美国航天飞机 (SPACE SHUTTLE)
王丹阳
美国国家航空航天局(NASA)研制的航天飞机是世界上第一种往返于地面和宇宙空间的可重复使用的航天运载器。它由轨道飞行器、外贮箱和固体助推器组成。按设计要求每架轨道飞行器可重复使用100次，每次最多可将29．5t有效载荷送入185—1110km近地轨道，将 14。5t有效载荷带回地面。轨道飞行器可载3—7人，在轨道上逗留7—30天，进行会合、对接、停靠，执行人员和货物运送，空间试验，卫星发射、检修和回收等任务。 航天飞机可从两个发射场发射。从肯尼迪角发射执行包括地球同步轨道在内的低倾角轨道任务，从范登堡空军基地发射执行包括极轨道在内的高倾角轨道任务。
航天飞机在发射场垂直起飞，上升过程中抛掷工作完毕的固体助推器壳体和外贮箱。助推器在海上回收、整修后供再次使用，外贮箱不回收。轨道飞行器执行任务后返回机场，水平着陆。轨道飞行器具有2000km横向机动能力。原规定轨道飞行器的维护周期为160h，即2周后便可执行下一次任务。
到目前为止共有6架轨道飞行器，它们是OV—101“企业号”(Enterprise)、OV-102“哥伦比亚号”(Columbia)、OV—099“挑战者号”(Challenger)、OV—103“发现者号”(Discovery)、OV—104"阿特兰蒂斯号”(Atlantis)和OV—105"奋进号”(Endeavour)。“企业号”为试验机，其它5架为工作机，其中“挑战者号”已在1986年1月的事故中炸毁。
航天飞机的研究工作开始于60年代末。1969年9月“”首次登月后2个月，美国总统便指定美国空间工作组研究制定未来空间研究的方针和途径，当年该工作组正式提出研制包括航天飞机在内的新的空间运输系统。1971年政府正式接受了此项建议，并由总统发出命令。自此便正式开始了航天飞机的研制工作。
研制工作共分A、B、C、D 4个阶段。A阶段研究航天飞机外形，并提出进一步研究的要求和方向。B阶段为技术经济指标确定和方案设计阶段。C阶段进行技术设计，D阶段为生产和飞行阶段，二者合称C／D阶段。 A阶段开始于1969年。在该阶段提出两级全部重复使用的航天飞机方案。方案中锄推器和轨道飞行器的连接方式各有不同，有腹部相接、背驮和并联等几种布局。大多为直机翼飞行器，设有18．3m×4．6m货舱，可载乘员10人，载货11.3t。助推器将轨道飞行器送至高空后飞回发射场。推进系统全部采用液氧／液氢作为推进剂。
1970年3月开始由北美洛克维尔(North America Rockwell)和麦克唐纳—道格拉斯(Mc— Donnell Douglas)公司承担B阶段研究工作。到1971年6月决定选用满足空军要求的185km轨道运载能力为29．5t并具有高横向机动能力的三角形机翼轨道飞行器方案。后来因苏联放弃登月竞赛，美国航天预算紧缩，航宇局被迫改变方案，将推进剂箱全部移至
轨道飞行器外，并取消重复使用的载人助推器方案。
1972年1月15日美国总统正式宣布研制全新的空间运输系统。当年3月确定了接近于现有状态的总体方案。载人回飞型助推器改为弹道回收的并联助推器，轨道飞行器缩小，主发动机由2台大推力发动机改为3台小推力发动机，贮箱移到机体外，姿控和机动发动机改用可贮推进剂。1970～1980年期间方案变动的大致情况如表所示。 1972年7月NASA指派约翰逊航天中心(Johnson Space Flight Center)负责轨道飞行器管理，马歇尔航天飞行中心(Marshall Space Flight Center)负责轨道飞行器主发动机、外贮箱和固体助推器管理，肯尼迪航天中心(Kenndy Space Center)负责航天飞机组件的组装、测试，及发射，此外由洛克维尔公司负责轨道飞行器的设计与研制、由马丁·玛丽埃塔·丹佛航空公司(Martin Marietta Denver Co．)负责外贮箱的研制与制造，由莫顿聚硫橡胶公司(Morton Thiokol Co．)负责固体助推器的研制与制造，由洛克达因公司(RocketdyneDiv)负责主发动机的研制。
第一架轨道飞行器“企业号”于1976年9月17日出厂。1977年2月开始进行进场着陆试验。试验分三组进行。第一组试验5次，检验用波音747飞机驮飞时的稳定、颤振等特性，轨道飞行器中不载人；第二组作载人飞行试验，共3次，由飞行员检查轨道飞行器爷系统的性能；第三组试验5次，飞行中轨道飞行器与波音747飞机分离，滑翔飞行返回发射场，试验于1977年 11月完成。之后，1978年3月“企业号”被运往马歇尔航天飞行中心与外贮箱和固体火箭组装进行发射状态的地面振动试验，1979年4月“企业号”运往肯尼迪发射场，在39A综合发射中心与固体助推器和外贮箱组合进行合练。1981年4月开始飞行试验，原计划试飞6次，但实际在第4次飞行时已携带国防部卫星执行任务。到1994年底共发射66次，成功率98．48％。
美国航天飞机的研制总费用(包括4次试飞的费用)为124．43亿美元(历年经费总和，未经折算)。1988年12月STS—27任务的费用为3．75亿美元(当年币值)。
主要技术性能
全长56．14m 轨道机动速度增量304～762．5m／s 高23．34m 乘员3～7人(特殊情况10人) 起飞质量≈2041t 有效载荷质量入轨：29．5t
起飞推力30802．7kN 出轨：14．5t
过载<3g 额定地面周转时间14d
运行轨道高度 185．0～1110km 横向机动能力≈2000km
轨道运行时间 7～30d
固体助推器
长45．46m 推进剂质量2×503．63t
直径3．70m 推进剂氧化剂：过氯酸铵
总质量2×586．51t 燃料：铝粉
结构质量2×82．88t 海平面推力2×12899．2kN
外贮箱
长47m 结构质量33503kg
直径8．38m 液氧质量604195kg
总质量743253kg 液氢质量106606kg
轨道飞行器
长37，24m 寿命飞行100次
高17．27m 主发动机3台
翼展23.79m 推进剂液氧／液氢
货舱直径4．5m 推力：真空3×2090．7kN
货舱长度18．3m 海平面3×1668．1kN
乘员舱容积70．8～80．Om2比冲：真空4464．5N·s／kg
结构质量68．04t 海平面3552．5N·s／kg
满载质量≈102t 轨道机动发动机推力3×26，69kN
横向机动能力≈2000km
总体布局
美国航天飞机由轨道飞行器、外贮箱、固体助推器三大部分和27个分系统组成。其组成和布局如图及表所示。
固体助推器
航天飞机固体助推器是至今使用的一种最大的也是第一种可重复使用的固体发动机。2台助推器为航天飞机起飞到
45.7km的上升段提供主要推力。设计要求每台至少使用20次。
助推器的主要组成部分有发动机、结构、分离系统、电子系统、飞行测量系统、配电系统、减速系统和靶场安全自毁系统等。
固体助推器可以互换，它们匹配成对使用，由于助推器喷管延伸段在发动机熄火后抛掉，因而它是一种部分重复使用组件。
结构
助推器由鼻锥罩、截锥段、铣切前裙段、发动机壳段、外贮箱连接环、后座环、后裙段和电缆隧道组成。每台发动机壳体由11件D6AC材料壳段组成。
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