虽然载人飞船实现了人类进入太空的梦想，但无论是登上月球的“阿波罗”，还是经久耐用的“联盟”号，在将人类送入太空之后，返回地球的都只是载有航天员的座舱，整个飞船的其余部分不是留在了太空，就是在返回地球时被焚毁，而就是返回地球的部分也不可能再次进入太空。这也就意味着每次太空飞行，都需要研制一艘新的载人飞船，这无疑提高了太空飞行的成本。
美国于1962年制造了X—15火箭飞机，用一台推力为26多吨的液体火箭推动飞机飞行，创造了6倍音速的世界纪录；1967年这架飞机飞行高度达到了108千米。
此后，以美国为主的西方各国致力于火箭飞机的设计、研究，他们将火箭飞机与空间站等许多未来的太空飞行器设想联系在一起考虑，希望火箭飞机能成为未来太空站与地球之间的桥梁。
1972年1月，美国政府正式批准开展航天飞机的研究，它实际上是人们一直孜孜不倦追求的火箭飞机。10年以后，第一架航天飞机“哥伦比亚”号终于升空了。航天飞机正如它英文的字面意思“穿梭机”一样，往返于太空与地球之间。
来去自由的航天飞机揭秘航天飞机的结构
通过报纸或电视我们经常可以看到航天飞机，在各种媒体中我们也可以看到航天飞机令人惊心的发射场面，而对于航天飞机的认识可能也就只有发射时冒起的滚滚浓烟。可航天飞机究竟是什么样的？
航天飞机的轨道器
其实，在技术上这个词指的是一个航天交通系统，它包括三个部分：轨道器、外贮箱和固体火箭助推器。
轨道器是航天飞机系统中最主要的部分，也是唯一进入轨道飞行的部分。其形状与飞机非常相似，大小与一般的中型商业客机差不多。整个轨道器可以分为前、中、后三段。前段主要是航天员工作生活的机组座舱，中段是有效载荷舱，后段是航天飞机和轨道舱的动力系统。
机组座舱同载人飞船的返回舱、轨道舱一样，提供了航天员在整个飞行期间的生存环境和活动空间。座舱的空间比载人飞船的空间要大，但是一般情况下，座舱内要有7名航天员，如果有紧急情况，乘员还要增加到10名，这样空间似乎还是显得有些狭小。
机组座舱分为两层，顶层为飞行舱，里面装有上升、着陆及在轨期间驾驶轨道器所需的各种控制器。飞行舱的前部非常像客机的驾驶舱，透过窗口航天员可以看到外面的景象。飞行舱的后墙有两个观察窗，透过这两个窗口，航天员可以直接观察有效载荷舱，在太空中他们操纵后墙上的各种仪器来控制有效载荷舱内的系统。飞行舱后部的天花板上同样有两个观察窗，给航天员提供了更为广阔的视野。
在飞行舱的下面是航天员的生活间，被称为中舱。中舱实际上是航天员的生活间，所有的食品和生活用品都储存在这里。中舱内和飞行舱间有两个通行舱口可以使航天员在两舱之间自由通行。中舱一侧的机组通行舱门是航天员在地面上进出轨道舱的唯一通道。在中舱的后面有一气闸舱，是航天员在太空中进入太空，或进入未加压有效载荷舱的通道。
有效载荷舱占据了整个轨道器的大部分，舱内装的是由轨道器送入太空的卫星，或者是为航天员提供科学试验空间的小型实验室。它有两扇从中间对开的舱门。舱门分为内外两层，外层是防热层，内层是辐射冷却器。在轨道器上升和返回时舱门处于关闭状态，以保护放在载荷舱内的货物。而在轨期间舱门则一直开着，这样可以起到散热的作用。
轨道器后段的动力系统包括有3台主发动机，航天飞机发射时，这些发动机提供了轨道器进入轨道的部分推进力。主发动机的两侧各有1个轨道机动发动机，采用轨道器自身携带的甲基肼和四氧化二氮作为推进剂，用于主发动机关闭后的轨道器加速、变轨或交会，以及返回制动的推力。它可以持续工作15个小时，重复启动1000次。
为了进行轨道器的姿态控制和交会、入轨控制，轨道器的尾端两侧还装有24台反作用控制发动机，可重复启动50000次，同样的发动机在飞行舱前面的机头还有14台。在机头和机尾还装有6台微调发动机，可进行50万次的启动。这些发动机合起来称为反作用控制系统，推进剂由轨道器携带。这些发动机通过复杂的控制系统控制其点火时间，可以调整轨道器的姿态。
应该注意，轨道器只提供了在轨飞行期间的推进剂，并没有提供发射时主发动机所需的推进剂。考虑轨道器进入轨道需要燃烧大量的推进剂，而要把这些推进剂都贮存在轨道器内是很不合适的，于是设计人员在轨道器之外设计了一个专门携带推进剂的外贮箱。
外贮箱有两个贮箱组成，上端的贮箱内部装有液氧，下端的贮箱装有液氢。中间由一个连接舱连接。虽然看上去液氢贮箱的体积比液氧的大很多，但是因为液氧比液氢重16倍，所以装满推进剂后，液氢的重量只是液氧的1/6。在与轨道器连接时，液航天飞机的固体火箭助推器氧和液氢各通过一根管子从贮箱底端流入轨道器。当主发动机开始工作时，通过这两根管子流入发动机的液体可以很轻松地在25秒之内就把一个中等大小的游泳池灌满。
由于液氧和液氢的沸点约为零下一两百摄氏度，因此很容易就会汽化。为了使汽化的程度尽量减小，在外贮箱的外表面覆盖了一层薄薄的异氢尿酸泡沫，这种材料令外贮箱的表面呈橘红色。
在最初的飞行中，外贮箱被涂成了乳白色，这样做完全是为了美观，但在使用上毫无用处，因此后来不再使用这一做法。
有了外贮箱的航天飞机重量加大，特别是灌满了推进剂后，如果只用轨道器上的主发动机，根本不能使它们离开地球表面，于是外贮箱的两侧又连接了两个固体火箭助推器。
为了降低研制成本，助推器采用了分段结构，推进剂分别装入四段。最上端整流罩内装有推进剂点火装置、电子设备、应急自毁装置和减速伞，最下端是可调节方向的喷口，偏转角度6.65°。
之所以采用这种分段结构，最大的好处在于方便推进剂的灌装。固体推进剂在灌装前呈橡皮膏似的黏稠液体，灌入助推器后，要经过几天的干燥才能形成固态。整个灌装和干燥的过程要绝对保证推进剂的搅拌均匀，否则会影响发动机效率。比较之下，灌四个小段当然比灌一个长段要容易得多。
助推器各段之间的连接也是极其讲究的，要严格保证推进剂的密封性，防止高温燃气泄漏。虽然NASA（美国中央航空航天局）工作人员很早就注意到了这个问题，但还是在1986年“挑战者”号航天飞机的发射中付出了血的代价。
液氢
氢的液化采用压缩、膨胀、冷却、压缩循环过程。液氢与液氧组成的双组元低温液体推进剂的能量极高，已广泛用于发射通讯卫星、宇宙飞船和航天飞机等运载火箭中。液氢还能与液氟组成高能推进剂。
液氢作为火箭发动机燃料有很多优点：①氢—氧反应释放的燃烧热大，是一般烃类燃料不能达到的。②液氢、液氧都是低温液体。液氢比热大，可同时用作火箭高温部件和发动推力室的冷却剂，回收的能量可再送入燃烧室使用，使发动机工作状况改善。③氢—氧燃料系统产生污染极少。
液氢—液氧火箭发动机曾为“阿波罗”宇宙飞船登月飞行和航天飞机的顺利发射提供过巨大能量。此类发动机也对我国“长征”运载火箭的连续多次发射成功作出了巨大贡献。
航天飞机的飞行原理与特点
航天飞机的飞行原理
前面我们讲过，航天飞机由轨道飞行器、固体火箭助推器和外挂贮箱3大部分组成，航天飞机起飞的动力源自2台巨大的集束式助推器和3台液体推进剂。在这些起飞动力装置中，中心部分是一个外形像一架三角翼滑翔机的轨道飞行器，它垂直发射，是航天飞机飞行时必不可少的配件，它在进入地球大气层后像普通飞机那样下滑着陆。
航天飞机在起飞时，利用外挂贮箱内的液氢推进剂作为主发动机的动力，贮箱随着推进剂的使用完毕而抛弃。另外，航天飞机还依据轨道飞行器顺利飞行；一般情况下，航天飞机的轨道飞行器可使用次数在100次以上，它有一个巨大的货舱，可以作为卫星及其他材料的存储点；大规模的太空作业时，还可将外挂贮箱带入轨道，作为航天站的核心部分。
1000千米以下是航天飞机近地轨道的飞行高度，向国际空间站运送宇航员和各种建设用部件和补养是目前航天飞机的主要任务，因为航天飞机的运载能力比较大，所以它往往采用多级组合形式。在需要高轨道运行有效载荷的时候，还可以由航天飞机将其送上近地轨道后再从这个轨道发射，使其进入高轨道，以完成最终任务。
航天飞机的特点
总结起来，航天飞机具有以下几大特点：
（1）作为地面与轨道间一种经常性的运载工具，航天飞机的一项重要使命和功能是向轨道上布置飞行器，并在轨道上检修和回收飞行器。这样一来，就可以对这些飞行器的可靠性放宽要求，从而简化了设计，节省了价值昂贵的备份部件，大大降低了研制成本。
过去，航天器中的许多贵重设备和仪器只能使用一次，现在航天飞机既能把它们带回来进行修复，使其多次重复使用，又可以及时在轨更换飞行器上的设备（如装上新的传感器和仪器，换掉老化的或失灵的零件，补充上在运行中消耗掉的材料），从而延长飞行器的工作寿命，大大提高其利用率，避免极大的浪费。
航天飞机相当于一个短期运行的航天站（2）航天飞机的巨大货舱能容纳一个载人实验室，里面环境舒适，航天员在这里可以不穿航天服。航天飞机在发射和再入时的加速度只有3—4个重力加速度，一般人都能耐受。这样一来，就降低了对其乘员的健康条件的要求，为各领域内的科学家直接参加航天活动提供了可能性，使得这些科学家可以在天上直接操纵其设备进行科学研究。这一方面可以减小设备的复杂性和降低造价，另一方面可以大大提高实验研究的质量，就在飞行过程中完成解释、评价实验结果，及时改进方法，加速知识的增长。
在这样的实验室里，可以进行材料科学方面的研究，进行广泛的天文、物理和地球资源方面的研究及生物—医学方面的研究等。
（3）它相当于一个短期运行的航天站，为航天应用科学的蓬勃发展带来了广阔的前景。在人类进入太空以来，由于载人航天飞船在发射前的安装和测试所需时间太长，致使空间营救问题一直没有得到解决。航天飞机由于其发射准备时间短的这一特点，为这一问题的解决带来了希望。航天飞机为大型航天站的建立也创造了条件。它首先可以将航天站的组件和模块分批送上轨道，并在轨道上把它们组装起来。在航天站建成之后它又可成为往返地面和航天站之间的交通运输工具。
（4）具有军事的用途。研制航天飞机的最早设想就是要使之成为一种军事进攻性武器。所以，美国军界头目们一直很支持航天飞机计划。国防部承担了研制费（100亿美元）的1/6。先期4架航天飞机中的2架是完全按照国防部的要求设计的。航天飞机的全部飞行计划中，有1/3将由军方主持。空军参谋长对发展航天飞机的军事意图供认不讳，他公开宣布，航天飞机的基本任务就是要保证五角大楼的利益。为此空军对凡登堡空军基地要重新改建，以保证未来的载人或不载人的航天器在这里秘密组装和发射。
航天飞机能完成的军事任务有：
①军事侦察。航天飞机除了可向轨道上布置侦察卫星，并在天上对之进行维修、整个地回收或从侦察卫星上取回胶卷外，必要时也可载着侦察人员飞越特定地区进行侦察。
②拦截和破坏敌方航天器。航天飞机依靠其速度快和灵活机动的飞行能力，可在天上悄悄逼近、拦截、破坏或窃取对方的飞行器后急速返回自己的基地。
③轰炸和攻击敌方地面目标。航天飞机可以在45分钟内飞至地面上离发射场最远的地方。因此它可以作为近地轨道轰炸机带上进攻性武器，出其不意地对敌方重要的战略目标进行攻击。
④通信联络、指挥、导弹导航。美国航天飞机试飞成功引起了前苏联的极度不安。前苏联宣传机构说这是美国想用“超级武器”讹诈全世界的一种新的“****和沙文主义的行动”。前苏联负责航天员训练任务的领导人沙塔洛夫在莫斯科举行的一次招待会上说：“这将意味着武器竞争的一个新的盘旋上升。”具有讽刺意味的是，前苏联一方面谴责美国研制航天飞机的军事目的，而同时自己也悄悄地加紧搞航天飞机。由此可见，“哥伦比亚”号的试飞成功使美国和前苏联在宇宙空间的竞争又进入了一个新的阶段。
航天飞机除了上述种种好处外，也有它的局限性。这首先就是，它只能将载荷送上较低的轨道。要实现更高轨道的运载，特别是同步地球轨道的运送，还需借助于另外一种名曰“轨道间拖船”或“轨道间飞机”的接力运输工具才能实现。
