第4202回：近地航天運輸系統，可回收軌道太空飛行器

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第4202回：近地航天運輸系統，可回收軌道太空飛行器

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太空梭是米國國家航空航天局1981至2011年運作的近地軌道太空飛行器，有一定的重複使用空間，正式名稱「航天運輸系統」。太空梭是1969年可回收太空飛行器方案中唯一獲資助的項目，也是米國太空梭計劃的核心。航天飛行先經過四次軌道測試飛行，其中第一次是在1981年，再於1982年開始運作飛行。

米國共製作五架完整的太空梭軌道飛行器並在前後三十餘年間執行135次任務，每次都是從佛羅裡達州的甘迺迪航天中心起飛。除發射哈勃空間望遠鏡、多枚人造衛星和空間探測器外，這些任務還完成軌道科學實驗，參與國際空間站的建設和維護。所有太空梭的任務時長總和為1322天19小時21分23秒。

太空梭的部件包括：帶有三個洛克達因主發動機的軌道飛行器，一對可回收的固體火箭助推器，屬消耗品、用於存放液氫和液氧的外儲箱。太空梭是可重複使用的太空飛行器，兩個固體火箭助推器和軌道器上由外儲箱提供燃料的三個主發動機就像常規火箭一樣並行操作。固體火箭助推器在太空飛行器抵達軌道前分離，外儲箱在即將注入軌道時分離，注入過程由軌道器的兩個軌道機動發動機完成。

任務完成後，軌道器啟動軌道機動發動機脫離軌道並返回大氣層。再入期間，軌道器受隔熱瓦保護，經過滑行像太空飛機一樣在跑道著陸，大多數著陸點是佛羅裡達州甘迺迪航天中心的太空梭著陸設施或加利福尼亞州愛德華茲空軍基地的羅傑斯幹湖。軌道器在愛德華茲空軍基地著陸後用波音747特別改裝的太空梭運輸飛機送回甘迺迪航天中心。

1976年製成的「企業號」是第一個軌道器，但沒有軌道飛行能力，只能用於進近與著陸測試。起初建造的全功能軌道器共有四架，分別是「哥倫比亞號」、「挑戰者號」、「發現號」和「亞特蘭提斯號」，其中有兩架因任務事故損毀，分別是1986年的「挑戰者號」和2003年的「哥倫比亞號」，共導致14名航天員喪生。

1991年，米國建造第五架可運作軌道器「奮進號」，用於取代「挑戰者號」。2011年7月21日，「亞特蘭提斯號」完成最後一次飛行任務，米國的太空梭全部退役。此後，米國長年依靠俄羅斯聯盟號宇宙飛船將航天員送上國際空間站，直至2020年5月30日商業航天員計劃首飛時止。

米國空軍在20世紀50年代提議用配備飛行員且可重複使用的滑翔器執行軍事任務，如偵察、衛星攻擊和空對地武器攻擊等。50年代末，空軍開始發展有一定重複使用空間的X-20試驗機。1961年，空軍同米國國家航空航天局在試驗機項目合作並訓練六名飛行員。由於開發成本不斷上升，而且雙子座計劃更加優先，試驗機項目於1963年12月取消。空軍還曾於1957年開展研究，檢測是否能重複使用助推器，這些研究成為航空太空梭的基石。1962至1963年的初步設計階段尚未涉及能完全重複使用的太空飛行器。

米國國家航空航天局還從20世紀50年代初開始同空軍合作開發升力體，測試主要通過機身而非機翼產生升力的飛行器，測試項目包括M2-F1、M2-F2、M2-F3、HL-10，以及X-24A和X-24B試驗機。項目測試的空氣動力學特徵後來納入太空梭設計，如高空高速無動力著陸等。

1966年9月，米國國家航空航天局和空軍發布聯合研究結論，為滿足將來需求研發的新型太空飛行器最好能夠實現部分再利用來節省成本:164。1968年8月10日，航空航天局載人航天辦主任喬治·穆勒（George Mueller）宣布可重複使用的太空梭計劃，之後又為發射與再入綜合太空飛行器設計發布需求建議書，這種綜合太空飛行器後來發展成太空梭。航空航天局宣布不會根據初步建議擇優籤約，而是分階段承包太空梭開發。第一階段要求競標的航天公司完成研究；第二階段是兩家承包商競爭特定合同；第三階段涉及太空飛行器部件細節設計，第四階段才是太空飛行器製作。

1968年12月，航空航天局成立太空梭任務組負責確定可重複使用太空飛行器的最佳設計，通用動力、洛克希德公司、麥克唐納-道格拉斯公司和北美羅克韋爾拿到研究合同。1969年7月，太空梭任務組發布報告，認為太空梭可用於短期載人飛行和空間站任務，也能用於發射、維護和回收人造衛星。

報告還將未來的可重複使用太空梭分成三類：第一類是把可重複使用的軌道器裝上一次使用助推器；第二類採用多個一次使用運載火箭的發動機與單個推進劑儲存箱；第三類的軌道器和助推器都能重複使用。1969年9月，米國副總管斯皮羅·阿格紐領導的太空任務組發布報告，呼籲開發可運送人員和貨物到近地軌道的太空梭，能在軌道和月球間傳輸的太空拖船，以及用於深空旅行的可重複使用核上面級。

太空梭任務組的報告發布後，許多航天工程師都對明顯最能節省硬體成本的第三類青眼有加。曾參與水星飛船設計的馬克斯·法格（Max Faget）獲取可完全重複使用的二級系統專利，設計方案是直翼軌道飛行器附在更大的直翼助推器上。但米國空軍飛行動力學實驗室指出，直翼設計無法承受再入時的極高熱力和空氣應力，而且功能單一，不能實現提供多種功能的設計目標。此外，空軍需要的有效載荷能力業已超出法格設計所限。1971年1月，航空航天局與空軍高層確定，太空梭的最佳設計方案是三角翼軌道飛行器和消耗型推進劑儲存箱。

確認需要可重複使用的重型太空飛行器後，航空航天局和空軍開始確定各種功能的設計要求。空軍認為太空梭要有發射大型衛星的能力，所以要把重2.9噸的物體提升至東向近地軌道，或將18噸的物體送入極軌道。根據不同的衛星設計方案，太空梭需要長18米，寬4.6米的有效負載艙。航空航天局經評估認定土星系列運載火箭採用的F-1和J-2火箭發動機不能滿足太空梭需要，然後在1971年7月向洛克達因發布合同，開始研發太空梭主發動機。

檢視29種太空梭方案後，航空航天局選中帶有兩個側助推器的設計，並且助推器還能重複使用來降低成本。同樣出於成本考慮，航空航天局和空軍選擇使用固體燃料助推器，而且這樣的助推器落入大海後也更容易翻新。1972年1月，米國總管理察·尼克森批准太空梭計劃，航空航天局也在同年三月確定最終設計。同年八月，航空航天局與北美羅克韋爾籤訂軌道器製造合同，固體燃料助推器合同由賽奧科公司（Thiokol）獲得，馬丁·瑪麗埃塔拿到外儲箱合同。

1974年6月4日，北美羅克韋爾開始建造第一個軌道器，之後得名「企業號」的「OV-101」。「企業號」屬測試飛行器，不包含發動機和隔熱部件。1976年9月17日完工後，「企業號」被運到愛德華茲空軍基地測試。羅克韋爾制出「098號主推進試驗品」，是附在外儲箱上的結構桁架，帶有三個太空梭主發動機，並在國家空間技術實驗室測試確保發動機能安全完成發射過程。接下來北美羅克韋爾又在「099號主推進試驗品」測試機械應力和熱應力，確定發射和再入時空氣動力和熱應力的強度。

太空梭主發動機開始開發的時間比預訂延遲九個月，同時普惠公司質疑洛克達因公司為何能拿到合同。首個可重複使用變推力發動機的開發過程遇到許多問題，第一臺直到1975年3月才完成。發動機測試期間有多個噴嘴故障，甚至出現渦輪葉片斷裂，但航空航天局還是向洛克達因訂購三架軌道器所需的九臺發動機，這些發動機從1978年5月開始製作。

航空航天局在太空梭隔熱系統研發過程中經歷重大延誤。該局過去的太空飛行器採用燒蝕隔熱罩，但不能多次使用。考慮到太空梭可以用重量較輕的鋁建造，航空航天局決定採用隔熱瓦，這樣有需要時就可以單獨更換。「哥倫比亞號」太空梭於1975年3月27日開建，1979年3月25日運至甘迺迪航天中心，但抵達時三萬片隔熱瓦尚有兩成沒裝，裝好的又有相當一部分必須更換，導致「哥倫比亞號」兩年後才能飛行。

1979年1月5日，航空航天局訂購第二架軌道器。羅克韋爾同月開始把「099號主推進試驗品」轉製成「OV-099」，便是之後的「挑戰者號」太空梭。29日，航空航天局又訂購兩架軌道器「OV-103」和「OV-104」，後來分別得名「發現號」及「亞特蘭提斯號」。之後成為「奮進號」太空梭的「OV-105」雖然早在1982年2月便開始製作，但航空航天局在1983年決定把太空梭編隊限制在四架。「挑戰者號」爆炸後，航空航天局於1987年9月恢復「奮進號」生產。

送抵愛德華茲空軍基地後，「企業號」被裝上波音747改裝的太空梭運輸飛機開始飛行測試。1977年2月，「企業號」開始進近與著陸測試，飛行期間始終與太空梭運輸飛機相連。1977年8月12日，「企業號」執行首次滑翔測試，脫落太空梭運輸飛機後在愛德華茲空軍基地著陸。此後「企業號」又經過四次飛行測試，再於1978年3月13日送到馬歇爾太空飛行中心，裝上外儲箱和固體燃料助推器後在垂直地面振動試驗場（Mated Vertical Ground Vibration Test）接受晃動試驗，還用振動試驗模擬發射時的應力。1979年4月，「企業號」返回愛德華茲空軍基地，安裝外儲箱和固體燃料助推器後轉送甘迺迪航天中心39號發射臺，用於驗證發射複合體設施的恰當方位。1979年8月，「企業號」回到加利福尼亞州，後在1984年范登堡空軍基地六號太空發射複合體的開發過程中使用。

1980年11月24日，「哥倫比亞號」開始安裝外儲箱和固體燃料助推器，同年12月29日送到39號發射臺:III-22。STS-1不但是首次太空梭任務，也是航空航天局的載人太空飛行器首飛:III-24。1981年4月12日，太空梭首度發射，帶著約翰·楊和羅伯特·克裡彭飛上藍天。兩名飛行員在兩天任務期間檢測太空梭的各種設備，發現「哥倫比亞號」軌道機動系統吊艙有多塊隔熱瓦脫落。航空航天局與空軍合作，使用衛星拍攝「哥倫比亞號」機底照片，確定沒有損傷。4月14日，「哥倫比亞號」返回大氣層並在愛德華茲空軍基地著陸。

航空航天局接下來又三次試飛「哥倫比亞號」。1982年7月4日，肯·馬丁利和亨利·哈特斯菲爾德完成STS-4任務後在愛德華茲空軍基地的混凝土跑道著陸。隆納·雷根總管和第一夫人南希·裡根接見工作人員，總管還在現場演說。STS-4成功後，航空航天局宣布航天運輸系統投入運作。

太空梭是歷史上第一種可操作且可重複使用的軌道太空飛行器，每個太空梭軌道器的設計使用壽命都有十年，能發射一百次，而且後來還得以延長。發射時的太空梭主要包括三大部分，分別是載有人員和有效載荷的軌道器，外儲箱和兩個固體助推器。

航空航天局和空軍各機構分別負責航空飛機任務的不同領域。甘迺迪航天中心負責赤道軌道任務的發射、著陸和周轉操作（所有任務都在此發射）；空軍下屬的范登堡空軍基地負責極軌道任務的發射、著陸和周轉（從未使用）；林頓·詹森航天中心負責所有太空梭運作的指揮協調，馬歇爾太空飛行中心負責主發動機、外儲箱和固體助推器，斯坦尼斯航天中心負責測試主發動機，戈達德太空飛行中心管理全球測控網。

軌道器包含火箭和飛行器雙重設計元素，既能像火箭般垂直發射，又能像滑翔機一樣著陸。機身份成三部分，為乘員艙、貨艙、發動機艙和飛行操縱提供支持。太空梭主發動機艙在軌道器後部，發射時提供推力，還有軌道機動系統（Orbital Maneuvering System）確保軌道器能在太空進入、更換和退出軌道。兩側的三角翼長18米，內邊緣（機翼後側）與機身呈81°角，外緣（機翼前側）呈45°。兩翼內外都有升降副翼，太空梭再入時能與兩翼之間位於發動機下方、用來控制橫軸的襟翼一起提供飛行控制功能。軌道器的垂尾後仰45°，上面的方向舵能拆分開來起減速作用:382–389。垂尾還包含兩部分減速傘系統，能在軌道器著陸後減速。軌道器採用伸縮式起落架，由前起落架和兩個主起落架組成，每個都有兩個輪胎，前起落架還有電動液壓轉向功能。

太空梭的機組人員組成因任務而異。每次測試飛行僅有兩名機組人員，指令長和飛行員各一人，兩人都是合格的飛行員，能駕駛軌道器飛行和著陸。包括實驗、貨物運送、艙外活動在內的各種軌道任務主要由任務專家執行，他們出發前均已接受對應培訓。航空航天局在太空梭計劃早期安排載荷專家與送貨任務一起出行，載荷專家大多是送貨任務買單公司的系統專家。因STS-51-L失事喪生的格裡高利·賈維斯是最後一名跟隨太空梭飛行的載荷專家，此後除飛行員外，其他機組人員都是任務專家。STS-51-C和STS-51-J任務均有同一名航天工程師作為軍方代表隨行，因為兩次任務都有米國國家偵察局的貨物。太空梭任務通常配有七名機組人員，STS-61-A配有八人。

所有太空梭任務的乘員艙都有三層甲板，是經過加壓的居住區。駕駛艙除指令長和飛行員的兩個座位外，還有為其他機組人員準備的兩到四個位置。中層甲板位於駕駛艙下方，是廚房和床位所在，還有三到四個座位。中層甲板配有氣閘，能支持兩名航天員的艙外活動，還能進入太空實驗室。中層甲板下面是設備艙，裝有環境控制和廢物管理系統。

前四次太空梭任務的航天員身穿改良版米國空軍高空全壓制服，其中包括太空飛行器上升和下降期間穿戴的全壓頭盔。從第五次任務STS-5到「挑戰者號」失事時止，機組人員身著淺藍色一體式諾梅克斯（nomex）飛行制服並配氣體分壓頭盔。「挑戰者號」失事後，新任務的機組人員改穿局部加壓服，是空軍高空壓力制服的局部加壓版。1994年，高級逃生系統航天服（Advanced Crew Escape Suit）取代發射和進入制服，在碰到緊急情況時更能保障航天員安全。「哥倫比亞號」本在前四次任務配有修改過的SR-71黑鳥式偵察機零零彈射椅，但在STS-4任務後停用，STS-9任務後拆除。

飛行甲板位於乘員艙頂層，是軌道器飛行控制功能所在。指令長坐在左前方座位，飛行員坐在右前方，還有為其他機組人員準備的兩到四個座位。儀錶板包含2100多個顯示屏或控制器，指令長和飛行員都配有抬頭顯示器和控制杆，用於在動力飛行時操控發動機，同時在無動力飛行時控制軌道器。兩個座位都有方向舵控制器，可以在飛行中轉舵或在前起落架著陸後控制輪子的方向。軌道器起初裝有多功能陰極射線管顯示系統，能顯示並操作飛行信息。顯示系統向指令長、飛行員及後面的座位顯示飛行信息，同時還能控制抬頭顯示器的信息。

1998年，「亞特蘭提斯號」升級多功能電子顯示系統，除飛行儀表升級成玻璃駕駛艙外，還把八臺陰極射線管顯示器換成11塊多功能彩色數字屏幕。多功能電子顯示系統於2000年5月隨STS-98任務飛上藍天，其他軌道器全部升級。飛行甲板後方裝有能觀察貨艙的窗戶，還有控制搖控機械臂移動貨物的控制杆。此外，飛行甲板後方裝有能檢視貨艙的閉路電視顯示器。

中層甲板包含機組人員設備艙、休息區、廚房、醫療設備和衛生站。人員使用模塊化儲物櫃存放設備，儲物櫃能按需擴大或縮小，還有安裝後常態化的地板隔間。中層甲板的左舷艙口是機組人員在地球上進出軌道器的門路。此外，每個軌道器起初都在中層甲板裝有內部氣閘，但「發現號」、「亞特蘭提斯號」和「奮進號」後來用貨艙的外部氣閘和軌道器對接系統取代內部氣閘，改善對接和平號空間站和國際空間站的操作。

軌道器配有航空電子系統，能在大氣層內飛行時提供信息和操作功能。航空電子器件包括三個微波掃描光束著陸系統、三個陀螺儀、三個戰術空中導航系統、三個加速規、兩個雷達高度計、兩個氣壓高度計、三個姿態指引儀、兩個馬赫表，以及兩個C模式應答機。再入期間，機組人員會在速度降至五馬赫以下時啟動兩個空氣數據探針。軌道器有三個慣性測量單元，可在飛行任務始終用於制導和導航，還有兩個能在軌道飛行時對齊慣性測量單元的星跟蹤器（star trackers），能在軌道時自動或手動對齊恆星。1991年，航空航天局開始用慣性導航系統升級慣性測量單元，新版本提供的位置信息更加精確。1993年，航空航天局用STS-51首次把全球定位系統接收器送入太空。1997年，霍尼韋爾開始集成全球定位系統和慣性導航系統，用於取代慣性測量單元、慣性導航系統和戰術空中導航系統，後在2007年8月的STS-118任務首飛。

機組人員在軌道飛行期間主要使用S波段無線電聯絡，支持語間和數據通信。四個S波段無線電中有兩個是相位調製收發器，能發送和接收信息；另外兩個是頻率調製發送器，用於向航空航天局傳送數據。S波段無線電只能在視線範圍內操作，所以軌道器入軌後，航空航天局需採用跟蹤和數據中繼衛星系統（Tracking and Data Relay Satellite System）和航天測控和數據採集網（Spacecraft Tracking and Data Acquisition Network）地面站與軌道器通訊。此外，軌道器貨艙外部還配有高帶寬Ku波段無線電，能充當交會雷達。軌道器另外還配有兩個特高頻無線電，可用於聯絡航空交通管制和執行艙外活動的航天員。

太空梭的線傳飛控系統完全靠數據處理系統（Data Processing System）主計算機控制。數據處理系統操控軌道器的飛行控制功能和推進器，並在發射時控制外儲箱和固體助推器。數據處理系統包含五臺通用計算機、兩個磁帶大容量存儲單元，以及監測太空梭部件的各種傳感器。原配通用計算機是IBMAP-101B，採用單獨的中央處理器、輸入/輸出處理器，以及非易失型固態存儲器。1991至1993年間，軌道器的通用計算機升級成AP-101S，存儲和處理能力更強，並將中央處理器和輸入/輸出處理器功能併入單個處理器縮小設備體積、減輕重量。四臺通用計算機裝載航空飛機專用的主航空電子軟體系統，能操控所有飛行過程。

上升、機動、再入和著陸期間，四臺裝載主航空電子軟體系統的通用計算機同步運作，產生四倍冗餘，能對結果查錯。如果出現軟體錯誤，導致四臺計算機都生成錯誤報告，第五臺通用計算機將啟動使用不同軟體的後備飛行系統，能夠在上升、軌道飛行、再入時控制太空梭，但不足以完成整個任務。五臺通用計算機分別放在中層甲板的三個獨立隔間，這樣萬一某臺計算機冷卻風扇故障，其他計算機仍能穩定工作。抵達軌道後，機組人員把部分通用計算機的功能從制導、導航與控制切換到系統管理和負載，支持任務執行。:405–408因飛行軟體需在跨年時重置軌道器計算機，所以太空梭任務不能在12月到1月執行。不過，航空航天局工程師在2007年找到解決辦法，此後的太空梭任務不受跨年問題限制。

太空梭任務通常會攜帶可攜式通用支持計算機，能夠與軌道器的計算機和通訊包集成，並監控科學和負載數據。早期任務攜帶的Grid Compass和可攜式通用支持計算機都是歷史上很早的筆記本電腦，之後的任務開始採用蘋果公司和英特爾的筆記本電腦。

貨艙佔據軌道器的大部分機身，為太空梭有效載荷提供貨運空間。貨艙長18米，寬4.6米，能容納直徑最大為4.6米的圓柱形負載。貨艙兩邊各鉸接兩扇艙門，提供相對氣密的密封空間，能在起飛和再入時防止貨物因高溫損壞。艙內貨物在縱梁的附著口上固定，艙門還能用於散發軌道器的熱量，抵達軌道時就能打開來排熱。

根據任務需求，軌道器能結合各種附加部件，如軌道實驗室、用於把貨物運到更遠位置的助推器:II-326、遙控機械臂系統:II-40，以及延長任務時間需要的部件:II-86。為減少軌道器與國際空間站對接時的燃料損耗，科學家研發空間站至太空梭電力傳送系統（Station-to-Shuttle Power Transfer System），能轉換空間站電量並傳送給軌道器。「發現號」和「奮進號」都裝有空間站至太空梭電力傳送系統，在STS-118任務期間首次應用。

遙控機械臂系統又稱加拿大臂，是連接貨艙的機械臂，用於抓取或操作貨物，也能在宇艙員艙外活動時充當移動平臺。遙控機械臂系統由加拿大晶石航天公司（Spar Aerospace）製作，航天員能在軌道器飛行甲板通過窗戶和閉路電視操縱。遙控機械臂支持六自由度，機械臂的三個位置共有六個關節。原版機械臂可抓取或操作最重29噸的貨物，之後又大幅提升到270噸。

太空實驗室模塊是歐洲資助的加壓實驗室，裝在貨艙內，用於軌道飛行期間的科學實驗。模塊由兩截組成，均長2.7米，裝在貨艙尾端，以便在飛行期間保持重心。航天員通過2.7米或5.8米的通道進入模塊，兩條通道均同氣閘相連。太空實驗室的設施用託盤存放，其中既有實驗設備，又有計算機和供電設備。截至1999年，太空實驗室設備共隨太空梭升空28次，研究項目包括天文學、微重力、雷達和生命科學。這些設備還在哈勃望遠境維護、空間站補給等任務中發揮作用。太空實驗室模塊先在STS-2和STS-3任務測試，首次完整任務是STS-9。

太空梭主發動機共有三臺，又稱「RS-25」發動機，位於軌道器機身尾部並呈三角形排列。軌道器上升期間，發動機的俯仰角能偏移±10.5°，偏航角偏移±8.5°來改變推力方向，進而調整太空梭朝向。發動機使用鈦合金製作且能重複使用，而且與軌道器獨立，能在著陸後拆除和替換。「RS-25」屬分級燃燒循環低溫發動機，使用液氧和液氫為燃料，燃燒室壓比過去任何液體火箭都高。原配發動機的主燃燒室能在最大226.5巴的壓力下運作。發動機噴嘴高287釐米，內徑229釐米，採用1080條液氫內部管線冷卻，並由絕緣和燒蝕材料隔熱。

太空梭主發動機經過多次改善提升動力和可靠程度。洛克達因在開發階段確定，發動機能在推力達到原有規定104%時保持安全穩定運行。為保證發動機推力值與以前的文檔和軟體一致，航空航天局把原版規定推力值定為100%，但讓發動機保持輸出更高推力。「RS-25」的升級版分別稱為一型和二型，其中2001年的二型發動機推力水平達到109%，同時因噴管喉部更大，燃燒室壓降至207.5巴。正常情況下使用的最大推力是104%，任務中止等緊急情況才會使用106%或109%。

軌道機動系統包含兩個位於尾部的AJ10-190發動機及對應推進劑存儲箱。發動機的燃料是一甲基肼和氧化劑四氧化二氮，存儲箱最多能裝載2140公斤一甲基肼和3526公斤四氧化二氮。軌道機動系統發動機在主發動機熄火後用於注入軌道，此後還會在變更軌道和再入前的脫軌時啟用。每個軌道機動系統發動機可產生27080牛頓推力，整個系統能提供每秒305米的速度變化。

軌道器表面帶有隔熱保護層，再入期間受隔熱系統保護。過去的米國太空飛行器基本採用燒蝕隔熱罩，但為重複使用設計的軌道器也需要配備能多次使用的隔熱罩:72–73。再入時，隔熱系統外側的溫度高達1600°C，但必須保證軌道器的鋁質外殼溫度低於180°C。太空梭隔熱系統主要由四類隔熱瓦組成，軌道器前錐和兩翼前緣的溫度超過1300°C，由碳纖維強化碳質複合材料保護。

1998年，科研人員開發加厚型碳纖維強化碳質複合材料並裝上太空梭，防止機體因微流星體和太空垃圾受損，並在隔熱瓦損壞導致「哥倫比亞號」災難後進一步改善。從STS-114任務開始，軌道器均配有機翼前緣碰撞檢測系統，發現任何潛在損傷都能向機組人員預警。:II–112–113軌道器底面及其他溫度最高的位置都有耐高溫且可重複使用的表面絕緣材料保護。軌道器上部塗有可重複使用的白色低溫表面絕緣層，適合在溫度低於650°C時提供保護。貨艙門和機翼部分上表面塗有可重複使用的化學纖維絕緣層，能抵抗低於370°C的溫度。

太空梭外儲箱用於攜帶主發動機的推進劑，並將軌道器與固體助推器連接。外儲箱高47米，直徑8.4米，由相互獨立的小箱組成，分別裝有液氧和液氫。液氧箱高15米，位於外儲箱前上方；液氫箱高29米，佔據外儲箱絕大部分體積。軌道器通過兩塊臍帶板與外儲箱連接，臍帶板中包含五條推進劑臍帶、兩條電力臍帶和前後結構連接件。外儲箱外部覆有橙色噴塗泡沫，確保外儲箱能承受上升期間的熱量。

外儲箱從起飛開始持續向太空梭主發動機提供推進劑直至主發動機熄火，並在熄火18秒後脫離軌道器，脫離過程可自動或手動觸發。脫離時軌道器縮回臍帶板，臍帶封閉以防過量推進劑進入軌道器。結構連接件上的螺栓切斷後，外儲箱便脫離軌道器。此時外儲箱前上方會排出氧氣，促使箱體翻滾，確保它在再入前解體。外儲箱是太空梭上唯一不可重複使用的主要部件，脫離後沿彈道落入印度洋或太平洋。

前兩次任務STS-1和STS-2的外儲箱表面塗有270公斤阻燃乳膠漆，防止箱體受紫外線輻射破壞。進一步研究結果表明泡沫就能起到同樣的保護作用，所以從STS-3開始外箱體不再加塗乳膠漆。任務首次採用重量減輕4.7噸的輕型箱，減掉的重量來自部分箱壁金屬變薄，取消液氫箱的部分組件。1998年，STS-91任務首次採用2195鋁鋰合金製成的超輕型外儲箱，強度比2219鋁鋰合金前輩提高四成，密度降低一成，箱體再輕3.4噸，太空梭從此能向國際空間站高傾角軌道運送更多重物。

固體助推器在太空梭起飛和上升階段提供71.4%的推力，是人類放飛的最大固體推進劑發動機。每枚固體助推器高45米，寬3.7米，重68噸，鋼質外殼約厚13毫米。固體助推器由固體推進劑發動機、鼻錐和火箭噴嘴組成，其中固體推進劑發動機佔據絕大部分機體，由11鋼殼組成，內含四截藥柱；鼻錐裝有分離發動機和降落傘系統，用於分離後的地面回收；火箭噴嘴能向各方向轉動最多8°，以提供飛行調整功能。

每個火箭發動機裝有500噸固體火箭推進劑，在甘迺迪航天中心的太空飛行器裝配大樓裝配成型。除為發射第一階段提供推力外，固體助推器還起支撐軌道器和外儲箱結構的作用，因為只有固體助推器與移動發射平臺連接。固體助推器在發射前五分鐘解除保險，並且必須在太空梭主發動機順利點火後採用電子方式點火。每枚原版固體助推器提供1.25萬牛頓推力，從STS-8任務開始提升到1.33萬牛頓。固體助推器通常在起飛約兩分鐘後耗完燃料，然後在距地面約46公裡高空脫離，隨後打開穩定傘和主降落傘，落入大海後由兩艘MV自由之星號（分別是MV Freedom Star和MV Liberty Star）姐妹艦的工作人員回收。送回卡納維拉爾角後並經工作人員清理和拆解後，火箭發動機、點火器和噴嘴送往賽奧科公司翻新，在之後的飛行任務中重新使用。

太空梭計劃期間，固體助推器經過多次重新設計。STS-6和STS-7使用的固體助推器箱體內壁減薄0.1毫米，所以比前幾次任務的助推器輕2.3噸，但之後的研究結果表明這樣內壁又太薄，所以從STS-8開始到STS-26止採用比原版薄0.076毫米的箱體，每枚助推器比原版輕1.8噸。「挑戰者號」的失事原因是O形環在低溫下失效，固體助推器於是經過重新設計確保密封效果不受溫度影響。

太空梭的運作離不開各種運載工具和基礎設施，方便運輸、建築和工作人員進出。太空梭運輸車將移動發射平臺和太空梭運到發射點。太空梭運輸飛機是兩架改裝的波音747，能負上軌道器飛行。第一架太空梭運輸飛機編號「N905NA」，於1975年首飛，用於執行進近與著陸測試，並且1991年前每次發射任務都是她從愛德華茲空軍基地把軌道器運到甘迺迪航天中心。第二架太空梭運輸飛機編號「N911NA」，於1988年收購，首次任務是把「奮進號」從工廠送到甘迺迪航天中心。

太空梭退役後，「N905NA」放在林頓·詹森航天中心展覽，「N911NA」在加利福尼亞州棕櫚谷的喬·戴維斯遺產空中公園（Joe Davis Heritage Airpark）展示。機組人員運輸車是由機場旅客運輸車改裝，在軌道器著陸後帶航天員離開。太空梭發射當天，航天員從操作及測試大樓（Operations and Checkout Building）的機組人員宿舍乘航天員轉送車前往發射平臺。NASA鐵路擁有三臺機車，用於將固體助推器各截藥柱分別從泰特斯維爾通過佛羅裡達東海岸鐵路（Florida East Coast Railway）運到甘迺迪航天中心。

太空梭發射前基本是在甘迺迪航天中心的太空飛行器裝配大樓完成準備。固體助推器在移動發射平臺裝配並附上外儲箱，軌道器在軌道器處理設施（Orbiter Processing Facility）裝好後運到太空飛行器裝配大樓，再用起重機轉至頭部朝上的垂直方向並與外儲箱配對:132–133。所有部件組合完成後，太空梭運輸車將整個移動發射平臺運到5.6公裡外擁有兩個發射臺的39號發射複合體。太空梭抵達其中一個發射臺後與固定和旋轉服務設施連接，該設施能提供維護、貨物裝載和人員運輸功能:139–141。機組人員在發射前三小時抵達發射臺並進入軌道器，軌道器在發射前兩小時關閉。發射前5小時35分，液氧和液氫開始注入通過臍帶同軌道器連接的外儲箱。發射前3小時45分，液氫完成快速注入，液氧在15分鐘後完成。由於液氧和液氫都會蒸發，因此兩個儲存罐都會繼續緩慢加注直至發射前一刻。

航空航天局的天氣發射標準考慮範圍包括降水、溫度、雲量、雷電預測、風力和溫度。太空梭不會在可能遭雷擊時發射，因為發射後產生的尾煙可傳導電流、引發雷擊，阿波羅12號就曾遇到這種情況。航空航天局還規定，航空飛機不能在發射點方圓19公裡範圍出現砧狀雲時發射。太空梭發射氣象官員保持監測氣象條件，直至發射的最終決定下達。除發射點的天氣外，太空梭意外中止時至少要有一個跨大西洋中止著陸場和固體助推器的回收點天氣在可接受範圍。

任務機組人員和發射控制中心工作人員在倒計時期間完成系統檢查。根據預置計劃，發射前20分鐘和九分鐘各有一次休息時間，用於解決各種問題和其他準備工作。發射九分鐘前的休息時間過後，倒計時由發射控制中心的地面發射定序器自動控制，能在感應到太空梭任何系統出現重大問題時自動中止。發射前3分45秒，發動機開始平衡環架測試並在發射前2分15秒完成。發射前31秒，地面發射處理系統將控制權移交軌道器的通用計算機。發射前16秒，通用計算機解除固體助推器保險，聲音抑制系統開始把110萬升水注入固體助推器和移動發射平臺下的溝渠，防止軌道器在起飛時受聲學能量和導流槽及移動發射平臺反射的火箭排氣損傷。發射前十秒，每個噴管下方的氫點火器啟動，用於在點火前清除錐形噴氣孔內部殘留的氫氣。如果這些氣體沒有燃掉，機載傳感器可能跳閘，還可能在點火前導致太空梭超壓和爆炸。發射前9.5秒，液氫罐前閥打開，準備啟動發動機。

發射前6.6秒，主發動機以120毫秒間隔依次點火。三臺主發動機都要在發射前三秒達到九成額定推力輸出，否則通用計算機將判定冗餘集啟動定序器中止（RSLS Abort），發射失敗。如果三臺發動機都在發射前三秒達到額定性能，下方噴嘴將轉回發射角度，同時兩臺固體助推器都在預定發射時間點火。發射前6.6秒至3秒期間，主發動機剛剛點火但固體助推器還用螺栓固定在發射臺上，抵消的推力令太空梭向外儲箱方向傾斜65釐米，然後有三秒鐘時間確保太空梭各主要部件在固體助推器點火前基本恢復垂直。倒計時結束時，用於固定助推器的八個爆炸螺栓引爆，最後的連接斷開，主發動機達到100%推力同時固體助推器點火。0.23秒後，固體助推器已積累升空所需的足夠推力，燃燒室壓在發射0.6秒後達到最大值。此外，林頓·詹森航天中心在發射時開始從發射控制中心接手飛行控制權。

發射四秒後，太空梭已升至距地面22米，主發動機推力提升到104.5%。發射約七秒後，太空梭在距地面約110米處轉為朝向地面以減輕空氣應力，還能改善通信和導航方位。持續上升20至30秒、距地面約2700米時，主發動機推力降至65%到72%，在達到最大動壓時減少最大空氣動力。此外，固體助推器能通過藥柱截面變化控制推力。通用計算機能根據固體推進器性能動態調節主發動機功率。

發射約123秒後，太空梭距地面已有46公裡，綁定固體助推器的緊固件鬆脫，固體助推器還會繼續上升，在到達距地67公裡的拱點後打開降落傘掉入大西洋，太空梭使用主發動機繼續爬升。早期任務的軌道器升空後一直朝向地面，與百慕達庫珀島（Cooper's Island）的追蹤站保持聯絡；但從STS-87開始，軌道器就在發射六秒後迴轉至頭部朝上，通過跟蹤和數據中繼衛星聯絡。發射7分30秒後，主發動機減少燃料供應，將軌道器加速度限制在三倍重力加速度。主發動機熄火前六秒（通常是在發射後8分30秒），推力降至67%。通用計算機控制外儲箱分離，並拋棄剩餘的液氧和液氫，以防進入軌道後漏氣。外儲箱繼續沿彈道掉落並在返回大氣層時解體，部分碎片落入印度洋或太平洋。

早期任務入軌需要兩次啟動軌道機動系統，第一次將軌道器抬升到遠地點，第二次令軌道器沿軌道繞行。從STS-38任務開始，太空梭直接利用主發動機到達最佳遠地點，再用軌道機動系統發動機入軌。軌道高度和傾角由任務需要決定，最高的達到620公裡，最低220公裡。

太空梭進入的軌道由飛行任務決定。根據設計階段的構想，太空梭將以越來越低的發射成本部署商用或晸府衛星。早期任務經常運送衛星，軌道器進入的軌道類型便由這些衛星決定。「挑戰者號」失事後，許多商用貨物改用德爾塔2號運載火箭之類消耗型商業火箭運送。, 123雖然此後的太空梭依然會有商用貨物運送，但大部分任務已轉為運輸科學貨物，如哈勃空間望遠鏡、太空實驗室，以及伽利略號探測器。從STS-74）開始，軌道器經常與和平號空間站對接–224。進入21世紀後，多架太空梭參與國際空間站建設。大部分任務需要在軌道逗留數天乃至兩星期，而且在配有延時設施時還能進一步延長時間。STS-80共持續17天15小時，是歷時最長的太空梭任務。

脫離軌道約四小時前，機組人員開始關閉貨艙門、排放多餘熱量並收回Ku波段天線，為軌道器再入做準備。軌道器翻轉至底面朝上，尾部優先脫軌，返回大氣層前約20分鐘開始啟動軌道機動系統並持續兩到四分鐘。接下來軌道器轉至頭部朝前並前傾至40度迎角，前方的反推力系統排空燃料並在返回大氣層前禁用。根據預先設定，軌道器會在距地120公裡高空開始再入，此時速度約為25馬赫。

再入過程由通用計算機控制，遵循預設迎角，以防隔熱系統遇到的溫度太高或其他不安全情況。通用計算機還控制軌道器通過S形機動減速，僅利用橫滾軸轉向，從而在不改變迎角的前提下抵消多餘速度。軌道器尾部的反推力系統在下降階段禁用，進入低層大氣後，軌道器副翼、升降舵和方向舵都能發揮作用。軌道器在距地46公裡時打開垂尾上的空氣制動器。著陸前8分44秒，機組人員啟動空氣數據探針，並開始把迎角降至36°。軌道器滑翔比和升阻比的最大比值隨速度顯著變化，範圍從高超音速時的1.3提升到亞音速的。軌道器朝航向校準柱飛行，這樣的校準柱共有兩個，距跑道中線兩端均為48公裡，軌道器此時最後一次調整方向，抵消多餘的能量後進近並著陸。機組人員在軌道器速度降至亞音速後手動控制飛行。

軌道器在離地三千米處開始進近和著陸階段，此時的飛機速度為每秒150米。軌道器呈-20°或-18°下滑，每秒下降51米。減速板用於保持速度穩定，機組人員在距地610米時將滑行角度調整到-1.5°。起落架在著陸前十秒放出，此時軌道器離地還有91米，滑翔速度每秒150米。最終的拉平動作將軌道器下降速度降至每秒0.9米，著陸速度根據軌道器重量不同在每秒100至150米範圍。起落架著陸後，機組人員將垂尾內的減速傘放出，並在速度低於每秒72米時開始車輪制動。車輪停轉後，機組人員關閉飛行控制項準備離開。

位於甘迺迪航天中心的太空梭著陸設施是太空梭主著陸場，133次成功著陸中有78次是在這裡。如果著陸條件不利，太空梭可以推遲或在別處著陸，其中首選備用著陸場在愛德華茲空軍基地，共有54次成功著陸。:III–18–20此外，「哥倫比亞號」完成STS-3任務後在新墨西哥州白沙飛彈靶場著陸，但因這裡的沙子富含石膏，太空梭不得不經過大量後處理，STS-107任務失事後，「哥倫比亞號」殘骸中仍然發現部分白沙靶場的沙子。選擇備用著陸場後，軌道器需用太空梭運輸飛機送回卡納維拉爾角。

除預先計劃的著陸場外，還有85個商定的緊急著陸場，在遇到各種情況被迫中止任務時使用，其中58個不在米國。緊急著陸場的選定主要考慮晸治關係、天氣條件、需有至少2300米長的跑道，以及戰術空中導航系統和測距儀設備。此外，軌道器僅配有特高頻無線電，所以他國著陸場無法直接與機組人員交流。米國東岸設施計劃用於東岸中止著陸，歐洲和非洲的著陸場計劃用于越洋中止著陸。這些設施大都為太空梭緊急著陸備有設備和人員，但從未投入使用。

軌道器著陸後，地面人員靠近執行各項安全檢查。人員穿戴自給式呼吸裝備，檢測附近氫、聯氨、一甲基肼、四氧化二氮和氨含量，確保著陸區安全。現場連接空調和氟利昂管線，為人員和設備降溫，消除再入產生的多餘熱量。飛行外科醫生登上軌道器，經醫學檢查確定各人身體健康後才能讓機組人員下機。軌道器綁好後拖到軌道器處理設施檢查、維修，準備下一次任務。

太空梭於1981年4月12日首飛執行第一次任務，最後一次任務在2011年7月21日完成。整個計劃包含135次任務，其中133次安全返回。在此期間，太空梭實現多種功能，如科學研究，商用、軍用和科學有效載荷部署，還曾參與國際空間站與和平號空間站的建設和運作。太空梭執行任務期間是米國僅有的航天員發射太空飛行器，此後直到2020年5月30日才有新發射的載人龍飛船示範2號接班。

Jumbo Huang Notes: The Space Shuttle program was the fourth human spaceflight program carried out by the National Aeronautics and Space Administration (NASA), which accomplished routine transportation for Earth-to-orbit crew and cargo from 1981 to 2011. Its official name, Space Transportation System (STS), was taken from a 1969 plan for a system of reusable spacecraft of which it was the only item funded for development.

The Space Shuttle—composed of an orbiter launched with two reusable solid rocket boosters and a disposable external fuel tank—carried up to eight astronauts and up to 50,000 lb (23,000 kg) of payload into low Earth orbit (LEO). When its mission was complete, the orbiter would reenter the Earth's atmosphere and land like a glider at either the Kennedy Space Center or Edwards Air Force Base.

The Shuttle is the only winged crewed spacecraft to have achieved orbit and landing, and the only reusable crewed space vehicle that has ever made multiple flights into orbit (the Soviet shuttle Buran was very similar and was designed to have the same capabilities but made only one uncrewed spaceflight before it was cancelled). Its missions involved carrying large payloads to various orbits (including segments to be added to the International Space Station (ISS)), providing crew rotation for the space station, and performing service missions on the Hubble Space Telescope. The orbiter also recovered satellites and other payloads (e.g., from the ISS) from orbit and returned them to Earth, though its use in this capacity was rare. Each vehicle was designed with a projected lifespan of 100 launches, or 10 years' operational life. Original selling points on the shuttles were over 150 launches over a 15-year operational span with a 'launch per month' expected at the peak of the program, but extensive delays in the development of the International Space Station never created such a peak demand for frequent flights.

第4203回：發現太空梭退役，載人堅韌號太空船