1981年，在佛羅里達州卡納維拉爾角的一個炎熱的四月天，人類歷史上最先進的飛行器升空了。它看起來像是飛機與火箭的混合體——笨重、龐大，幾乎不可能實現(xiàn)，但卻充滿希望，技術(shù)先進，前景光明。它不僅僅是升空了——它立刻打破了此前所有關(guān)于太空飛行的規(guī)則。

1. “發(fā)現(xiàn)號”航天飛機的發(fā)射。

在那“從前”的太空時代，飛船升空之后就基本上是“消失了”：燒毀、墜入海洋，或永久留在軌道上。而這一次，它回來了。它像滑翔機一樣降落，沒有爆炸、沒有特效，只有起落架與混凝土接觸時輕微的摩擦聲。這是“哥倫比亞”號的首次飛行落幕——也是一個新紀元的開始：太空不再是單程票的終點，而是往返之地。

2. 系統(tǒng)點火

“航天飛機”（Space Shuttle）——是一場試圖重寫物理、經(jīng)濟學(xué)乃至太空飛行理念的嘗試。它是可重復(fù)使用的，有人駕駛的，能夠運輸人員和貨物并將它們帶回地球。它成為了希望的象征、技術(shù)的奇跡、悲劇的主角，最終也是人類在探索太空歷史上的一個關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點。

構(gòu)想：關(guān)于廉價太空的夢想如何誕生了一個“怪物”

航天飛機的理念并不是憑空出現(xiàn)的。1969年，當“阿波羅11號”在月球上留下人類的腳印時，美國國家航空航天局（NASA）就已經(jīng)在思考：“下一步是什么？”月球已被征服，勝利已獲得，但預(yù)算卻在削減，公眾的興趣也在下降。NASA需要一個新的目標——不是一次性的探險，不是一場太空競賽，而是一個系統(tǒng)。一個能讓太空變得常態(tài)化、極大降低進入成本的系統(tǒng)。

圖3：五架航天飛機依次從左到右：哥倫比亞號、挑戰(zhàn)者號、發(fā)現(xiàn)號、亞特蘭蒂斯號、奮進號

最初的構(gòu)想極其宏偉：太空空間站、月球基地、火星遠征……但政治現(xiàn)實要求的是更“務(wù)實”的預(yù)算數(shù)字。于是，折衷方案誕生了——“航天運輸系統(tǒng)”（STS，Space Transportation System）。它的核心理念不是征服，而是物流。

航天飛機應(yīng)如織布機的“梭子”一般，來回穿梭于地球與軌道之間，運送貨物、衛(wèi)星和人員。理論上，一年最多可執(zhí)行24次任務(wù)，每架航天飛機的壽命為100次飛行。盈利方式則靠發(fā)射商業(yè)衛(wèi)星。這是人類歷史上第一個“金屬鑄成”的太空商業(yè)計劃——正中美國經(jīng)濟體系的下懷。

圖4：1982年7月4日美國獨立日，時任總統(tǒng)羅納德·里根與夫人一同在加州愛德華茲空軍基地迎接“哥倫比亞號”航天飛機返航的宇航員們

但現(xiàn)實比理想要殘酷得多。航天飛機并沒有像航班那樣頻繁起飛。30年間，只有135次任務(wù)，平均每年4次。不是24次，也遠未達到每架飛機飛行100次的目標。但它依然具備令人驚嘆的運載能力——能將24.4噸物資送入低地球軌道。在當時，這是無人能及的。沒有任何一次性火箭能在貨倉容量上與其匹敵：18米長、4.5米直徑的貨艙，足以裝載不僅僅是衛(wèi)星，還有完整的模塊、望遠鏡、科學(xué)實驗艙。

不可能的結(jié)構(gòu)：如何組裝出“太空巨龍”

航天飛機并不是一艘單獨的飛船，而是由三部分組成的復(fù)雜系統(tǒng)——它看起來脆弱，卻擁有驚人的力量。整個系統(tǒng)像一個“太空巨龍”，其結(jié)構(gòu)可分為三大部分：

下方是兩個固體燃料助推器。每個助推器長 45.5 米，直徑 3.7 米，重量 590 噸。兩個加起來，發(fā)射時可提供 2600 噸推力，約占總推力的 80%。它們使用的燃料是一種混合物：鋁粉、氧化劑與聚合物粘合劑。這兩個助推器可燃燒 123 秒，隨后分離、墜入海洋，并通過降落傘回收，再送回工廠清理、重新加注燃料，之后可再次使用。這是當時火箭技術(shù)的一場革命——可以重復(fù)使用的助推器。

圖5：1981年“哥倫比亞號”執(zhí)行STS-1任務(wù)的首次飛行

中間是巨大的外部燃料箱，這是一個長 47 米、直徑 8.4 米 的橢圓形大圓筒。里面裝有 103 噸液氫和 616 噸液氧，用于為航天飛機的三臺主發(fā)動機 RS-25（也稱為 SSME）提供燃料。這個外部燃料箱本身沒有推進系統(tǒng)，只是一個燃料容器。它是一次性的：在升空到約 113 公里高度時與飛船分離，隨后墜入大氣層并大部分燒毀，殘骸落入海洋。

頂部是航天飛機本體，即軌道飛行器。其機身長 37 米，翼展 24 米。配備 三臺 RS-25 主發(fā)動機，以液氫和液氧為燃料，總推力達 541 噸。在助推器分離后，正是這三臺主發(fā)動機將航天飛機推送進入軌道。

進入軌道后，還使用兩個 OMS（軌道機動系統(tǒng)）發(fā)動機，用于軌道調(diào)整、對接操作和返回地球前的減速制動。

飛行：從發(fā)射到進入太空

航天飛機的發(fā)射，是工程學(xué)中最受控的“混亂”之一。在發(fā)射前6.6秒，三臺主發(fā)動機啟動。在3秒內(nèi)它們將功率提升至100%。在發(fā)射瞬間（T=0），固體助推器點火，八個爆破螺栓爆炸，釋放系統(tǒng)。過載可達3倍重力加速度（3g）。

6. 固體助推器分離：發(fā)射后126秒，高度約45公里

在氣動阻力最大的飛行段（稱為Max Q），發(fā)動機會被限制在65%到72%功率，以避免結(jié)構(gòu)被撕裂。126秒后，助推器在約45公里高度分離。它們會下落、展開降落傘，最終墜入大西洋。而航天飛機則繼續(xù)依靠外部燃料箱上升。

8分半鐘后，外部燃料箱耗盡，發(fā)動機關(guān)機，燃料箱被拋棄。但這時航天飛機還沒有進入軌道。雖然它的速度達到了每秒7.8公里，但在如此可怕的高度下仍不足以維持穩(wěn)定軌道——它正處在彈道軌跡上。只有90秒后，當航天飛機飛至遠地點時，軌道機動系統(tǒng)（OMS）的發(fā)動機才啟動，給予一次推進，使航天飛機進入環(huán)繞軌道。

7. “亞特蘭蒂斯號”重返大氣層，從國際空間站拍攝

這套流程極為巧妙。它的軌道設(shè)計使得外部燃料箱無需進入軌道——它將墜入印度洋。而航天飛機得以留在軌道上，進入軌道飛行階段。

回歸：當滑翔機以炮彈的速度飛行

再入就是一種可控的墜落。在接近降落地點半圈軌道之前，航天飛機會尾部朝前翻轉(zhuǎn)，并啟動軌道機動系統(tǒng)（OMS）發(fā)動機三分鐘。這次減速脈沖會將飛行速度降低322公里/小時，這就足以讓軌道的近地點進入大氣層。

8. 航天飛機在加利福尼亞州愛德華茲基地著陸，1982年

翻轉(zhuǎn)之后，航天飛機以40°的迎角（機頭朝上）進入大氣層，這樣可以實現(xiàn)最大的空氣阻力減速。機翼前緣和機身前部的溫度會升高到1650°C。熱防護系統(tǒng)由上百塊隔熱瓦組成，每一塊都具有獨特的形狀和安裝位置。瓦塊緊密排列，如同拼圖，經(jīng)受住了地獄般的考驗。

航天飛機會通過S形機動來持續(xù)降低速度，傾斜角度最高可達70°。這不是為了美觀，而是為了分散熱量，避免某一側(cè)過熱。飛行中的過載為1.5g，算是比較溫和，幾乎是舒適的。但此時機外是高溫等離子體，航天飛機無法像在正常大氣中那樣進行機動。

在500米高度時開始平飛調(diào)整，隨后起落架放下。接觸跑道時的速度為每小時350公里。之后釋放一個直徑12米的減速傘，在速度降至每小時110公里時切除。直到此時，航天飛機才真正變成地面交通工具。

9. 航天飛機的尺寸。

這是一次不能重來的降落。沒有任何犯錯的余地，沒有備用機場。只有一條跑道，只有一次機會。

機組人員

航天飛機上的乘員人數(shù)從兩人到八人不等。最高紀錄是1985年“挑戰(zhàn)者號”上搭載了八名宇航員。通常來說，航天飛機上有五至七名乘員。指令長和駕駛員位于駕駛艙內(nèi)。下方是乘員艙，宇航員們在那里生活、睡覺、吃飯。乘員艙的容積為65.8立方米，設(shè)有11個舷窗，還配備了廁所、餐桌、睡眠區(qū)以及實驗工作站。

10. 航天飛機與“聯(lián)盟號”相比的尺寸

航天飛機完全由人手操作。機上資料重達90公斤的紙質(zhì)文檔，沒有任何數(shù)字平板設(shè)備。所有信息都顯示在模擬儀表、顯示屏和電路圖上。宇航員要經(jīng)過多年訓(xùn)練，才能學(xué)會“感知”這艘飛船的狀態(tài)。因為一旦發(fā)生事故，他們只能靠自己。

貨艙是航天飛機最大的優(yōu)勢。貨艙里裝有**“加拿大機械臂”（Canadarm），長度達15.2米**，可從駕駛艙內(nèi)遠程操控，在失重狀態(tài)下能舉起最多29.5噸的物體。借助這只機械臂，航天飛機可以部署衛(wèi)星、運輸國際空間站模塊，甚至捕捉衛(wèi)星進行維修。

11. 開啟貨艙艙門的“奮進號”航天飛機

貨艙艙門不僅僅是普通的“門”，它們還是航天飛機的散熱器。艙門內(nèi)部安裝有專用的散熱板，將熱量輻射到太空中。如果沒有這些艙門，航天飛機上的電子設(shè)備在一小時內(nèi)就會過熱燒毀。

兩次災(zāi)難：為航天飛行所付出的代價

航天飛機曾兩次殞命。而這兩次，并非真正因技術(shù)故障，而是因人為決策。

12. “挑戰(zhàn)者”號的毀滅

第一次災(zāi)難發(fā)生在1986年1月28日，“挑戰(zhàn)者”號，在飛行第73秒時失事。原因是在固體助推器的連接處，密封環(huán)受損。那天夜里溫度為零下4攝氏度。工程師們曾警告：這種橡膠材料在如此低溫下無法正常工作。但發(fā)射依然被批準。密封環(huán)未能承受，高溫氣體噴出，燒穿了外部燃料箱。系統(tǒng)隨即崩潰。嚴格來說，航天飛機并未爆炸，而是因氣動載荷解體。機組艙保持完整，機組人員在墜入海面撞擊時遇難。

第二次災(zāi)難是“哥倫比亞”號，發(fā)生在2003年2月1日，任務(wù)返回途中。在升空階段，一塊來自外部燃料箱的泡沫擊中了機翼前緣，損壞了隔熱瓦。工程師們察覺到可能存在問題，請求立即獲取軌道上的照片。但NASA管理層認為無必要為此增加發(fā)射前的復(fù)雜流程。當航天飛機重返大氣層時，高溫氣體進入機翼內(nèi)部，熔毀了結(jié)構(gòu)。整架飛船在60公里高空解體。

13. “亞特蘭蒂斯”號的倒數(shù)第二次發(fā)射

這兩次災(zāi)難，是系統(tǒng)性思維所帶來的風(fēng)險教訓(xùn)。當時間表的壓力、政治因素和等級制度淹沒了工程師的聲音，代價可能就是死亡。

最后的發(fā)射：一個時代的終結(jié)

最后一次發(fā)射——2011年7月8日?！皝喬靥m蒂斯”號，任務(wù)編號STS-135。乘組4人，特意縮編。以防萬一。因為再也沒有航天飛機可以執(zhí)行救援任務(wù)了。如果出了什么問題，乘員就只能留在國際空間站。

14. 航天飛機的構(gòu)造

飛行持續(xù)了13天。送去了貨物，進行了實驗，然后返回。2011年7月21日——著陸接地。寂靜。再無后續(xù)的發(fā)射。

航天飛機退役進入博物館?！捌髽I(yè)”號去了紐約，“發(fā)現(xiàn)”號在華盛頓，“奮進”號前往洛杉磯，“亞特蘭蒂斯”號留在卡納維拉爾角。它們仿佛幽靈般的飛船，凝固在永恒的待命狀態(tài)中……

15. “哥倫比亞”號（STS-35）（左）駛過“亞特蘭蒂斯”號（STS-38）

……航天飛機離開了舞臺。但每一艘都證明：可重復(fù)使用的飛船是可能的。這一認識成為SpaceX、Blue Origin、“星艦”項目的基礎(chǔ)。如今火箭的垂直回收著陸，正是航天飛機理念的延續(xù)。它們讓世界明白：太空不僅屬于英雄。它屬于工程師，科學(xué)家，后勤人員……屬于每一個人。