自1957年10月4日第一颗人造地球卫星Sputnik1)进入绕地球轨道以来，人类正式开启了太空时代的大门。彼时，正处于东方阵营与西方阵营激烈交锋的冷战时代，新兴的航天技术被双方寄予厚望。一方面，航空航天处于工业时代技术金字塔的顶端，其进步和应用可以带动一系列高新技术产业和技术的发展；一方面，航天领域的诸多进步是整个人类历史上从0到1的重大突破，自然是世界上最引人注目的新闻，无疑是意识形态斗争下其优越性的最好证明。
一、后阿波罗登月时代的变革
显示航天重要性的最直观的数据之一是，双方在航天方面的金融投资达到了前所未有的高峰。例如，在 1960 年代后期，美国政府的联邦预算给美国国家航空航天局（NASA）的比例实际上占到了4.5%，这几乎是美国公共教育和交通支出的比例。今天的美国，是美国宇航局当前预算的 10 倍。当时，苏联和美国争夺第一颗火箭、第一颗卫星、第一位宇航员，谁先到谁是长期的国际头版。
NASA 支出占联邦总预算的百分比
第一个登上月球的人类成为焦点也就不足为奇了。当然，从历史见证者的角度回顾过去，我们已经知道，在巨额资金的投入和无数人力、工业资源的投入下，NASA在登月竞赛中取得了绝对的胜利。 NASA 十年间共执行了 17 次阿波罗任务，在 1969 年至 1972 年间实现了 6 次载人登月，12 名宇航员成为“地月生存人类俱乐部”的成员。
这个成本也是惊人的。保守估计直接换算成今天的美元超过2000亿美元，足以重新制造美国海军现有的航母。苏联没有明确的公众人物，但可以想象，太空竞赛的成本同样巨大。对于鼎盛时期仅占美国GDP总量60%的苏联经济来说，太空竞赛无疑是一个沉重的包袱。更严重的是，苏联载人登月从未成功，就连最重要的登月火箭 N1 也经历了四次可怕的发射失败。 到头来，信心没了，旗子也死了。
在太空竞赛初期，领先的苏联当然不甘心失败，不得不拉回一局，以挽回作为太空强国的面子。苏联很快掀起了新的竞争浪潮：空间站建设。长期的载人航天实验，尤其是阿波罗登月的成功，验证了人类在太空中长期生存的可能性。在苏联早期的设想中，通过建立长期的载人空间站，可以实现覆盖全球的军事侦察甚至潜在作战目的。
人类的第一个空间站：礼炮一号 ©Wikipedia
苏联趁机再次打响了第一枪。早在1971年，美国还在进行阿波罗登月的时候，就将极其军事机密的礼炮送上了太空，并在后续的项目中进行了尝试。装载武器给美国人造成了不小的震动，被迫加快了对空间站的研究进程。政治上，美国总统尼克松在1969年成为联邦第37任总统，他也想改变肯尼迪总统和约翰逊总统此前在太空探索方面的登月计划，为自己树立名声。此外，美国的六次登月已经基本确认月球是一片荒地，没有开发价值，没有更多的开发价值，但航天支出却相当惊人。因此，美国也迅速停止了阿波罗登月，转而在空间站发展载人航天技术，双方开始了新一轮的较量。
然而，当时建造空间站存在很大问题。火箭的成本太高了中国暴风雪鱼雷技术，尤其是在美国迅速发射的天空实验室。由于时间限制，它的开发时间很短，主要思路是在现有航天技术的基础上进行组装。一个典型的特点是，它基本上是从巨大的登月火箭土星五号重生的。它的结构基本上是从火箭的第一级修改而来，发射也需要依靠土星五号，而且单次发射成本火箭是惊人的。 12 亿美元（相当于迄今为止）。每次载人发射不仅需要消耗一枚体积虽小但同样昂贵的土星1B火箭，还需要消耗一艘阿波罗登月飞船。即便是富强的美国，也无法靠这一系列火箭维持空间站的运行。因此，“绕道”美国天空实验室空间站计划从1973年5月14日发射到1974年2月8日第三批宇航员返回地球，光辉只持续了半年左右。
在上述背景下，美国势必会过渡到载人航天更可持续的发展道路。事实上，早在1969年，美国就正式确立了“可回收近地轨道飞行器”项目，飞机部分成为后来大名鼎鼎的航天飞机。
二、航天飞机的先进设计理念
在早期的计划中，美国宇航局提出了一种可以与空间和空间结合并可以回收利用的轨道器：它的大部分部件都可以回收利用，每年可以重复使用10次，总使用寿命为10-15年，其容量涵盖了大部分航天发射需求，可搭载6-7名宇航员进入太空约两周。关键是，每次发射的平均成本预计仅为 6000 万美元（相当于迄今为止），这不仅是土星五号火箭的二十分之一，而且大大低于当时任何主要火箭，例如阿特拉斯（阿特拉斯）、三角洲（Delta）和泰坦（Titan）等主要运载火箭。对于庞大的航天飞机计划，NASA 的五个主要中心同时参与，后来世界几大航空航天制造商也获得了巨大的增长（洛克希德马丁公司负责外部储罐，波音公司负责轨道飞行器， Orbital Science Corporation 负责固体助推器的负责人），美国 1000 多家公司和 100 所大学也参与了研发。最终，航天飞机定型如下。
亚特兰蒂斯号航天飞机在飞行中 (©NASA)
其中，两台总重1142吨的固体助推器提供了航天飞机起步时的巨大推力，单台助推器达到了惊人的1250吨推力，至今仍保持着最大推力的世界纪录。单个引擎。巨大的外部储罐为轨道器的三个液氧和液氢发动机提供推进剂。由于液态氢的密度低，推进剂罐的体积非常大。这个外置储罐直径8.4米，长度46.9米，相当于一座15层的高层建筑，一共可以承载756吨的推进剂。相应的轨道器液氧液氢发动机的推力也达到了同级别土星五号火箭发动机的1.7倍。在轨道器上，还有两套轨道转移发动机系统，在轨道器离开大气层后使用，这意味着航天飞机可以频繁机动进入太空中的不同轨道。配合庞大的机械臂系统，还可以进行复杂的空间维护等车外作业。
航天飞机通过大推力固体助推与高比冲液氧液氢主发动机的结合，可以说是对人类化学推进剂火箭的物尽其用。它们的组合还达到了 3000 吨的推力水平，可以将轨道器（约 68 吨）和有效载荷（约 25 吨）推进近地轨道。由于航天飞机轨道器的大小，与其他火箭相比，它可以发射非常大的卫星。比如著名的哈勃望远镜，长13.2米，最大的直径4.2米，正好适合航天飞机。
航天飞机助推器回收过程 (©NASA)
在实际使用中，只有整个航天飞机系统的外储罐是无法回收的，因为航天飞机飞出大气层后就废弃了，几乎没有回收的可能。剩下的两个重要部分，固体助推器和轨道器，可以回收。轨道器设计可重复使用100-150次，固体助推器部分回收。事实上，直到 2011 年的最后一次航天飞机任务（第 135 次），航天飞机使用的助推器仍然有从第一次任务（1981 年）中回收的部件。与商业航天公司SpaceX的一级火箭垂直回收技术不同，航天飞机的两个固体助推器将在发射127秒后脱离轨道器，飞行一定时间后打开降落伞，然后落入大西洋（航天飞机都是从佛罗里达州开普运河维拉尔发射的）。由于火箭发动机底部较重，助推器为空心密封，火箭会漂浮在海面，等待救援船直接将其拖回基地进行维修回收。
航天飞机和飞行器波音 747 (©NASA)
轨道器可以像飞机一样降落在机场，然后由改装的波音 747 “支持”到维修基地。但在返回地球的过程中，由于与空气的超高速摩擦（返回时速度超过7000m/s），类似飞机的气动外形会产生1500多度的高温°C 在飞机表面。因此，轨道器的热防护成为核心内容之一。 NASA为其设计了十几种超级绝缘材料，并本着最高效率/最低质量的原则，在航天飞机的不同部位覆盖了不同颜色和性能的绝缘材料。其中，头部采用最重最好的灰黑色保温砖，可承受高达1650℃的高温；顶部、机翼前部和腹部使用黑色隔热瓦，最高可承受1260°C；零件和机翼使用灰色绝缘毯（最高 650°C）；而其他部分使用普通的白色保温毯，只能承受370°C，但已经足够了。这也解释了为什么航天飞机轨道器的黑白外观实际上是绝缘层的颜色。
发现号航天飞机：飞机的不同部分有不同的颜色/绝缘材料（©NASA）
三、航天飞机的光辉岁月
说到航天飞机，就不得不提著名的哈勃太空望远镜。这个例子足以说明航天飞机的巨大价值。它是一个主镜头直径2.4米的庞然大物，拥有广角和行星相机、高分辨率光谱仪、高速光度计、暗物相机、暗物镜等核心仪器。物体光谱仪。它长13.2米，直径4.2米，总重11.1吨。中国的天宫一号和二号实验室（8吨）应该更大一些。这个庞然大物必须依靠航天飞机才能发射。后来证明，如果太空出了差错，只有航天飞机才能救它。
发现号航天飞机成功发布了带有机械臂的哈勃太空望远镜（图片来源：NASA）
1990 年 4 月 24 日，发现号航天飞机与哈勃太空望远镜一起升空。然而，科学家们很快发现，需要观测深空天体的哈勃望远镜竟然是“近视”的，这将导致观测质量远低于预期。问题出在 Perkin Palmer 生产的巨大主透镜上，它被磨得很平，以至于透镜的边缘偏离了 2.2 微米。虽然这只是镜头直径的百万分之一，但对于需要观测数亿光年外天体的哈勃来说，这是完全不能接受的。但此时抱怨已经来不及了，望远镜在太空中已经运行平稳，没有办法通过地面后处理来纠正光学系统造成的根本误差。
重新启动昂贵的望远镜不太可能，奥运会期间重新维护地球也不现实（太阳能电池板等已打开并修复），因此解决方案在于如何使用航天飞机进行维修。事实上，这完美地展示了航天飞机的一大优势。它巨大，配备强大的机械臂和维护系统，极有能力改变轨道，甚至宇航员也可以携带可自由移动的推进装置。航天飞机是唯一能够进行大规模太空维修的航天器，即使是在太空无法解决的问题，也可以将其捕获并抓取到自己的机舱中，将其带回地球进行维修，然后按计划再次发射时间。
1984 年 11 月 6 日，宇航员加德纳从发现号航天飞机出发，使用推进装置飞向巨大的通信卫星，然后在太空中“拍卖”（图片来源：NASA）
经过长期训练，1993年12月2日，七名“哈勃维修专家”乘坐奋进号航天飞机成功启程。随后，航天飞机成功接近并抓住了哈勃望远镜。在太空中会合和对接绝非易事。每艘飞船以每秒7500多米的速度移动，相当于高速公路上汽车速度（每小时120公里）的200多倍。可想而知，要实现“千里之差”的精准对接有多难。航天飞机维护任务从发射到返回历时12天，期间共进行了10次太空行走，每个人的步行时间从6小时到8小时不等，这在以往的航天飞机任务中是前所未有的。
最终，7名宇航员顺利完成既定目标，对哈勃太空望远镜进行了重大改造和更新，让它“重生”。为了克服空气阻力造成的轨道下降，航天飞机利用强大的推进力将望远镜的轨道推高了一点，然后返回。第一次修复的巨大成功极大地鼓舞了美国宇航局和天文学家。对科学应用的需求永无止境，随着在轨维修和升级的可能性，科学家们也在寻找更多机会对哈勃太空望远镜进行下一次升级。与此同时，美国宇航局也看到了哈勃太空望远镜巨大的科学产出和远大于预期的公众影响，正在尽一切可能帮助科学家维护哈勃。在接下来的几年里，又有四次航天飞机任务抵达哈勃太空望远镜，其中大部分已经完全更新和更换，而航天飞机已经将哈勃转变为“没有母亲知道”的地步。
NASA 总共为哈勃太空望远镜执行了六次航天飞机任务。可以清楚地看到，在第四次维护（共第五次）任务更换太阳能电池板后，轨道下降速度减慢了很多
哈勃太空望远镜的例子是一个缩影。在 135 次任务中，航天飞机展现了其多才多艺的一面。不仅可以释放大型航天器，还可以进行在轨维修，还可以放回舱内带回地球；它可以释放人造地球卫星和巨大的木星探测器；它不仅可以执行绝密的军事任务，还可以提供引人注目的科学教育。航天飞机也是国际空间站建设阶段必不可少的工具，因为它是唯一可以在太空中运输和组装巨大的、不可操纵的桁架结构的工具。航天飞机退役后，人类没有办法建造像国际空间站这样的大型桁架模块化空间站。最后，航天飞机在轨道上的时候，也是一个可以搭载6-7名宇航员的空间站，对于各种科学研究，特别是对人类空间医学研究来说，具有很大的价值。
除去实验原型机，一共建造了五架航天飞机用于实际应用：哥伦比亚（Columbia，1981-2003)，Challenger（1983-1986)，Challenger，1983-198< @6)，发现号（1984-2011)，亚特兰蒂斯号（1985-2011) 和奋进号，1992-2011)）。他们完成了 135 年代的第一次载人航天任务从和平号空间站到国际空间站时代，是人类航天史上的一项了不起的成就。
四、航天飞机遗憾谢幕
然而，40岁的航天飞机却带着遗憾走到了尽头。核心原因是它本身，因为它的重用价格远高于预期。例如，它的轨道器（类似于飞机的主要部件）由超过 250 万个零件、370 公里的电缆和 27,000 多块绝缘瓦组成，使其成为世界上最复杂的单体飞行器。尤其是绝缘瓦必须纯手工更换中国暴风雪鱼雷技术，两台轨道转移发动机的维护比计划的要困难得多，主机也需要大修。这使得航天飞机的单次发射成本至少达到5亿美元，整个项目每次发射的平均成本达到了惊人的15亿美元，与昂贵的土星五号火箭持平。远远超过预期的 6000 万美元。
实际的航天飞机维护比预期的要复杂得多（左）（©NASA）
两次可怕的灾难直接毁掉了航天飞机。 1986年1月28日，挑战者号因发射时固体助推器O型圈失效而爆炸； 2003 年 2 月 1 日，哥伦比亚号的机翼在发射过程中被外部储罐的绝缘材料击碎，未能幸免于难。大气的过程，最终瓦解。这两起事故也被列为人类历史上牺牲最多的航天事故（7名宇航员各遇难），影响极为恶劣。而且每次事故都导致航天飞机发射计划暂停数年，导致整个项目的成本飙升。
在挑战者号（左）和哥伦比亚号（右）的解体中迷失的宇航员（©NASA）
同时，美国一直奉行无人能主宰的原则。在航天飞机项目如火如荼的同时，其他几个系列的火箭也在同步进行，NASA也保证了它们的发射频率。航天飞机的有效载荷为25吨，其他火箭也能达到这个级别的运力，构成了航天飞机发射任务的分流，大大降低了航天飞机的使用频率，也大大增加了单次造价。苏联解体后，美国对军用有效载荷和大型航天器的需求也大大减少，航天飞机应用的主要场地正在迅速流失。尤其是随着载人航天进入商业航天时代，SpaceX等一系列优秀企业崛起。他们提出了各种效率更高、性价比更好的近地空间开发和交付解决方案，正在迅速推动航天飞机。退出历史舞台。
2011 年 7 月 21 日，随着航天飞机第 135 次任务亚特兰蒂斯号的成功着陆，40 年的航天飞机计划正式落下帷幕。
然而，比美国航天飞机计划更令人遗憾的是苏联航天飞机计划。登月竞赛的失败让苏联不甘心，后来美国在可重复使用飞行器（航天飞机）的研究上取得领先，这导致苏联决策当局在这种情况下立即启动了本国军队经济已经很困难了。航天飞机计划，大名鼎鼎的暴风雪，也成为了这个项目的最后谥。
美国航天飞机（左）和苏联航天飞机（右）的比较（©NASA）
两者看似相似，但实际原理却大相径庭。美国航天飞机的主要动力由轨道器的三个液氧和液氢发动机提供，两个可回收助推器提供了巨大的推力，可以在早期突破稠密的大气层。苏联航天飞机这个项目完全依赖新设计的能源火箭，相当于把航天飞机送上太空的火箭（火箭无法回收），而航天飞机本身只有很小的推力，只能用于轨道机动。返回地球后，轨道器将由大型运输机以类似于美国航天飞机的方式运送到指定的维修地点。在这种设计理念的影响下，由于主机不在轨道器上，苏联航天飞机的复杂性更低，可靠性更高，容量更强，可以实现无人自动驾驶。其应用潜力不亚于美国。航天飞机。苏联为了在这场竞争中占得先机，大赚一笔。
用于 An-225 飞机（左）和巨大能量火箭（右）的苏联航天飞机（©Wikipedia）
著名的苏联安东诺夫飞机设计局设计了迄今为止世界上最大的运输机An-225，起飞重量达到惊人的600吨。搭载航天飞机的能源号也是苏联历史上最大的火箭，总重2400吨，在美国仅次于土星五号，推力甚至超过土星五号，而且它仍然仍然是世界上最高的火箭。推力记录。
非常遗憾的是，经过1988年11月15日的唯一考验，苏联的政治、经济和国际形势与环境发生了巨大变化，一个巨人倒塌了。当时，大有可为的航天飞机项目也被迫立即拆除。只造了一架An-225飞机，能源火箭只飞了两次，唯一真正测试过的航天飞机是暴雪号（有几个原型机），而且都藏在雪地里。后人习惯于以苏联唯一的航天飞机暴雪号命名整个太空计划，这是一个很大的遗憾。
更不幸的是，2002年苏联解体后，存放暴雪的机库被大雪淹没，暴雪被砸烂，暴雪被暴雪摧毁。仅存的An-225运输机也在2022年初的俄乌冲突中被大炮彻底摧毁，人类航天飞机时代就此终结。
五、后航天飞机时代
航天飞机没了，但它背后的核心技术依然存在。由于后期技术的进步，与航天飞机相关的技术发展正在以重生的面貌重新出现在载人航天史上。
一个典型的例子是下一代太空发射系统（SLS），它旨在复制土星五号的能力，从而实现了美国宇航局重返月球的目标。预计将采用模块化的方式设计多种适应性模型，既可用于载人航天，也可用于纯货运版本。近地轨道运载能力从95吨到130吨不等，最大运载能力可以向地面发射超过45吨的载荷。月球转移轨道与之前的土星五号月球火箭处于同一水平。但乍一看，SLS 几乎是航天飞机的“火箭版”。
SLS 和航天飞机有着明确的代际传承（图片来源：NASA）
它的主要技术承包商是原航天飞机团队。从最核心的部件来看，主推力来自两颗固体助推器，它们是原航天飞机助推器的升级版。单体推力1600吨，自重仅725吨。所有工作在 126 秒内完成。也就是说，这个助推器可以推动我国最重的长征五号火箭（最大起飞重量约870吨），真正的猛兽。它的核心级别也主要与航天飞机的核心发动机RS-25D，以及可以看到相同历史的“大橙罐”液氧液氢推进剂储罐相结合。配合不同版本的上级和逃生塔等，火箭也因此形成了不同的版本，适用于不同类型的发射任务。 SLS 预计将于 2022 年 8 月底首次推出。
航天飞机本身的设计理念也是小型化，更实用。例如，航天飞机的主要承包商之一波音公司从1999年就开始为美军研制X-37B多用途多用途飞行器，其轨道测试飞行器OTV（Orbital Test Vehicle）常被称为“无人太空战机”，单次太空飞行最长可达两年，体积虽小，但具备复杂的变轨能力，配合多功能机械手，可进行各种在轨服役作业，并终于独立返回地球了。
从表面上看，X37-B 基本上是航天飞机的缩小版（来源：NASA）
航天飞机的技术遗产也正在向商业航空航天领域蔓延。 SpaceX著名的一级火箭回收设计理念，很大程度上源于航天飞机时代对回收再利用能力的极致追求。在最新的产品设计中，SpaceX的星舰需要实现独立返回大气层，因此还需要在航天飞机隔热瓦的基础上进一步开发隔热材料。一个更直接的例子是 Dream Chaser，一家商业航空航天公司 Sierra Nevada Group，该公司已获得 NASA 授予的空间站货运合同，并进行了多次飞行测试。如果你一眼看去，你甚至会直接认为这是航天飞机的缩小版。事实上，它的设计理念确实对航天飞机之前的技术做了很多借鉴。这种技术传承案例在当今许多与NASA相关的供应商中都可以找到。
追梦者小型航天飞机（图片来源：Ken Ulbrich）
在软实力方面，航天飞机的影响力还远远没有消失。航天飞机项目已经持续了近40年。 NASA的五个中心（约翰逊、马歇尔、戈达德、肯尼迪和史坦尼斯）主要负责整个过程，带来了大量的资金和科研产出，为这五个中心的实力奠定了基础。实力基础。航天飞机的制造商洛克希德·马丁公司、波音公司、轨道科学公司（现已并入诺斯罗普·格鲁曼公司）也确立了世界前三大国防/航空/航天公司的行业地位，这些公司曾经在航天飞机项目上大赚一笔，在此期间，其他国防公司的大量并购和整合成为巨头。
航天飞机计划是半导体、集成电路、计算机、微电子等重点行业的起步阶段。由于航天飞机的设计理念和减重增效的要求，航天飞机大量采用了这些新技术，特别是针对需要这些行业公司定制所需产品的特殊应用，提供了巨大的订单为这些行业服务，并直接推动他们随后在行业中的全球领导地位。航天飞机的直接研发过程及其在轨实验带来的科研内容，也为美国科研机构提供了大量的课题。都是可以改变国家命运的宝贵财富。
总而言之，航天飞机的出现有着特定的时代背景。其研发过程实现了航天史上许多经典的创新理念。在任务周期中，航天飞机确实不负众望，执行了一系列复杂而独特的任务，创造了航天史上的许多辉煌成就。但它的设计可能过于超前，导致造价高昂，最终没能与当代火箭抗衡，两次惨烈的事故直接让它陷入了绝境。 As human spaceflight enters a new stage, the space shuttle and its related technologies are gradually "disintegrating" and integrating into new technologies. Some of these new technologies are not only changing the history of spaceflight, but also gradually changing the way of life of human beings.
