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部分可重复使用的发射系统和航天器

航天飞机是美国国家航空航天局(NASA)于1981年至2011年运行的一种部分可重复使用的低地球轨道航天器系统，是航天飞机计划的一部分。它的正式项目名称是太空运输系统(STS)，取自1969年的一项可重复使用航天器系统的计划，该计划是唯一得到资助的项目。四次轨道测试飞行中的第一次发生在1981年，导致了1982年开始的实际飞行。从1981年到2011年，在佛罗里达州的肯尼迪航天中心(KSC)发射了五架完整的航天飞机轨道飞行器，共执行了135次飞行任务。运行任务发射了大量卫星、行星际探测器和哈勃太空望远镜，进行了轨道科学实验，参加了与俄罗斯的“和平号”航天飞机计划，并参与了国际空间站的建设和服务。航天飞机编队执行任务的总时间是1322天19小时21分23秒。

航天飞机部件包括轨道飞行器(OV)，带有三个聚集的Rocketdyne RS-25主引擎，一对可回收固体火箭助推器(SRBs)，以及包含液氢和液氧的消耗性外部燃料箱(ET)。航天飞机像传统火箭一样垂直发射，两个srb与轨道飞行器的三个主引擎平行运行，这三个主引擎由外星人提供燃料。在航天飞机进入轨道之前，srb被丢弃，而主引擎继续运行，在主引擎关闭和轨道插入之前，ET被抛弃了，轨道插入使用了轨道机动系统(OMS)的两个引擎。在任务结束时，轨道飞行器启动了OMS脱离轨道，重新进入大气层。轨道飞行器在再入过程中受到热保护系统的保护，它像航天飞机一样滑翔到跑道着陆，通常是在佛罗里达州的KSC航天飞机着陆设施，或在加利福尼亚州爱德华兹空军基地的罗杰斯干湖。如果着陆发生在爱德华兹，轨道飞行器会飞回KSC在航天飞机母舰上，一架特别改装的波音747。

第一架人造卫星企业号(Enterprise)建于1976年，用于进近和着陆测试，但没有轨道能力。最初建造了四个完全运行的轨道飞行器:哥伦比亚号、挑战者号、发现号和亚特兰蒂斯号。其中，有两名宇航员在任务事故中丧生:1986年的挑战者号和2003年的哥伦比亚号，共有14名宇航员遇难。第5个(也是第6个)轨道飞行器，奋进号，于1991年建造以取代挑战者号。亚特兰蒂斯号航天飞机于2011年7月21日完成最后一次飞行后退役。在2020年5月发射Crew Dragon Demo-2任务之前，美国依靠俄罗斯联盟号飞船将宇航员从最后一次航天飞机飞行中运送到国际空间站。

历史背景

20世纪50年代，美国空军提出使用可重复使用的无人驾驶滑翔机执行侦察、卫星攻击和空对地武器使用等军事行动。在20世纪50年代末，空军开始开发部分可重复使用的X-20 Dyna-Soar。1961年6月，美国空军与美国国家航空航天局合作，开始训练6名飞行员。发展成本的上升和双子计划的优先级导致了Dyna-Soar计划在1963年12月的取消。除了Dyna-Soar，美国空军在1957年还进行了一项研究，以测试可重复使用助推器的可行性。这成为了航空航天飞机的基础，一种完全可重复使用的宇宙飞船，在1962-1963年的最初设计阶段之后从未开发过。

在航天飞机任务小组的报告发布后，许多航天工程师倾向于III级，完全可重复使用的设计，因为可以节省硬件成本。曾参与设计水星太空舱的NASA工程师马克斯·费格特(Max Faget)为一项两级完全可回收系统的设计申请了专利，该系统将一个直翼轨道飞行器安装在一个更大的直翼助推器上。美国空军飞行动力学实验室认为，直翼设计无法承受再入期间的高热应力和空气动力学应力，也无法提供所需的跨程能力。此外，空军需要比Faget的设计更大的有效载荷能力。1971年1月，美国宇航局和空军领导层决定，可重复使用的三角翼轨道飞行器安装在一次性推进剂燃料箱上，将是航天飞机的最佳设计。罗克韦尔建造了主推进测试件(MPTA)-098，这是一个安装在ET上的结构桁架，附加了3台RS-25发动机。它在国家空间技术实验室(NSTL)进行了测试，以确保发动机能够安全地通过发射剖面。

航天飞机是第一个可重复使用的轨道航天器。每个航天飞机轨道飞行器的设计预期寿命是100次发射或10年的操作寿命，尽管这后来被延长了。

轨道飞行器

轨道飞行器具有火箭和飞机的设计元素和能力，允许它垂直发射，然后以滑翔机的形式降落。

航天飞机任务通常带一个便携式通用支持计算机(PGSC)，它可以与轨道飞行器的计算机和通信套件集成，以及监测科学和有效载荷数据。早期的任务带来了Grid Compass，第一批笔记本电脑之一，即PGSC，但后来的任务带来了苹果和英特尔的笔记本电脑。

载荷舱

有效载荷舱包含了轨道飞行器的大部分机身，并为航天飞机的有效载荷提供了载货空间。它长18米(60英尺)，宽4.6米(15英尺)，可容纳直径达4.6米(15英尺)的圆柱形有效载荷。两个有效载荷舱门铰接在舱门的两侧，并提供了一个相对密封的密封，以保护有效载荷在发射和再入期间不受热。有效载荷在有效载荷舱内固定在纵梁上的连接点上。有效载荷舱门还有一个额外的功能，就是为轨道飞行器提供热量的散热器，并且在到达轨道时为散热而打开。

RS-25引擎

RS-25引擎，也被称为航天飞机主引擎(SSME)，以三角形的形式安装在轨道飞行器的后机身上。在上升过程中，发动机喷管可以调节±10.5°俯仰和±8.5°偏航，以改变推力方向来控制航天飞机。钛合金可重复使用的发动机独立于轨道飞行器，并将在飞行之间拆卸和更换。RS-25是一种分级燃烧循环低温发动机，使用液氧和氢气，比以往任何液体火箭都有更高的腔室压力。最初的主燃烧室在226.5 bar (3,285 psi)的最大压力下工作。发动机喷嘴287厘米(113英寸)高，内径229厘米(90.3英寸)。喷嘴由1080条携带液氢的内部管道冷却，并由绝缘和烧蚀材料进行热保护。每个SRB高45米(149.2英尺)，宽3.7米(12.2英尺)，重68000公斤(150000磅)，外部钢结构约13mm。5)厚。SRB的子部件是固体推进剂发动机、头锥和火箭喷管。固体推进剂发动机构成了SRB的大部分结构。它的外壳由11个钢节组成，这11个钢节构成了它的四个主要部分。前锥体装有前分离发动机和回收过程中使用的降落伞系统。火箭喷管可以平衡至8°，以便在飞行中进行调整。航天飞机(SCA)是两架经过改装的波音747飞机，可以携带一个轨道飞行器。最初的SCA (N905NA)在1975年首次飞行，并且在1991年之前的所有任务中用于ALT和将轨道器从爱德华兹空军基地运送到KSC。第二艘SCA (N911NA)在1988年获得，并且第一次用于将“奋进”号从工厂运输到KSC。在航天飞机退役后，N905NA在JSC展出，N911NA在加州棕榈谷的乔戴维斯传统空中公园展出。Crew Transport Vehicle (CTV)是一个经过改装的机场喷气桥，用于协助宇航员在着陆后离开轨道飞行器，在那里他们将接受任务后的医疗检查。发射当天，Astrovan号将宇航员从操作和检验大楼的机组人员舱运送到发射台。NASA铁路由三个火车头组成，将SRB段从Titusville的佛罗里达东海岸铁路运输到KSC。