯仰和偏航转动。
由于当航天飞机(轨道器)返回过程中，再入大气层时速度非常高，Mach(马赫)数高达20，产生的温度高达1650℃，为了保护航天飞机的结构和航天员，航天飞机的表面覆盖了陶瓷绝热材料，俗称绝热瓦。
二、航天飞机的运行过程
航天飞机一次飞行任务的时间是7～14天，必要时可以延长。典型的飞行任务分为三个主要阶段。
第一阶段：发射和入轨。
1.在发射台上预先点燃主发动机(液体火箭发动机)。当点燃固体火箭助推器时，总推力才超过重力，此时航天飞机离开发射台上升。
2.升空20秒，航天飞机转身，达到滚转角180°，俯仰角78°。
3.升空2分，固体火箭分离出去(此时高度45km)，打开降落伞，降落在海上，将回收再用。
4.升空8.5分，主发动机关机。
5.升空9分，外置燃料箱被抛弃(将在再入大气层过程中烧毁)。从此以后，航天飞机就是轨道器。
6.升空10.5分，轨道机动发动机开动，使航天飞机进入低轨道。
7.升空45分，轨道机动发动机再次开动，使航天飞机进入较高的圆轨道。
第二阶段：在轨道上执行任务阶段。
航天飞机的典型轨道参数是：轨道高度350～650km，轨道倾角(即轨道平面与地球赤道平面之间的角)39°～51.6°。航天飞机可执行的任务包括：进行科学实验、对地球和天体观测、向太空站运送人员和物资、释放卫星、回收失效的卫星，修理其他航天器(例如Hubble(哈勃)太空望远镜)等。在执行这些任务时要进行许多次轨道机动和姿态机动。在正常情况下航天飞机的姿态是：机头向前，舱顶在下(近地球)。
第三阶段：返回和着陆。
在完成任务后航天飞机返回和着陆是十分复杂的过程。
1.在离着陆场(Kennedy航天中心)大约半圈轨道距离时，地面控制中心发出返回指令。
2.把飞机的姿态转成尾部向前，并开动轨道机动发动机，使航天飞机减速，从而离开运行轨道，进入返回轨道(这个动作叫做离轨)。
3.经过大约25分，航天飞机到达大气上层。再次改变姿态，使得头部向前，且具有40°俯仰角。
4.在大气中航天飞机能像飞机-滑翔机那样(没有动力)飞行，由机载计算机控制飞行。
5.当航天飞机距离着陆场225km(高度45.7km)时，捕获到无线电信标，以后就由机长控制飞行，他要把航天飞机保持在一个直径为5.5km的虚拟管道内，因而能对准跑道。
6.在放下起落架后不久，航天飞机就触地，除机轮刹车外，还利用垂直尾翼上的减速板和从尾部张开的减速伞，促使航天飞机停止。这样整个飞行任务就完成了。
三、几点思考
美国航天飞机的两次大的灾难性事故引发了人们对这类航天器的思考。目前，天地往返载人航天器有两个基本的类型：美国的航天飞机是一类，俄罗斯的Soyuz(联盟号)飞船是另一类。当然，全面地比较这两类飞行器的优点和缺点是十分困难的。这里作者想谈谈粗浅的看法。
航天飞机是航空与航天技术圆满结合的产物，是杰出的技术成就。
航天飞机的优点，第一是可部分重复使用。除外置燃料箱被抛弃和烧毁外，固体火箭助推器壳体可以回收再用，轨道器则返回地面，经过修理后可以重复使用，预计可以飞行100次。这样就可以降低载人飞行的成本。但事实上航天飞机每次飞行后的维护和修理费用很高，所以经济性并不像原来预期的那样好。第二是承载能力大，可乘坐8名航天员，还能运送大量物资。而Soyuz飞船只能乘坐3名航天员。第三是具有强大的轨道机动能力，能执行许多功能任务。
航天飞机的缺点是构造太复杂，飞行过程也太复杂。这不仅造成研制费用的极其高昂，而且也引起可靠性的降低。这两次重大事故的发生本身是偶然的，但是否也暗藏着某种必然性呢？
图1 航天飞机的组成
a.固体火箭助推器——两侧长柱体；b.外置燃料箱——中间长柱体；c.轨道器——类似飞机形状; 图2 航天飞机的轨道器
作者注：本文顺便反映了作者关于处理外国人名、地名及飞行器名字的主张。作为尝试，希望得到编者和读者的理解。
①由于现有航天飞机型号不同，有些数据相互稍有差别，本文技术数据均为概数。
