30年，在歷史長河中顯得微不足道，可是對於美國航空航天局（NASA）的航天飛機（Space Shuttle）項目來說，卻創造瞭無數偉大的奇跡：協助建造瞭國際空間站（ISS）、將哈勃望遠鏡送入太空、對在軌衛星進行捕獲並維修、宇航員的太空行走，以及一系列生物科學實驗等等，為後續人類探索太空的活動積累瞭寶貴的經驗。
阿波羅登月計劃前後，航天界發現單次使用土星五號重型火箭進行發射任務，成本過於高昂。鑒於當時的經濟發展特點，建立一種多次可重復使用的運載器想法應運而生。1972年1月，美國正式把研制航天飛機空間運輸系統（STS）列入計劃，確定瞭航天飛機的設計方案。
1981年4月12日，第一架航天飛機“哥倫比亞”號載著人類的美好希望從佛羅裡達州肯尼迪航天中心39A發射臺轟鳴而起，開啟瞭探索太空的使命。2011年7月隨著“亞特蘭蒂斯”號返回肯尼迪航天中心，人類歷史上浩大的航天飛機項目落下瞭帷幕。
航天飛機雖然退出瞭歷史舞臺，但卻積累瞭寶貴的經驗，將人類向太空探索的進程推進瞭一大步。NASA前局長博爾登說：“航天飛機是個瞭不起的運載工具，這個不可思議的項目教會瞭我們許多東西，並幫助明天的太空探索成為可能。”
圖1 航天飛機項目紀念章
航天飛機，是世界上第一個將人類送入軌道的可重復使用航天器，具有多種功能特點：可將人造衛星等航天器送入太空；能像載人飛船一樣在軌道上運行；可像滑翔機那樣在大氣層中滑翔著陸。航天飛機的關鍵特征是垂直發射水平著陸，重要的指標是可回收。
一、航天飛機的構成
航天飛機由軌道飛行器（OV）、固體火箭助推器（SRBs）和外部燃料箱（ET）三部分組成。軌道飛行器的機艙寬大，可以用於存儲大型設備或搭載宇航員。固體火箭助推器安裝在外部燃料箱兩側，為航天飛機在發射升空前兩分鐘內提供推力。外部燃料箱裝有液體推進劑，是唯一沒有再次使用的部分，將在發射數分鐘後重新進入大氣層解體入海洋。據稱，航天飛機由大約210萬個活動部件組成，可以看做是人類有史以來建造的最復雜精密的機器，下面將對航天飛機各構成部分進行介紹：
- 軌道飛行器：軌道飛行器作為航天飛機系統的主要組成部分，每個軌道飛行器都能夠將機組人員以及有效載荷送入軌道100多次。軌道飛行器分為三個主要部分：航天員駐留的前艙或乘員艙，有效載荷艙，以及包含三個主發動機的機尾部分。乘員艙由加壓工作間、生活間和儀器設備艙構成，位於軌道飛行器的前部；有效載荷艙位於飛行器機頭和機尾之間，可輕松容納中等大小的汽車；軌道飛行器的尾部有主發動機、機體副翼和垂直穩定器。其中垂直穩定器由翅片結構組成，作為船舵和減速板。當軌道飛行器在大氣中飛行時，船舵可用於操縱左右方向，並在著陸時分成兩半，作為減速板。
- 固體火箭助推器：發送軌道飛行器需要大量的能量，所以需要使用兩個固體火箭助推器來增補主發動機並產生必要的推力，從而達到預定軌道。固體火箭助推器附到外部燃料箱的兩側，固體燃料是鋁和助燃劑的混合物。隻有在主發動機啟動後才能點燃固體火箭助推器。在飛行的前兩分鐘，航天飛機消耗的是固體火箭助推器的燃料。此時，推進器會與軌道飛行器分離，而剩餘的動能足以使他們繼續向上飛行。航海拖船可以用來回收固定火箭助推器，然後將其運回肯尼迪航天中心進行清潔、加油，以便下次使用。
- 外部燃料箱：在飛行的第一個八分半鐘，軌道飛行器的三個主發動機的燃料來自於外部燃料箱。燃料箱的上部存儲液態氧，下部存儲液態氫。兩個存儲區域中間的分割區儲藏瞭連接氧氣和氫氣的管道。外部燃料箱的外部材料能夠使其免受過高發射溫度損害。燃料箱錐體的突出部分可以減少空氣阻力，一旦離開發射塔，燃料箱的突出部分還可以充當避雷針。它是航天飛機系統中唯一不可重復使用的主要部分。
二、航天飛機的飛行過程
航天飛機的飛行過程大致有上升、軌道飛行、返回三個階段，主要包括：點火-起飛-固體火箭助推器脫離-外部燃料箱分離-進入預定軌道-主發動機熄火-進行試驗任務-重啟發動機-返回大氣層-水平著陸。當航天飛機返回地球時，它不會像太空艙在降落傘的作用下進行著陸，而是通過“翅膀”滑回地球跑道。
圖2 “發現”號航天飛機起飛圖3 “發現”號航天飛機著陸
三、主要的航天飛機介紹
歷史上，隻有美國和前蘇聯制造出能進入近地軌道的航天飛機。1988年11月15日，蘇聯“暴風雪”號航天飛機發射升空，這也是蘇聯唯一一次航天飛機飛行。此後，由於一些政治和經濟原因，蘇聯的航天飛機項目慘淡收場。美國是世界上第一個擁有航天飛機的國傢，也是目前唯一使用航天飛機執行航天發射任務的國傢。美國歷史上一共制造瞭6架航天飛機，均由羅克韋爾國際公司建造，其中5架進入過太空。美國的航天飛機均從弗洛裡達州肯尼迪航天中心發射，著陸點除此之外，還包括愛德華茲空軍基地，備用的著陸點是在北卡羅來納州的白沙太空港。
下面針對美國的6架航天飛機進行介紹：
1、“企業”號（Enterprise），OV-101，是第一架航天飛機原型機，被用來測試著陸、有人駕駛自由飛行等試驗，但並未進入太空。1977年，“企業”號被安裝在一架改裝的波音客機上進行進近著陸試驗，為後續“哥倫比亞”號的順利升空奠定瞭基礎。
圖4 “企業”號進行進近著陸試驗
圖5 美國總統羅納德·裡根在“企業號”航天飛機前
2、“哥倫比亞”號（Columbia），OV-102，是為紀念一艘單桅帆船而命名的。1792年5月11日，羅伯特·格雷船長駕駛這艘帆船通過危險的內陸水域，來探索不列顛哥倫比亞（British Columbia）以及現在的華盛頓州和俄勒岡州。“哥倫比亞”號是第一架進入軌道的航天飛機，它的前四個任務是試飛，以測試航天飛機的設計的可靠性。宇航員通過操作機械臂，在試飛期間對飛行系統進行瞭評估。“哥倫比亞”號在執行任務期間部署瞭許多衛星，並進行瞭一系列科學實驗。2003年2月1日，“哥倫比亞”號在執行第28次任務STS-107時，由於隔熱層脫落擊中飛船左翼前緣，導致在重返大氣層時解體，7名宇航員全部遇難。
圖6 “哥倫比亞”號航天飛機在愛德華茲空軍基地
3、“挑戰者”號（Challenger），OV-099，是以19世紀70年代英國海軍艦艇HMS Challenger號命名的。“挑戰者”號是第二艘執行任務的航天飛機，於1983年4月4日進行瞭代號為STS-6的首次飛行。“挑戰者”號執行的任務中，包括宇航員首次進行太空行走，以及第一次將衛星拉離軌道、修復並送回等。據悉，當時“挑戰者”號飛到距衛星約60米的地方，航天員借助於噴氣推進器噴出的氣流在太空走向需要維修的衛星——“太陽峰年”，地面衛星控制中心對“太陽峰年”衛星上的電腦發出減慢自轉速度和保持穩定的兩個指令，然後航天員再用機械手“手指”插進衛星體上的火箭發動機噴口，把衛星牢牢地拴連在機械手上拉回來，放到航天飛機內特設的修理臺上進行修理，全部工作花瞭將近200分鐘才完成。之後“挑戰者”號調整自己的飛行高度，將修復的衛星升高到衛星原來繞地運行軌道上，通過機械手推向太空。1986年1月28日，由於“挑戰者”號右側固體火箭助推器的O型環密封圈失效，毗鄰的外部燃料艙在泄露出的火焰的高溫燒灼下結構失效，導致航天飛機在爆炸中解體，7名宇航員全部罹難。
圖7 宇航員太空行走
4、“發現”號（Discovery），OV-103，是以英國探險傢詹姆斯·庫克船長在18世紀70年代發現夏威夷、探索阿拉斯加和加拿大西北部時使用的兩艘船之一命名的。“發現”號是第三艘運行的航天飛機，於1984年8月首次進行瞭代號為STS-41D的飛行。“發現”號執行瞭39項任務，飛行量超過瞭其他航天飛機。“發現”號還曾將哈勃太空望遠鏡送入太空，也曾在國際空間站上安裝一個新的太空艙，以擴展國際空間站的規模。繼2011年2月/3月對國際空間站執行STS-133任務後，“發現”號航天飛機從NASA退役。
圖8 “發現”號航天飛機在美國國會大廈上空飛行
5、“奮進”號（Endeavour），OV-105。1988年，NASA向全美中小學發出征集，希望他們命名最新一架航天飛機，最終采用瞭1768年英國庫克船長（James Cook）前往南太平洋考察時乘坐的英國皇傢海軍調查船的名字——“奮進”號。1992年5月，“奮進”號執行瞭首次任務STS-49。三名太空行走的宇航員捕獲瞭一顆在軌衛星，經過修復並從航天飛機上重新發射。“奮進”號還完成瞭美國宇航局哈勃太空望遠鏡的第一次維修任務。“奮進”號是繼2011年5月/6月成功完成第25次任務STS-134後，即將阿爾法磁譜儀-2（AMS）送入國際空間站後退役。
圖9 哈勃望遠鏡的維修任務
6、“亞特蘭蒂斯”號（Atlantis），OV-104，是以1930年至1966年馬薩諸塞州伍茲霍爾海洋研究所的研究船命名的。“亞特蘭蒂斯”號於1985年10月3日進行瞭代號為STS-51J的首次飛行。“亞特蘭蒂斯”號完成的任務包括向金星和木星發射探測器，並將“命運號實驗艙”運送到國際空間站。同時，“亞特蘭蒂斯”號也承擔瞭哈勃太空望遠鏡的維修任務，也是首個與俄羅斯“和平”號空間站對接的軌道飛行器。在結束瞭代號為STS-135的任務後，“亞特蘭蒂斯”號完成瞭最後一次飛行，30年的航天飛機時代宣告終結。
圖10 “亞特蘭蒂斯”號與“和平”號空間站對接
四、航天飛機取得的成就
美國航天飛機共搭載瞭355名宇航員進行瞭太空探索，其中包括306名男性和49名女性，飛行次數總計852次。斯托裡·馬斯格雷夫是唯一一位乘坐過所有五架航天飛機的宇航員。航天飛機的總飛行裡程為542,398,878裡，繞地球軌道21,152次：
作為人類迄今建造的最復雜、功能最強大的多用途航天器，航天飛機兼有運載火箭、貨運飛船和載人飛船甚至小型空間站等許多功能，完成瞭大量復雜而艱巨的任務。它可以把一些因形狀和體積等原因無法用運載火箭發射的航天器送入太空，並可同時派航天員出艙作業，大大擴展瞭人類空間活動的規模和范圍。此外，航天飛機是世界上第一個實現部分重復使用且能為國際空間站的建造運送艙段和大尺寸構件的天地往返運輸器，具有宇宙飛船不可比擬的載人運貨能力，為建設國際空間站提供瞭重要保證。
美/俄航天飛機
五、航天飛機落下帷幕
1986年1月28日，美國“挑戰者”號航天飛機在升空不久後曾發生爆炸，7名宇航員全部遇難。分析顯示，“挑戰者”號航天飛機助推器上的“O”型橡膠環破損，但NASA並未重視這個問題，認為破損的“O”型橡膠圈是“可以接受”的。最終航天飛機噴出的高溫燃氣燒穿瞭助推器外殼，繼而引燃外部燃料箱，液氫在空氣中劇烈燃燒導致爆炸發生。“挑戰者”號的遺骸散落在大海中，後來被遠程搜救隊打撈瞭上來。
2003年2月1日，“哥倫比亞”號航天飛機返航時失事，機上所有7名宇航員遇難。8月26日，“哥倫比亞”號航天飛機事故調查委員會公佈瞭調查報告。報告指出，導致“哥倫比亞”號航天飛機解體的直接原因是發射升空後，一塊泡沫撞擊到防熱瓦，形成瞭裂縫。航天飛機在著陸時，超高溫氣體從裂縫進入機體，直接導致航天飛機解體。報告同時指出，美國NASA的疏忽和那塊泡沫一樣致命，其沒有獨立的安全計劃，缺乏安全文化，存在僥幸心理，不善於學習和總結。
有人稱航天飛機目前稱得上是當代世界上用途廣泛、乘坐舒適，但成本很高、風險很大的大型載人航天運載工具。在經歷瞭三十年的輝煌過後，航天飛機最終還是逐漸退出瞭歷史帷幕。究其原因，主要有以下兩點：
一是安全性不高：歷史上美國共有5架航天飛機進行瞭135架次飛行，損失瞭2架，這相當於每67次飛行就有1次失事。如果按單位裡程的死亡率，航天飛機的危險性比噴氣式飛機高約138倍。NASA在2010年的一份內部安全性報告中說，現在航天飛機安全性比30年前提高瞭10倍，但發生災難性事故的風險仍然達到1/90。由於航天飛機設計存在先天不足，沒有逃逸系統，且實行人貨混運，既復雜又昂貴，目前對其改進無法解決根本問題，其安全性和可靠性都遠低於相對簡單的載人飛船。
二是項目費用過於高昂：據NASA官網的數據表明，2010財年，準備並發射一架航天飛機的平均費用約為7.75億美元/次，整個航天飛機項目的花費瞭1137億美元（未經通貨膨脹調整）。而且作為一個復雜精密的系統，航天飛機在返回地面以後要進行大量的維修工作，人力物力耗費巨大。美國媒體的統計顯示，考慮通脹因素之後，美國花在航天飛機項目上的資金總額已超過登月、制造原子彈和開鑿巴拿馬運河的總和，對美國財政來說是一項不小的負擔。
六、結語
20世紀70年代，NASA宣傳航天飛機為：它將像飛機一樣經濟、安全和可靠。但現實證明，這個想法或許過於超前，航天飛機的許多設想根本無法實現。但這並不阻擋人類對廣袤無垠宇宙的探索腳步。蘇聯航天科學傢康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基說：“地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠待在搖籃裡。”仰望星空，從地球到宇宙充滿著神秘與未知，人類對宇宙的探索從未停息。航天飛機項目作為人類歷史上輝煌的奇跡，寄托瞭無盡的希望，激起瞭無數人的探索欲望。雖然航天飛機時代已經終結，但其寶貴的技術經驗卻為後世永遠地留傳下來，也激發瞭一代代人前赴後繼地探索宇宙、探索未知，而這也印證瞭阿爾貝特·施韋澤的那句名言：“我憂心忡忡地看待未來，但仍滿懷美好的希望。”
圖片及表格來源於NASA官網
作者：魯靜