自從1957年10月4日第一顆人造地球衛(wèi)星斯普特尼克1號(Sputnik 1)進入環(huán)繞地球軌道，人類正式打開了航天時代的大門。當時正處東方陣營和西方陣營激烈對抗的冷戰(zhàn)時代，新興的航天技術被雙方同時賦予極高期望。一方面，航天處在工業(yè)時代技術金字塔的最頂端，它的進步和應用能帶動一系列高新產業(yè)和技術的發(fā)展；另一方面，航天領域的諸多進步，都是整個人類歷史上從0到1的重大突破，自然是全球最吸引眼球的新聞，也無疑是意識形態(tài)斗爭下自身優(yōu)越性的最佳證明。
一、后阿波羅登月時代的轉型
一個說明航天被重視的最直觀數據就是，雙方對航天的財政投入達到了前所未有的巔峰，例如60年代末美國政府聯(lián)邦預算中給予國家航空航天局（NASA）的比例竟然占到了4.5%，這幾乎是如今全美公共教育和交通開支所占的比例，也是如今NASA預算的10倍。當時，蘇聯(lián)和美國競爭的焦點是第一枚火箭，第一顆衛(wèi)星，第一位宇航員，誰搶到了第一誰就是長期的國際新聞頭版。
NASA經費占全美聯(lián)邦預算總比例
自然不出意外，第一位登上月球的人類，成為焦點中的核心。當然，從歷史見證者的角度往回看，我們已經知道在巨量資金和無數人力工業(yè)資源的投入下，NASA在登月競賽中取得了絕對勝利。NASA在十年內共計進行了17次阿波羅任務，在1969年至1972年期間實現(xiàn)了6次載人登月，12位宇航員成為“地月生存人類俱樂部”的成員。
這個代價也是驚人的，保守估計直接換算成今天的美元也超過了2000億美元，足夠把美國海軍現(xiàn)有各航母再重新制造一遍。蘇聯(lián)并沒有明確的公開數據，但可以想象在太空競賽中付出的代價也會同樣巨大。這對于最高時也僅僅達到美國60% GDP總量的蘇聯(lián)經濟而言，太空競賽無疑是一個沉重的負擔。更嚴重的是，蘇聯(lián)的載人登月從未成功，甚至最重要的登月火箭N1都經歷了四次可怕的發(fā)射失敗，它們在爆炸時釋放的巨大能量足以進入人類非核爆破壞力排行榜。最后，信心沒了，偃旗息鼓。
在太空競賽前期各種領先的蘇聯(lián)當然不甘心失敗，必須扳回一局以挽回航天大國顏面。蘇聯(lián)很快掀起了新一波的競爭：空間站建設。長期以來的載人航天實驗、尤其是阿波羅登月的成功，驗證了人類可長時間生存在太空中的可能性。在蘇聯(lián)早期設想中，通過建立長期駐人的空間站，可以實現(xiàn)覆蓋全球的軍事偵察甚至潛在的作戰(zhàn)目的。
蘇聯(lián)在這方便再次打響了第一槍，早在美國還在進行阿波羅登月的1971年，便把極度軍事秘密的禮炮一號(Salyut)送入太空，并在后續(xù)項目中嘗試裝載武器，給美國人造成了不小的震撼，被迫加快了空間站研究的進程。從政治方面，美國尼克松總統(tǒng)在1969年成為聯(lián)邦第37屆總統(tǒng)，也想從空間探索方面改變此前肯尼迪和約翰遜兩位總統(tǒng)的登月計劃，為自己樹立聲望。此外，美國六次登月基本確認月球是個無開發(fā)價值的貧瘠之地，無更多開發(fā)價值，航天開支卻頗為驚人。因而，美國也很快停止阿波羅登月，而轉向空間站載人航天技術的發(fā)展，雙方開始新一輪競爭。
然而，彼時建立空間站有個很大的問題，火箭的成本太高，尤其是美國迅速上馬的的天空實驗室(Skylab)。由于時間緊張，它的研發(fā)時間很短，主要思路是基于現(xiàn)有的航天技術組裝而來。一個典型特點是它基本脫胎換骨于巨大的登月火箭土星五號，自身結構就基本是火箭一級改裝而來，發(fā)射也需要依賴于土星五號，而該火箭的單次發(fā)射費用達到了驚人的12億美元(等價至今)。每次載人發(fā)射，不僅需要消耗掉一個小量級但同樣昂貴的土星1B火箭，還需要消耗掉一個阿波羅登月飛船，即便是財大氣粗的美國也無力以該系列火箭維持空間站的運行。因此，“走了彎路”美國天空實驗室空間站計劃從1973年5月14日發(fā)射，到1974年2月8日第三批宇航員返回地球，輝煌只持續(xù)了約半年時間。
在上述背景下，美國勢必轉型到更加可持續(xù)的載人航天發(fā)展道路上。事實上早在1969年，美國便正式立項了“可回收近地軌道飛行器”項目，其中的飛行器部分便成為了后來大名鼎鼎的航天飛機。
二、航天飛機的超前設計理念
在早期計劃中，NASA提出了一種能空天一體、回收利用的軌道器：它的絕大部分部件可以回收，每年可以重復使用10次、共計10-15年使用壽命，運力覆蓋絕大部分航天發(fā)射需求，可搭載6-7名宇航員進入太空生存兩周左右。關鍵是，預計平均下來每次發(fā)射成本僅為6000萬美元(等價至今)，不僅是土星五號火箭的二十分之一，還大大低于當時任何一個類型的主要火箭，例如宇宙神(Atlas)、德爾塔(Delta)和泰坦(Titan)等主力運載火箭。為了龐大的航天飛機計劃，彼時NASA的五大中心同時參與，后來世界幾大航天制造商也因此獲得了巨大成長(洛克希德·馬丁公司負責外儲箱，波音公司負責軌道器，軌道科學公司負責固體助推器)，美國也有超過1000家公司和100所高校參與了研發(fā)。最終，航天飛機定型于如下結構。
其中，兩個總重1142噸的固體助推器提供了航天飛機起步時的巨大推力，單個助推器達到了驚人的1250噸推力，至今依舊保持單個發(fā)動機最大推力的世界記錄。巨大的外儲箱為軌道器的三個液氧液氫發(fā)動機供應推進劑。由于液氫密度很低，對推進劑箱體積要求極大，這個外儲箱直徑8.4米，長達46.9米，相當于一棟15層的高樓，共計能裝載756噸推進劑。而對應的軌道器液氧液氫發(fā)動機推力也達到了土星五號火箭同級別發(fā)動機的1.7倍。在軌道器上，還有兩個軌道轉移發(fā)動機系統(tǒng)，在軌道器離開大氣層后使用，這意味著航天飛機能在太空中頻繁機動進入不同軌道。配合巨大的機械臂系統(tǒng)，也能夠進行復雜的太空維修等出艙作業(yè)活動。
通過大推力固體助推和高比沖液氧液氫主發(fā)動機的組合，航天飛機可謂將人類化學推進劑火箭利用到了極致。它們的組合也達到了3000噸的推力級別，可以推動著軌道器(約68噸)和有效載荷(約25噸)進入近地軌道。由于航天飛機軌道器的體積很大，它相比其他火箭可以實現(xiàn)超大尺寸衛(wèi)星的發(fā)射。比如著名的哈勃望遠鏡13.2米長、最大4.2米直徑，由航天飛機發(fā)恰到好處。
在實際使用情況中，整個航天飛機系統(tǒng)只有外儲箱無法回收，因其是在航天飛機飛出大氣層后才被拋棄，幾乎不存在回收可能性。而剩余兩個重要部分，固體助推器和軌道器都可以回收。軌道器設計為100-150次重復使用，固體助推器為部分組件回收利用。事實上，直到2011年航天飛機最后一次任務(第135次)執(zhí)行時，其使用的助推器上依然有第一次任務時(1981年)回收的零部件。不同于商業(yè)航天公司SpaceX的第一級火箭垂直回收技術，航天飛機的兩個固體助推器會在發(fā)射127秒后與軌道器脫離，飛行一定時間后打開降落傘，然后落到大西洋(航天飛機都在佛羅里達的卡納爾維拉爾角發(fā)射)。由于火箭發(fā)動機在底部較重且助推器中空密封，火箭便會漂浮在海面，等待救援船直接拖回基地修理回收。
而軌道器則可以像飛機一樣正常在機場降落，然后由一架改裝過的波音747飛機“背”到維修基地。但在返回地球的過程中，由于與空氣的超高速度摩擦(返回時速度超過7000m/s)，類似飛機的氣動外形將會在飛機表面產生超過1500℃的高溫。因此，軌道器的隔熱保護成了最核心的內容之一。NASA為之設計了十幾種超級隔熱材料，本著效率最高/質量最低的原則，航天飛機的不同部分覆蓋了不同顏色和性能的隔熱材料。其中頭部用了最重最好的灰黑色隔熱瓦，能夠耐受最高達1650℃的高溫；頂部、機翼前部和腹部使用了黑色的可耐受至1260℃的隔熱瓦；頭部和翼中使用了灰色隔熱毯(耐受至650℃)；而其他部分則使用了普通的白色隔熱毯，只能耐受370℃但已經足夠了。這也解釋了為什么航天飛機軌道器看起來黑白相間的外貌，事實上都是隔熱材料的顏色。
三、航天飛機的輝煌時代
提起航天飛機，就不得不提到大名鼎鼎的哈勃太空望遠鏡，這一個例子足以說明航天飛機的巨大價值。它是一個主鏡片直徑達到2.4米，擁有廣域和行星照相機、高解析度攝譜儀、高速光度計、暗天體照相機和暗天體攝譜儀等核心儀器的龐然大物。它長13.2米、直徑4.2米、總重11.1噸，運轉在傾角為28.5度近地軌道，甚至比曾經中國天宮一號/二號實驗室（8噸級）都要大上一圈。這個龐然大物，必須依賴航天飛機才能發(fā)射。事后也證明，在太空中出了問題的它，也只有航天飛機能夠拯救。
1990年4月24日，發(fā)現(xiàn)號航天飛機攜帶哈勃太空望遠鏡順利升空。然而，科學家們很快發(fā)現(xiàn)，需要觀測深空天體的哈勃竟然“近視”了，這將導致它的觀測質量大大低于預期。問題出在了珀金帕爾默生產的巨大主鏡片上，鏡片被磨得太平，以至于鏡片邊緣差出了2.2微米。雖然這僅是鏡片直徑的百萬分之一級別，但對于需要觀測動輒數億光年外天體的哈勃而言，完全無法接受。但此時怨天尤人為時已晚，望遠鏡已經在太空中順利運行，無論如何都無法通過地面后處理去校正光學系統(tǒng)導致的根本錯誤。
重新發(fā)射一個昂貴的望遠鏡不太可能，運會地球重新維修也不現(xiàn)實（太陽能帆板等已經打開并固定），那么解決方案就在于如何利用航天飛機進行維修。事實上，這完美展現(xiàn)了航天飛機的一個重大優(yōu)勢。它體型巨大、配備有強大的機械臂和維修系統(tǒng)、變軌能力極強，甚至宇航員也攜帶有可自由移動的推進單元。航天飛機是唯一有能力進行大規(guī)模太空維修的航天器，甚至對于無法在太空中解決的問題，它可以將其捕獲并抓取到自身機艙內，帶回地球維修并擇期再次發(fā)射。
經過長期培訓，1993年12月2日，7名“哈勃維修專家”乘坐奮進號航天飛機順利出發(fā)。隨后，航天飛機成功靠近并抓住了哈勃望遠鏡。在太空中交會對接從來不是件容易的事情，每個航天器運動速度都在7500米/秒以上，相當于高速公路上一輛小汽車運動速度（120千米/時）的200多倍，要實現(xiàn)“失之毫厘謬以千里”的準確對接難度可想而知。這次航天飛機維修任務從發(fā)射到返回共計持續(xù)了12天時間，期間進行了共計10人次太空行走作業(yè)，每個人行走時間也在6-8小時不等，這在此前的航天飛機任務中前所未有。
最后，這7位宇航員成功完成了既定目標，對哈勃太空望遠鏡進行了一次大改造更新，讓它實現(xiàn)“重生”。為克服空氣阻力導致的軌道下降，航天飛機返回前又利用自己強大的推進能力把望遠鏡軌道推高了一些。第一次維修的巨大成功極大鼓舞了NASA和天文學家們。科學應用的需求是永無止境的，既然有了在軌維修和提升的可能性，科學家們也在尋找著更多機會對哈勃太空望遠鏡進行下一次升級。與此同時，NASA也看到了哈勃太空望遠鏡產生的巨大科研產出和遠超預期的公眾影響力，盡一切可能幫助科學家們維護哈勃。在隨后數年內，又有四次航天飛機任務抵達哈勃太空望遠鏡，其中的大部分儀器都徹底更新替換，航天飛機已經把哈勃轉變成“親媽都不認識”的地步了。
為哈勃太空望遠鏡，NASA總共進行了六次航天飛機任務?？梢悦黠@看出在第四次維修（總第五次）任務更換太陽能帆板后，軌道下降速度減慢很多
哈勃太空望遠鏡的例子只是縮影。在135次任務中，航天飛機展現(xiàn)了它多功能的一面。既能釋放大型航天器，又能進行在軌維修，還能裝回艙內帶回地球；既能釋放人造地球衛(wèi)星，又能釋放巨大的木星探測器；既能進行絕密的軍用任務，又能進行吸睛的科普教育。在國際空間站建設階段，航天飛機也是必不可少的工具，因為只有它能運輸并在太空組裝巨大且沒有機動能力的桁架結構。在航天飛機退役后，人類已經沒有辦法建設國際空間站這種大型桁架模塊化的空間站了。最后，航天飛機在軌時，自身也是能搭載6-7位宇航員的空間站，對于各種科學研究、尤其是針對人類的太空醫(yī)學研究，具有巨大的價值。
不包括實驗用樣機，實際應用的航天飛機總共造出了五架：哥倫比亞號(Columbia，1981-2003)，挑戰(zhàn)者號(Challenger，1983-1986)，發(fā)現(xiàn)號(Discovery，1984-2011)，亞特蘭蒂斯號(Atlantis，1985-2011)和奮進號(Endeavour，1992-2011)。它們完成了135次載人航天任務，從和平號空間站時代跨越到國際空間站時代，人類航天史上了不起的成就。
四、航天飛機的遺憾謝幕
然而，前后四十年歷史的航天飛機還是遺憾謝幕了，最核心的原因還是自身，因為它的重復使用價格遠遠高于預期。例如，它的軌道器（形似飛機的主體部分）由超過250萬個零件、370公里長電纜和27000多塊隔熱瓦構成，是世界上最復雜的單個運載器。尤其是隔熱瓦必須由純人工替換，兩個軌道轉移發(fā)動機的維修難度超出計劃，主發(fā)動機也需要大修。這使得航天飛機單次發(fā)射成本達到了至少4.5億美元之巨，全項目平均下來每次發(fā)射價格達到了驚人的15億美元，與昂貴的土星五號火箭竟然同一級別，遠遠超過預期的6000萬美元。
兩次恐怖的災難更是直接葬送了航天飛機。1986年1月28日，挑戰(zhàn)者號因為發(fā)射時固體助推器O型環(huán)失效爆炸；2003年2月1日，哥倫比亞號在發(fā)射時被外儲箱絕熱材料擊破的機翼沒能幸存過返回大氣的過程，最終解體。這兩次事故也并列為人類歷史上最多犧牲的航天事故(各有7名宇航員犧牲)，影響極為惡劣。且每次事故造成了航天飛機發(fā)射計劃的數年中止，造成的整個項目成本開支飆升。
而于此同時，美國一向奉行不能一家獨大的原則，在航天飛機項目火熱進行的同時另外幾個系列火箭也在同步進行，NASA也保證了它們的發(fā)射頻率。航天飛機有效載荷為25噸，其他火箭也能達到這個級別運力，構成了航天飛機發(fā)射任務的分流，使得航天飛機使用頻率大大降低，單次成本便大大上升。蘇聯(lián)解體后，美國對軍用載荷和大尺寸航天器的需求也大幅降低，這個航天飛機應用的主場地在快速流失。尤其是隨著人類太空探索進入商業(yè)航天時代，SpaceX等一系列優(yōu)秀公司崛起，他們以更高的效率和更好的性價比提出了各種近地空間開發(fā)運載解決方案，都在迅速推動著航天飛機退出歷史舞臺。
2011年7月21日，隨著亞特蘭蒂斯號執(zhí)行完航天飛機的第135次任務順利降落，持續(xù)達40年之久的航天飛機項目正式宣告落幕。
然而，比起美國的航天飛機計劃，更為遺憾的是蘇聯(lián)的航天飛機計劃。登月競賽的落敗讓蘇聯(lián)心有不甘，而后來美國更是在可重復利用運載器(航天飛機)研究方便取得領先優(yōu)勢，導致蘇聯(lián)決策當局在經濟已經困難的情況下也立即上馬了本國的航天飛機計劃，大名鼎鼎的暴風雪號(Buran)也成為了這個項目最終的遺腹子。
二者外觀類似，但實際原理卻有很大不同。美國的航天飛機主要動力由軌道器的三個液氧液氫發(fā)動機提供，兩個可回收的助推器提供前期突破稠密大氣的巨大推力。而蘇聯(lián)的航天飛機則完全依托于為此項目新設計的能源火箭，相當于火箭把航天飛機送入太空(火箭無法回收)，而航天飛機本身只有較小的推力，只能用作軌道機動。在返回地球后，采取類似美國航天飛機的方式，由大型運輸機將軌道器運送到指定維修地點。在這種設計理念的影響下，由于主發(fā)動機不在軌道器上，蘇聯(lián)航天飛機的復雜程度較低、可靠性增加、運力更強、能夠實現(xiàn)無人自動駕駛，在應用潛力上絲毫不亞于美國航天飛機。為了在這次競爭中取得優(yōu)勢，蘇聯(lián)可謂下了血本。
蘇聯(lián)著名的安東諾夫飛機設計局為之設計了迄今為止世界上載重量最大的運輸機，安-225，起飛重量達到了驚人的600噸。而搭載航天飛機的能源號(Energia)也是蘇聯(lián)有史以來最大的火箭，總重達到了2400噸，僅次于美國的土星五號，甚至在推力上超過了土星五號，目前依舊保持世界最高火箭推力的記錄。
非常遺憾，在1988年11月15日經過了唯一一次測試后，蘇聯(lián)的政治、經濟、國際形勢環(huán)境發(fā)生巨變，一個巨人轟然坍塌。彼時前途滿滿的航天飛機項目也被迫即刻下馬，安-225飛機僅僅造出了一架，能源號火箭也僅僅飛行過兩次，真正測試過的航天飛機也僅有暴風雪號一架(有數架原型機)，它們全部被雪藏起來。后人習慣了用蘇聯(lián)唯一一架航天飛機暴風雪號來命名整個航天計劃，是個不大不小的遺憾。
而更可惜的是，蘇聯(lián)解體后的2002年，存放暴風雪號的機庫被大雪壓垮，暴風雪號被砸毀，暴風雪號被暴風雪摧毀了。僅存的安225運輸機，也在2022年初的俄羅斯與烏克蘭沖突中，中了火炮徹底被毀了。人類的航天飛機時代，就這樣結束了。
五、后航天飛機時代
航天飛機消失了，但它背后的各種核心技術卻依然存在。由于后發(fā)技術的進步，航天飛機相關的技術發(fā)展正以脫胎換骨的面貌重新出現(xiàn)在人類航天歷史中。
一個典型的例子是新一代太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS），它的目標是復現(xiàn)土星五號的能力，已實現(xiàn)NASA重返月球的目標。它預計采取模塊化方式設計多個適配型號，既能用于載人航天、又有純貨運版本，近地軌道運力從95噸到130噸不等，最大能力可發(fā)射超過45噸載荷進入地月轉移軌道，和曾經的土星五號登月火箭是同一級別。不過乍一看，SLS幾乎就是航天飛機的“火箭版本”。
SLS和航天飛機有著明顯的代際傳承（圖源：NASA）
它的主要技術承包方還是原來的航天飛機隊伍。從最核心的組成部分來看，主要推力來自兩個固體助推器，它們就是原來航天飛機助推器的升級版。單臺推力達1600噸，自重僅725噸，126秒就全部工作完畢。也就是說這一個助推器就可以把我國最重的長征五號火箭（起飛重量最大約870噸）推起來，真正的暴力怪獸。它的芯一級也主要是結合了航天飛機的核心發(fā)動機RS-25D和一樣就能看出傳承歷史的“大橙罐”液氧液氫推進劑貯箱。配合不同版本的上面級和逃逸塔等，火箭也因而形成了不同的版本，適用于不同發(fā)射任務類型。預計2022年8月底，SLS將迎來首次發(fā)射。
航天飛機本身的設計理念也在小型化和更加實用化。例如，航天飛機的主承包方之一波音從1999年起一直在為美國軍方研發(fā)空天往返多用途復用飛行器X-37B，它的軌道測試飛行器OTV（Orbital Test Vehicle）也經常被叫做“無人空天戰(zhàn)機”，單次太空飛行可長達兩年之久。它個頭雖小，卻擁有復雜的變軌能力，配合多功能機械臂能進行多種在軌服務作業(yè)，最終能獨立返回地球。
航天飛機的技術遺存也在往商業(yè)航天領域擴散。SpaceX賴以成名的一級火箭回收設計理念，很大程度就源于航天飛機時代對回收復用能力的極致追求。在最新的產品設計中，SpaceX的星艦需要實現(xiàn)獨立返回大氣過程，它也因而需要在航天飛機隔熱瓦基礎上進一步研發(fā)隔熱材料。而更直接的例子則是商業(yè)航天公司內華達山脈集團的追夢人（Dream Chaser），它已經獲得了NASA的空間站貨運合同且進行了多次飛行測試。如果一眼看去，甚至會直接認為這就是一架微縮版航天飛機。實際上，它的設計理念，也的確大量參考了航天飛機曾經的技術。這種技術傳承案例，在很多如今的NASA相關供應商中，都能找到縮影。
從軟實力方面，航天飛機的影響力甚至遠未消失。航天飛機項目先后持續(xù)近40年，NASA里五大中心（約翰遜、馬歇爾、戈達德、肯尼迪和斯坦尼斯）全程主要負責，帶來了大量經費和科研產出，也奠定了這五個中心的強大實力基礎。航天飛機的制造商，洛克希德·馬丁，波音，軌道科學（現(xiàn)已并入諾斯羅普·格魯曼公司）也奠定了世界前三大防務/航空/航天公司的業(yè)界地位，它們曾經在航天飛機項目上賺的盆滿缽滿，期間大量并購整合其他防務公司成為巨無霸。
航天飛機項目期間正是半導體、集成電路、計算機、微電子等關鍵行業(yè)的起步階段。由于航天飛機的設計理念和減重增效要求，航天飛機大量采用了這些嶄新的技術，尤其是為了特殊應用要求這些行業(yè)公司定制所需的產品，為這些行業(yè)提供了巨大的訂單，也直接促進了后來它們在業(yè)內的全球領先地位。而航天飛機的直接研發(fā)過程和與它在軌實驗帶來的科學研究內容，也為美國的科研院所提供了大量課題，在此過程培養(yǎng)的人才和積累的技術，對于任何一個國家而言，都是足以改變國運的寶貴財富。
總而言之，航天飛機的出現(xiàn)，擁有特定的時代背景。它的研發(fā)過程，實現(xiàn)了航天史上很多經典的創(chuàng)新理念。在任務周期內，航天飛機也的確符合預期，執(zhí)行過一系列復雜且獨一無二的任務，造就了很多航天史上的輝煌。然而，它的設計也許太過超前于時代，導致成本過高，最終沒有競爭過同時代的火箭，兩次慘痛的事故更是讓它直接陷入絕境。隨著人類航天進入新階段，航天飛機和它相關的技術，正在逐步“解體”并融入新的技術中。這些新的技術，有的不僅在改變航天史，也在逐漸改變人類的生活方式，歷久彌新。
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