一、航天飞机的诞生

在六十年代末期，美国完成“阿波罗”载人飞行之后，美国航宇局便试图研制一种两级的，可完全重复使用的航天飞机。但是由于技术难度太高，投资大，所以后来研制方案改成了，研制一种部分可重复使用的航天飞机。这就有了后来的美国的航天飞机。

航天飞机是一种可重复使用的空间运输系统。我们一般对航天飞机的认识其实是不完整的。因为我们常常将航天飞机的轨道器当做了完整的航天飞机。而实际上，完整的航天飞机是由三部分组成的，即：轨道器、助推器、以及燃料贮箱。航天飞机起飞时与普通的运载火箭一样直插云霄，而降落时又与飞机类似，可以在跑道上滑翔降落，因此航天飞机兼有着运载火箭、载人飞船、空间站以及普通飞机所具有的性能。

二、航天飞机的介绍

航天飞机能够将各种不同有效载荷送入近地轨道，或从近地轨道上取回有效载荷后，像飞机一样着陆。美国航天飞机的助推级由两枚固体火箭和一个外挂推进剂箱构成。固体火箭长45米，直径3.7米，可产生260。吨的推力，能重复使用20次。外挂推进剂箱为轨道器提供液体推进剂。推进剂箱的尺寸视飞行任务而定，其典型尺寸为:直径8.4米，长47米，空重33.5吨，可加注70余吨推进剂。外挂推进剂箱一次使用，不再回收。

航天飞机的轨道器，外形类似民航客机，机身长37米，空重68吨，可把29.5吨的载荷送入近地轨道，也可把14.5吨重的载荷带回地球。轨道器着陆时速324~364公里。机尾部的三台液体火箭发动机可产生640吨左右的推力。轨道器的货舱可装载长18米，直径4.6米的有效载荷。轨道器可重复使用10次左右。轨道器能在轨道上飞行七天左右，必要时可延长到三十天。美国的东靶场和西靶场均适于航天飞机使用。由东靶场向东发射，航天飞机可装有效载荷29.5吨，而由西靶场射入极地轨道只能装载14.5吨。轨道高度在185公里左右。

三、航天飞机与载人飞船的技术差别

1、返回降落方式不同

无论是美国的载人飞船，还是苏联的载人飞船，以及我们中国的飞船，返回座舱都是球形或大钝头的。在大气层飞行中，这种座舱的升力很小，宇航员无法利用升力控制着陆地点。都是采用弹道式返回着陆。而航天飞机轨道器的外形不同于载人飞船的座舱，它具有三角形机翼，类似一般民航客机。轨道器在大气层中飞行时，升阻比很大，可以获得较大的升力，能有效地控制着陆地点，可以在3000米以上的跑道上，以90~ 101米/秒的速度着陆。

航天飞机的轨道器带有三角形机翼，在再入大气层的过程中有较大的升力可以利用，所以航天飞机采用滑翔式航线返回地面。滑翔式航线的特点是航程长，制导要求高。但是由于它不像载人飞船的座舱采用弹道式降落返回那样急剧减速，而是逐渐地减速，所以轨道器在返回过程中所遇到的最大过载和热流率都要比弹道式小，而且轨道器还可以适当改变升力方向，控制航向和航程，能精确地降落在预定的机场。

轨道器的典型滑翔航线如下：

（1）轨道器在185公里的高度脱离轨道，之后以40度的大攻角下降到大气层再入界面120公里的高空。在再入大气层过程中，轨道器经过三个阶段的滑翔后到达着陆区上空15公里处。这时它的航程为700多公里，横向机动范围可达2000公里。

（2）轨道器再入的第一阶段，攻角保持常数，但不断调整倾角，以保持一定的气动热流

（3）轨道器再入的第二阶段调整攻角，消除航程误差。

（4）当轨道器的速度减到每秒2450米时，再入第三阶段开始，轨道器不断改变倾角，进一步消除航程误差。同时，轨道器的攻角随着速度不断下降，逐渐减小到10度左右，这时轨道器的马赫数约为1.5左右，升阻比接近5。

（5）最后在12公里高空，轨道器进入平衡的亚音速滑翔飞行，然后像飞机一样逐渐降落在跑道上。

2、防热系统不同

“阿波罗”飞船自月球返回，进入地球大气层时，其大钝头前端的温度高达摄氏2200度。为防止这样高的酷热烧坏座舱，在座舱外面覆盖了一层热防护层。这种防热层是由填充酚醛环氧树脂的玻璃纤维蜂窝制成。在再入大气层时，防热层被烧蚀和碳化，热量不致传入飞船座舱的不锈钢蜂窝结构。“阿波罗”飞船的这种烧蚀防热系统，能在高温下很好地工作，而且重量也较轻。但是，这种防热层在“阿波罗”座舱穿过地球大气层返回地面时，就已被碳化烧坏，不能重复使用。如果把这种防热系统用在航天飞机的轨道器上，那末轨道器每次飞行以后，必须更换新的，这对于缩短航天飞机整修时间，以便能够更快的投入下次发射使用很不利。因此，美国的航天飞机轨道器上没有采用与“阿波罗”座舱一样的烧蚀防热系统，而是又重新研制了一种新型的防热系统。这种新的防热系统重量轻，且易于更换和维修。由于轨道器在返回时不同的部位温度不同，因此新的防热系统采用了四种不同材料：

（1）带涂层的聚芳酞胺纤维毡制成的柔性防热砖。每块砖的长度为120厘米，宽90厘米，用于再入时，轨道器上温度低于398℃的部位和爬升时温度低于443℃的部位。在上部载荷舱舱门，三角形机翼的上表面和中段、尾段机身的部分地方用了这种材料覆盖。比以往的陶瓷防热材料减轻了1.5吨的重量。

（2）带有涂层的二氧化硅纤维防热砖。大小为20x20厘米，厚度为0.5~0.25厘米，用于370~650℃的部位，如覆盖在轨道器的中段机身和垂直尾翼的中部。

（3）与第二种材料相似，也是带有涂层的二氧化硅纤维防热砖。砖的面积为15x15厘米，厚度为1.75~6.25厘米，用于机身的下表面和垂直尾翼前缘等部位。材料承受的温度范围为370~1260℃。

（4）以石墨纤维布作为增强材料、碳化树脂为基体制成的碳一碳复合材料。可承受超过1260℃的高温，它用于轨道器的头部和机翼前缘。材料预制成弓形长条，厚度为2.5~7.5厘米，外表面又涂了一层硼硅酸层。

航天飞机轨道器的防热砖，如发现烧蚀、需要立即更换；但如果出现裂痕或洞孔，可用硅柔性材料修补，不必更换。为适应再入时防热砖产生热膨胀，在各块砖之间留有名3毫米到6毫米的间隙。在这些间隙中，一般充填低密度的石英衬垫，以保护轨道器的铝合金结构。

3、发动机需求不同

运载火箭都是一次性使用，而且每次工作时间也就几分钟。而航天飞机的轨道器要求能够飞行一百次，因此老式的火箭发动机是满足不了航天飞机的要求的。航天飞机的轨道器采用了新型的氢氧发动机。这种发动机是一种高压再生冷却式发动机，其燃烧室压力高达210大气压。发动机的效率高，工作寿命长，可达7.5小时，至少可重复使用5次。与普通火箭发动机不同，这种发动机的推力是可以改变的，其推力在海平面额定推力的50~109%之间是可调节的。

4、最大过载不同

载人飞船的宇航员都得经过三年左右的严格训练，其中最重要的是抗过载能力的训练。载人飞船在上升过程中，宇航员要承受6个G的过载，而且飞船座舱返回地球大气时的过载，比上升时还要大，通常可达9个G。在飞船应急返回的极端情况下，最大过载甚至可达到12个G。这样大的过载，对宇航员是一种巨大的压力，非一般人所能承受。由于航天飞机在上升过程中采用了可变推力方案，同时又在返回过程中采用滑翔式再入，故在航天飞机运行的全过程里，宇航员所遇到的最大过载不超过3个G。过载的大大减小也为普通人员去太空提供了可能。所以我们看到美国吧技术人员、工程师、科学家和医生等都送上过太空。

5、宇航员的救生措施不同

人的生命是宝贵的，论哪个国家，在发射载人飞船之前，总要先行发射许多不载人飞船，取得一定经验。一经有了十分的可靠性后，再发射载人飞船。即使这样，在载人飞船的设计中，还要仔细考虑到上升过程中运载火箭发生故障时，如何营救宇航员的措施。在载人飞船设计中，美苏两国一共发展出了两种救生措施。一种是“弹射座椅”，即当运载火箭发生危险或故障时，立即将宇航员弹出飞船座舱，如苏联的“东方”号飞船，以及美国的“双子星座”飞船。另一种方法是在飞船的顶端安装小火箭，即逃逸火箭，如苏联的“联盟”号，美国的“水星”和“阿波罗”飞船。由于救生技术要求相当复杂，研制周期常常要占去整个飞船研制周期的一半左右。事实上，在载人飞船的发射史上，这种救生系统很少实际使用，成了备而不用的东西。

而航天飞机的设计中，起初救生措施是打算由安装在轨道器机身后部两侧的两枚救生火箭来实现的。每枚救生火箭长9.5米，直径1.7米，总重4.5吨，可提供推力174吨。在航天飞机上升过程中，一旦固体助推器火箭出现故障，立即点燃救生火箭，使轨道器脱离固体助推火箭，然后滑翔返回地面。如外挂推进剂箱出现故障，则可解锁后借助空气动力抛开外挂推进剂箱。但是，航天飞机的后期设计中，却取消了救生火箭，然后着眼于提高固体助推火箭和轨道器本身的可靠性。同时，为了以防万一，一旦固体助推火箭发生危险故障，就由爆炸机构把固体助推火箭爆炸分离，以确保轨道器的安全。

6、轨道机动能力不同

早期的载人飞船，如美国的“水星”飞船，苏联的“东方”号和“上升”号飞船，它们在轨道上飞行时没有机动变轨能力。后来比较先进的飞船，如美国的“双子星座”和“阿波罗”飞船，苏联的“联盟”号飞船都增加了轨道机动发动机系统和相应的制导系统。这种飞船能够在轨道上作机动飞行、交会飞行和对接飞行。但是，由于飞船的容积有限，所能装载的推进剂量不多，所以，它不可能有很大的轨道机动能力。例如，苏联最先进的“联盟”号飞船的轨道机动发动机系统所能提供的速度增量约为295米/秒。这个增量可使“联盟”号飞船从20公里的圆形轨道上爬升到1300公里的高空。美国的“阿波罗”飞船飞向月球的轨道机动能力，实际上是由末级运载火箭所提供的。

而航天飞机轨道器有两台轨道机动发动机。每台发动机的推力为2.2吨。推进剂贮箱中装有一甲基拼6.7吨和四氧化氮4.5吨。在轨道器满载29.5吨有效载荷时，轨道机动发动机系统能提供305米/秒的速度增量。如果在轨道器的货舱中再增设三个附加推进剂贮箱，那么速度增量就能增加到750米/秒。