太空梭又稱 zhcn 太空梭；zhsg 太空梭；zhtw 太空梭，是美國國家航空航天局（NASA）於 1981 至 2011 年運作的近地軌道航天器系統，有一定重複使用空 間，也是美國太空梭計劃的核心。太空梭是 1969 年美國太空運輸系統計劃方案中唯一獲資助的專案，太空梭系統的正式名稱繼承自該計劃，為 太空運輸系統（，簡稱 STS）。 太空梭在 1981 年起先後進行四次軌道測試飛行，首次為 STS1；到 1982 年開始執行正式的飛行任務，首次為 STS5。美國共製作五架完整的太空梭軌道器（挑戰者號、哥倫比亞號、發現號、亞特蘭提斯號和奮進號），並在前後三十餘年間執行 135 次任務，每次都是從佛羅里達州的肯尼迪航天中心起飛。除發射哈勃空間望遠鏡、多枚人造衛星和空間探測器外，太空梭執行的任務還包括進行軌道科學實驗，及參與國際空間站的建設和維護。太空梭退役前的最後一次任務為 2011 年的 STS135，所有太空梭的任務總時長為 1322 天 19 小時 21 分 23 秒。 太空梭的部件包括：三個洛克達因 RS25 發動機和兩個 OMS 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航天器，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。固體火箭助推器在航天器抵達軌道前分離；外儲箱在即將入軌時分離；入軌機動由軌道器的兩個軌道機動發動機完成。在任務完成後，軌道器將會啟動軌道機動發動機脫離軌道並返回大氣層。再入期間，軌道器會受到隔熱瓦保護，最後經過滑行像太空飛機一樣在跑道著陸。太空梭大多數著陸點是佛羅里達州肯尼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，會用波音 747 特別改裝後的太空梭運輸飛機送回肯尼迪航天中心。 1976 年製成的 企業號 是第一個軌道器，但並沒有實際的軌道飛行能力，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 挑戰者號 和 哥倫比亞號 分因 1986 年和 2003 年的任務事故損毀，導致 14 名宇航員喪生。1991 年，美國建造第五架可運作軌道器 奮進號，用於代替 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後，太空梭從此宣告全部退役。此後，美國長年依靠俄羅斯聯盟號宇宙飛船將宇航員送上國際太空站，直至 2020 年 5 月 30 日的商業航天員計劃首飛時止。 設計和發展 歷史背景 美國空軍在 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 X20 試驗機。1961 年，空軍同美國國家航空航天局在試驗機專案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，試驗機專案於 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航天器。 美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舉升體，測試主要透過機身而非機翼產生升力的飛行器，測試專案包括 M2F1、M2F2、M2F3、HL10，以及 X24A 和 X24B 試驗機。專案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。 設計過程 1966 年 9 月，美國國家航空航天局和空軍釋出聯合研究結論，為滿足將來需求研發的新型航天器最好能夠實現部分再利用來節省成本。1968 年 8 月 10 日，航空航天局載人航天辦主任喬治穆勒宣佈可重複使用太空梭計劃，之後又為發射與再入綜合航天器設計釋出需求建議書，這種綜合航天器後來發展成太空梭。航空航天局宣佈不會根據初步建議擇優簽約，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；第三階段涉及航天器部件細節設計，第四階段才是航天器製作。 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航天器的最佳設計，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，太空梭任務組釋出報告，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，美國副總統斯皮羅阿格紐領導的太空任務組釋出報告，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取得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。 但美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航天器後，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 29 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 46 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 F1 和 J2 火箭發動機不能滿足太空梭需要，然後在 1971 年 7 月向洛克達因釋出合同，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，美國總統理查德尼克松批准太空梭計劃，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簽訂軌道器製造合同，固體燃料助推器合同由賽奧科公司獲得，馬丁瑪麗埃塔拿到外儲箱合同。 發展 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 OV101。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。羅克韋爾製出 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。該局過去的航天器採用燒蝕隔熱罩，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 日運至肯尼迪航天中心，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 OV099，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 OV103 和 OV104，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 OV105 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。 測試 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肯尼迪航天中心 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。STS1 不但是首次太空梭任務，也是航空航天局的載人航天器首飛。1981 年 4 月 12 日，太空梭首度發射，帶著約翰楊和羅伯特克里彭飛上藍天。兩名飛行員在兩天任務期間檢測太空梭的各種裝置，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 STS4 任務後在愛德華茲空軍基地的混凝土跑道著陸。羅納德里根總統和第一夫人南希里根接見工作人員，總統還在現場演說。STS4 成功後，航空航天局宣佈航天運輸系統投入運作。 太空梭詳解 太空梭是歷史上第一種可操作且可重複使用的軌道航天器，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。肯尼迪航天中心負責赤道軌道任務的發射、著陸和週轉操作（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、著陸和週轉（從未使用）；林頓約翰遜太空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 軌道器包含火箭和飛行器雙重設計元素，既能像火箭般垂直髮射，又能像滑翔機一樣著陸。機身分成三部分，為乘員艙、貨艙、發動機艙和飛行操縱提供支援。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。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。 機組人員 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 STS51L 失事喪生的格里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。STS51C 和 STS51J 任務均有同一名航天工程師作為軍方代表隨行，因為兩次任務都有美國國家偵察局的貨物。太空梭任務通常配有七名機組人員，STS61A 配有八人。 乘員艙 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，能支援兩名宇航員的艙外活動，還能進入太空實驗室。中層甲板下面是裝置艙，裝有環境控制和廢物管理系統。 前四次太空梭任務的宇航員身穿改良版美國空軍高空全壓制服，其中包括航天器上升和下降期間穿戴的全壓頭盔。從第五次任務 STS5 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區域性加壓服，是空軍高空壓力制服的區域性加壓版。1994 年，高階逃生系統航天服取代發射和進入制服，在碰到緊急情況時更能保障宇航員安全。哥倫比亞號 本在前四次任務配有修改過的 SR71 黑鳥式偵察機零零彈射椅，但在 STS4 任務後停用，STS9 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。儀表板包含 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桿，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，能顯示並操作飛行資訊。顯示系統向指令長、飛行員及後面的座位顯示飛行資訊，同時還能控制抬頭顯示器的資訊。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 塊多功能彩色數字螢幕。多功能電子顯示系統於 2000 年 5 月隨 STS98 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桿。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裝置艙、休息區、廚房、醫療裝置和衛生站。人員使用模組化儲物櫃存放裝置，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。 飛行系統 軌道器配有航空電子系統，能在大氣層內飛行時提供資訊和操作功能。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資料探針。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，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，新版本提供的位置資訊更加精確。1993 年，航空航天局用 STS51 首次把全球定位系統接收器送入太空。1997 年，霍尼韋爾開始整合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 STS118 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，支援語間和資料通訊。四個 S 波段無線電中有兩個是相位調製收發器，能傳送和接收資訊；另外兩個是頻率調製傳送器，用於向航空航天局傳送資料。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資料中繼衛星系統和航天測控和資料採集網地面站與軌道器通訊。此外，軌道器貨艙外部還配有高頻寬 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宇航員。 太空梭的線傳飛控系統完全靠資料處理系統主計算機控制。資料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。資料處理系統包含五臺通用計算機、兩個磁帶大容量儲存單元，以及監測太空梭部件的各種感測器。原配通用計算機是 IBMAP101B，採用單獨的中央處理器、輸入 輸出處理器，以及非易失型固態儲存器。1991 至 1993 年間，軌道器的通用計算機升級成 AP101S，儲存和處理能力更強，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裝置體積、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，支援任務執行。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行動式通用支援計算機，能夠與軌道器的計算機和通訊套件整合，並監控科學和負載資料。早期任務攜帶的 Grid Compass 和行動式通用支援計算機都是歷史上很早的筆記型電腦，之後的任務開始採用蘋果公司和英特爾的筆記型電腦。 貨倉 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 46 米，能容納直徑最大為 46 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。艙內貨物在縱樑的附著口上固定，艙門還能用於散發軌道器的熱量，抵達軌道時就能開啟來排熱。 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、遙控機械臂系統，以及延長任務時間需要的部件。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，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 STS118 任務期間首次應用。 遙控機械臂系統 遙控機械臂系統又稱加拿大臂，是連線貨艙的機械臂，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製作，宇航員能在軌道器飛行甲板透過窗戶和閉路電視操縱。遙控機械臂支援六自由度，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 太空實驗室模組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。模組由兩截組成，均長 27 米，裝在貨艙尾端，以便在飛行期間保持重心。宇航員透過 27 米或 58 米的通道進入模組，兩條通道均同氣閘相連。太空實驗室的設施用托盤存放，其中既有實驗裝置，又有計算機和供電裝置。截至 1999 年，太空實驗室裝置共隨太空梭升空 28 次，研究專案包括天文學、微重力、雷達和生命科學。這些裝置還在哈勃望遠境維護、空間站補給等任務中發揮作用。太空實驗室模組先在 STS2 和 STS3 任務測試，首次完整任務是 STS9。 太空梭主發動機 太空梭主發動機共有三臺，又稱 RS25 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 105，偏航角偏移 85 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。RS25 屬分級燃燒迴圈低溫發動機，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 2265 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 時保持安全穩定執行。為保證發動機推力值與以前的文件和軟體一致，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。RS25 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 2075 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 軌道機動系統包含兩個位於尾部的 AJ10190 發動機及對應推進劑儲存箱。發動機的燃料是一甲基肼和氧化劑四氧化二氮，儲存箱最多能裝載 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 305 ms 的 ΔV。 隔熱系統 軌道器表面帶有隔熱保護層，再入期間受隔熱系統保護。過去的美國航天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。再入時，隔熱系統外側的溫度高達 1600C，但必須保證軌道器的鋁質外殼溫度低於 180C。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 1300C，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 STS114 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。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 650C 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 370C 的溫度。 外儲箱 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線。外儲箱高 47 米，直徑 84 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。軌道器透過兩塊臍帶板與外儲箱連線，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線件。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。結構連線件上的螺栓切斷後，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 STS1 和 STS2 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 STS3 開始外箱體不再加塗乳膠漆。STS6 任務首次採用重量減輕 47 噸的輕型箱，減掉的重量來自部分箱壁金屬變薄，取消液氫箱的部分元件。1998 年，STS91 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 34 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 固體助推器在太空梭起飛和上升階段提供 714 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 37 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，在肯尼迪航天中心的航天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線。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 125 萬牛頓推力，從 STS8 任務開始提升到 133 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 公里高空脫離，隨後開啟穩定傘和主降落傘，落入大海後由兩艘 MV 自由之星號（分別是和）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。STS6 和 STS7 使用的固體助推器箱體內壁減薄 01 毫米，所以比前幾次任務的助推器輕 23 噸，但之後的研究結果表明這樣內壁又太薄，所以從 STS8 開始到 STS26 止採用比原版薄 0076 毫米的箱體，每枚助推器比原版輕 18 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。 支援運載工具 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肯尼迪航天中心。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 從工廠送到肯尼迪航天中心。太空梭退役後，N905NA 放在林頓約翰遜太空中心展覽，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，在軌道器著陸後帶宇航員離開。航天飛機發射當天，宇航員從操作與測試大樓的機組人員宿舍乘宇航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透過佛羅里達東海岸鐵路運到肯尼迪航天中心。 任務簡介 發射準備 航天飛機發射前基本是在肯尼迪航天中心的航天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裝好後運到航天器裝配大樓，再用起重機轉至頭部朝上的垂直方向並與外儲箱配對。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 56 公里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線，該設施能提供維護、貨物裝載和人員運輸功能。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透過臍帶同軌道器連線的外儲箱。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註直至發射前一刻。 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 公里範圍出現砧狀雲時發射。航天飛機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。 發射 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，機載感測器可能跳閘，還可能在點火前導致太空梭超壓和爆炸。發射前 95 秒，液氫罐前閥開啟，準備啟動發動機。 發射前 66 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，發射失敗。如果三臺發動機都在發射前三秒達到額定效能，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 66 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，最後的連線斷開，主發動機達到 100 推力同時固體助推器點火。023 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 06 秒後達到最大值。此外，林頓約翰遜太空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 1045。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，還能改善通訊和導航方位。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，固體助推器能透過藥柱截面變化控制推力。通用計算機能根據固體推進器效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 公里，繫結固體助推器的緊韌體鬆脫，固體助推器還會繼續上升，在到達距地 67 公里的拱點後開啟降落傘掉入大西洋，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，與百慕大庫珀島的追蹤站保持聯絡；但從 STS87 開始，軌道器就在發射 6 分鐘後迴轉至頭部朝上，透過跟蹤和資料中繼衛星聯絡。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 STS38 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 公里，最低 220 公里。 軌道飛行 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政府衛星。早期任務經常運送衛星，軌道器進入的軌道型別便由這些衛星決定。挑戰者號 失事後，許多商用貨物改用三角洲 2 號運載火箭之類消耗型商業火箭運送。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 STS74 開始，軌道器經常與和平號空間站對接。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。STS80 共持續 17 天 15 小時，是歷時最長的太空梭任務。 再入和著陸 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 度攻角，前方的反推力系統排空燃料並在返回大氣層前停用。根據預先設定，軌道器會在距地 120 公里高空開始再入，此時速度約為 25 馬赫。再入過程由通用計算機控制，遵循預設攻角，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透過 S 形機動減速，僅利用橫滾軸轉向，從而在不改變攻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停用，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 公里時開啟垂尾上的空氣制動器。著陸前 8 分 44 秒，機組人員啟動空氣資料探針，並開始把攻角降至 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 13 提升到亞音速的 49。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 公里，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 15。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 09 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元件準備離開。 著陸場 位於肯尼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。此外，哥倫比亞號 完成 STS3 任務後在新墨西哥州白沙導彈靶場著陸，但因這裡的沙子富含石膏，太空梭不得不經過大量後處理，STS107 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 個不在美國。緊急著陸場的選定主要考慮政治關係、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裝置。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。美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於越洋中止著陸。這些設施大都為太空梭緊急著陸備有裝置和人員，但從未投入使用。 著陸後程序 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。現場連線空調和氟利昂管線，為人員和裝置降溫，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。 太空梭計劃 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美國僅有的宇航員發射航天器，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。 預算 估計航空航天局為太空梭計劃投入的預算總額為 2210 億美元。開發者提倡透過可重複使用來節省成本，導致前期開發成本提高，以期換取之後每次發射的低成本。太空梭設計第二階段成本要比第一階段的估算值高，太空梭計劃主任羅伯特湯普森承認，後面設計階段的主要目標不包含降低造價，因為降低成本會導致其他技術要求無法滿足。1972 年的開發估算預計每磅有效載荷的成本為 1109 美元，但即便不考慮太空梭研究和發展開支，實際每磅有效載荷的成本也高達 3 萬 7207 美元。每次發射的成本各不相同，不但取決於飛行頻率，還受太空梭計劃期間研究、發展和調查程式的顯著影響。1982 年，航空航天局公佈的估算值為每次飛行 26 億美元，但估算標準是每年飛行 24 次並持續十年。1995 至 2002 年間，國際太空站和軌道器都沒有建造，而且也沒有事故及後續的搜救工作，但平均每次發射的成本仍達 806 億美元。1999 年，航空航天局公佈研究結果，如果每年發射七次，則平均每次的成本在 576 億美元。2009 年，航空航天局確定每年一次發射的成本為 252 億美元，表明人員和任務開支在太空梭計劃中佔大頭，與發射頻率基本無關。從整個太空梭計劃預算來看，平均每次發射耗資 1642 億美元。 災難 1986 年 1 月 28 日，計劃執行 STS51L 任務的 挑戰者號 因右側固體助推器故障在發射 73 秒後瓦解，機上七名宇航員全部喪生。固體助推器各段箱體的密封對任務安全至關重要，但用於密封的 O 形環在低溫下失效，導致高溫燃燒氣體從助推器之間逸出，燒穿旁邊的外儲箱，最終導致軌道器解體。設計工程師曾一再警告，沒有足夠證據表明 O 形環在溫度低於 12C 時仍能保證密封效果，但被航空航天局高管置若罔聞。 2003 年 2 月 1 日，即將完成 STS107 任務的 哥倫比亞號 在返回大氣層時解體，七名機組人員全部遇難，事故主要原因是機翼前緣的碳纖維強化碳質複合材料在起飛時受損。地面控制工程師先後三次要求國防部提供高解析度照片，用於瞭解損傷程度，同時航空航天局首席隔熱系統工程師要求安排 哥倫比亞號 機組人員到艙外檢視破損情況。但是，航空航天局高管介入阻止國防部提供軌道器影像，同時拒絕安排太空行走；航空航天局高管也沒有考慮出動 亞特蘭提斯號 派宇航員修理 哥倫比亞號 或營救機上人員。 批評 太空梭在開發初期就包括部分可重複使用的主要設計要求。為確保軌道器安全返回並可再利用，技術決策削減每次發射的有效載荷能力，希望能降低單次發射成本，進而提高發射頻率。但是，航天飛機發射的實際成本遠超預估，飛行頻率也遠遠沒有達到航空航天局每年 24 次的初步預測。太空梭最初打算用作部署衛星的發射航天器，挑戰者號 失事前也的確如此。航空航天局的定價低於一次性使用發射航天器，而且低於實際成本，本期望透過大量執行太空梭任務彌補早期經濟損失。但隨著一次使用運載火箭的改善，以及 挑戰者號 失事導致許多商業貨物改用一次使用運載火箭運送，最終衛星佈署也開始以一次使用運載火箭為主。 挑戰者號 和 哥倫比亞號 的慘劇表明太空梭存在安全隱患，可能導致人員喪生。軌道器採用太空飛機設計，導致遇到緊急狀況時的中止手段有限，因為中止任務後還需控制軌道器飛行並在跑道著陸，或是機組人員單獨離開軌道器，不像阿波羅太空船和聯盟號宇宙飛船那樣擁有發射逃逸系統等多種逃生手段。航空航天局工程師和管理人員早期的安全分析結果稱，發生重大事故導致人員傷亡的機率在前一百次發射期間僅有十萬分之一。兩架太空梭失事後，初始任務風險經過重新評估，重大事故導致人員喪生或軌道器損毀的機率高達一比九。外界譴責航空航天局管理層為提高任務頻率不惜以加大機組人員人身安全風險為代價。挑戰者號 和 哥倫比亞號 的事故報告都表明，航空航天局存在不能客觀評估任務潛在風險以確保機組人員安全的文化。 退役 太空梭退役計劃在 2004 年 1 月公佈，喬治沃克布什總統透過太空探索展望呼籲在完成國際空間站建設後將太空梭退役。為確保國際空間站妥善裝配，參與建設各方於 2006 年 3 月確定接下來還需要 16 次裝配任務。2006 年 10 月，太空梭再增加一次哈勃空間望遠鏡維護任務。根據原有計劃，STS134 是最後一次太空梭任務。但因 哥倫比亞號 失事，航空航天局開始安排更多的軌道器進入發射準備狀態，以便在發生緊急情況時執行救援任務。2010 年 9 月，就在 亞特蘭提斯號 為最後一次按需發射準備期間，航空航天局決定裝載四名機組人員的 STS135 任務為最後一次太空梭任務，如果遇到緊急情況，機組人員可以留在國際空間站。2011 年 7 月 8 日，亞特蘭提斯號 最後一次起飛，並在 12 天 18 小時後於協調世界時 2011 年 7 月 21 日上午 9 點 57 分在肯尼迪航天中心著陸，為太空梭的三十餘年曆史劃上句點。此後美國連線多年依靠俄羅斯聯盟號宇宙飛船運送宇航員，直至 2020 年 5 月 30 日載人龍飛船示範 2 號發射為止。 每個軌道器完成最後一次飛行後都經過處理，能夠安全展示。軌道機動系統和反推力系統使用的自燃推進劑對人體有毒，是軌道器展示的主要風險來源，兩系統的絕大部分零件均已永久移除，防止任何危險排氣的可能。亞特蘭提斯號 放在肯尼迪航天中心遊客中心展出，發現號 在史蒂文烏德沃爾哈齊中心展覽，奮進號 在加州科學中心展示，企業號 在無畏號海、空暨太空博物館展出。軌道器部件轉送美國空軍、國際空間站計劃，以及俄羅斯和加拿大政府。發動機拆除並用在太空發射系統，但為展示美觀考慮，軌道器上附有主發動機後備噴嘴。 流行文化 太空梭及各種虛構變體在多部電影中扮演重要角色。1979 年的詹姆斯邦德系列電影《鐵金剛勇破太空城》講述英國借用的太空梭被盜。1986 年電影《突破二十五馬赫》講述 亞特蘭提斯號 意外發射升空，機上的美國太空夏令營師生不得不充當機組人員。2013 年電影《地心引力》虛構 探險家號 太空梭執行 STS157 任務，但因遭遇軌道上高速飛行的太空垃圾導致機毀人亡。樂高推出太空梭模型。飛行模擬器和太空飛行模擬器遊戲中同樣可見太空梭的身影，如《微軟太空模擬器》、《軌道器》和《太空梭任務 2007》。美國郵政署已發行多種描繪太空梭的郵票，其中首枚於 1981 年面世，現在國家郵政博物館展出。 參見 暴風雪號穿梭機 載人飛船 註釋 參考資料 外部連結 太空梭如何執行 1981 年美國國家航空航天局太空梭新聞參考 美國國家航空航天局載人航天：太空梭 《國家地理》：太空梭內外 360 度全景高畫質影像 Category1977 年首飛的飛行器 Category 美國發明 Category 載人航天器 Category 美國航空航天局太空載具 Category 部分可重複使用太空運載工具 Category1981 年面世的交通工具