2011年8月，美国航天飞机“亚特兰蒂斯”号在完成其最后一次飞行后，也落下了航天飞机时代的帷幕。遥想上世纪80年代，那时不论《少年科学画报》还是中央电视台的少年和科技节目，航天飞机都是人类科技的象征之一。一转眼，航天飞机已经完成了其历史使命，未来将在博物馆里享受人们的缅怀。当然，有关航天飞机的争议也一直存在，很多人因为其两次重大事故以及高昂的发射费用而将其称为失败的航天计划。本文就来回溯航天飞机的发展史，介绍一下这种伟大航天器的来龙去脉，并分析一下后航天飞机时代人类载人航天的去向。
超越时代的科技奇迹
航天飞机的出现，从某种角度看有些突兀，它研发于20世纪70年代，而首次太空之旅是在1981年，此时距离人类首次飞上太空仅仅过去了20年，很多国家才刚刚能够用简单的火箭发射轻小的卫星，人们对于火箭尚且还在熟悉阶段。忽然之间，就有这样一个带着机翼、喷吐着火柱飞上天际，滑翔穿越大气层返回地球的多功能航天载具，带着人类往返于地球和近地空间，怎能不让人赞叹?因此从它服役开始，人们就一直将关注的目光投向它，它的成功和失败都牵动整个世界的神经。
我们先看航天飞机的设计理念，现在大家都知道，航天飞机的一大目标是节省太空科研活动的成本，但同时我们也知道，它并没有达到原定的目标。但是当我们讨论这个目标的时候切不可忘记，研制航天飞机是在20世纪70年代，而其构想甚至是早在60年代，当时人类手中可用的航天运载工具并不多，美国有用于载人发射的“土星”1B和“土星”5(“阿波罗”计划结束后就因为成本过高废弃)，以及用于货运的“大力神”、“宇宙神”和“德尔塔”等，苏联则主要是“联盟”飞船和“质子”火箭等，欧洲和中国当时尚在摸索中。在当时的条件下，火箭的研制和发射成本都很高，尤其是发射大载荷的重型火箭，非常昂贵。在那种情况下，美国航空航天局在完成了载人登月的政治任务后，面临着经费缩减和寻找新的航天发展方向的问题，于是着重考虑航天活动的可持续性，其最关键的一个因素就是航天发射的费用，只要航天发射的费用降低了，那自然就可以大大提高航天发射的频度，从而带来长远的竞争优势。
而同时，那时美苏冷战还在进行中，苏联虽然输掉了登月竞赛，但实力犹存，而且其航天活动完全是围绕着军用目的进行。在即将到来的80年代，美苏必将在太空展开激烈的竞争。那么不管是为了抢夺航天科技制高点，还是为了满足军事和民用航天的发射需要，以及完成各种复杂的近地轨道航天活动，都需要一种多功能的航天工具。也正因为这样，航天飞机从其开始设计，就成为了美国三大部门都要插手的项目，这三个部门分别是NASA(美国国家航空航天局)、美国空军和美国国家侦察办公室。NASA很好理解，它在1958年之后统管了美国的航天活动，但是在“阿波罗”计划完成后美国的航天经费大量削减，在这样的情况下，NASA独自已经无法完成航天飞机计划，为此不得不找到了美国空军，但如此一来，军方的要求就不能不加以考虑了。原先NASA只是想设计一种廉价航天发射工具，我们现在所看到的很多关于降低成本的豪言壮语，其实都是出自计划构思初期。但是到70年代中期，项目逐步推进过程中，航天飞机的设计已经在不断为了照顾不同客户的需求而发生变化了。为了能够发射军方的重型侦察卫星或别的秘密军事载荷，就必须有一个巨大的货舱；而为了能满足某些军用卫星独特的轨道倾角要求，航天飞机就必须满足在变轨方面的较高要求等，一来二去。最后形成的就是我们现在所看到的这个双三角翼大货舱的样子。其能力越来越强成本也越来越高，已经逐步脱离了原先的主要为了降低成本的目标。那么航天飞机的设计究竟是如何成型的呢?
航天飞机的三大件
要想明白美国航天飞机的设计概念，我们可以看下页的图，在图中可以看到，航天飞机是一部拥有完整动力系统的“飞机”，它有3部200吨推力、可重复使用液氢液氧SSME发动机，动力强大，有着符合高超音速飞行要求的气动外形。但是它有一个缺点，那就是自身没有燃料箱，因此要挂上一个装满液氢液氧、重达700多吨的“副油箱”。于是新的问题又来了，那就是航天飞机的3台发动机推不动这个燃料储箱加上飞机机身的总重量，于是就加上两个可以重复使用的固体燃料助推火箭，从而构成了这样一个发射系统。这三者任何一个都不能孤立存在，因此美国航天飞机是一种三位一体的发射工具。这和苏联“暴风雪”航天飞机的设计概念是完全不同的，“暴风雪”自身没有主发动机，它和卫星一样只是一个被发射的载荷，它想上天需要借助威力强大的“能源”号巨型运载火箭。
接着我们就这3个部分分开来简单谈一下，先看航天飞机本身，它呈现的是一种飞机形状，之所以做成这个样子，自然是为了返回地球时在大气层内做滑翔飞行。航天飞机在返回地面时的程序是这样：在距离降落点还有半圈的时候，先将航天飞机的尾部朝前，打开OMS(轨道机动系统)火箭发动机，减慢速度，从而由原先的圆形轨道进入一个椭圆轨道，并冲入大气层，此时航天飞机将方向转为头部和底部朝向前方，依靠这两个部位的隔热瓦来抵抗超高速下空气摩擦产生的热量。在距离着陆点16分钟的时候，航天飞机开始连续做4个S型机动，逐步减速的同时对准跑道准备降落。从这个过程中我们可以看到，航天飞机从20余倍音速的轨道飞行，到最终降落在地面，有很长一段时间都是在大气层内做超高速滑翔，因此必然牵涉到高超音速的气动设计，而在当时，世界上只有美国在这方面有足够的技术储备，典型的如上世纪60年代研发的X-15验证机。
再看助推火箭，航天飞机的机体部分就重达80多吨，燃料储箱则更是达到几百吨。NASA原本是打算全新设计一款液体燃料的助推火箭，但是由于经费不允许，因此改为采用了技术更成熟的固体燃料助推火箭。我们知道，固体燃料的优点是不需要发射前临时加注，可以长期保存，同时可靠性高、反应迅速，而缺点则是动能效率低，液体火箭则相反。因此一般而言都是固体用于军用，而液体则用于民用。当然，苏联由于固体火箭技术发展长期存在问题，在洲际导弹主要采用了可储存液体燃料技术。
不过虽然没有用上液体火箭，但美国的固体火箭技术非常成熟，可靠性非常高，只要推力够大，就一样能完成任务。于是NASA为航天飞机设计了世界上推力最大的固体火箭SBR，推力达到了1200吨，而且可以通过重复使用(使用寿命为20次)降低成本。
最后是液体燃料外储箱，它可能算是整个系统里相对简单的组
成部分了，因为它也是三大件里唯一在发射时丢弃而不重复使用的部分。不过其技术含量也不低，美国在新世纪的“战神火箭”计划里就打算沿用这种燃料储箱的技术。这3个组成部分里，固体助推火箭出过一次问题，造成了1986年的“挑战者”号航天飞机的爆炸，当时因为是在严寒的1月28日实施发射，固体火箭两级发动机之前的密封垫圈因为低温而失效，泄露的火焰引燃了液体燃料外储箱。而外储箱引发的问题则造成了2001年“哥伦比亚”号航天飞机返回时的失事，这架航天飞机的发射也是在严寒的1月16日，外储箱因为要在发射前加注低温的液氢液氧，因此在外面有保温的泡沫材料。发射时，有一块脱落的泡沫击中了航天飞机机翼，破坏了其外部的隔热层，造成其2月1日返回时高温侵入机翼结构导致飞机解体。
航天飞机的是与非
航天飞机作为一种航天发射工具，至今已经走过了整整30年的时间，而它在2011年的最终退役在美国国内又引来了一轮新的争论，有不少人认为航天飞机就是战略失误，因为它没有后继者，而且从现在开始有好几年的时间里美国不再有载人航天工具，要上国际空间站不得不租用俄国的“联盟”飞船。
但首先我们要看到，航天飞机不单只是一种发射工具，一般的火箭只干一件事，那就是将载荷送入轨道。而航天飞机则是一种多面手，几乎囊括了我们所知的任何一种航天活动，我们先来盘点一下航天飞机在服役期内都充当了哪些角色：
大型火箭：航天飞机是一种航天发射载具，自然主要任务之一就是发射各种航天器，尤其是一些大型的，不规则的货物，比如美国空军或国家侦察办公室的大型秘密卫星，从1982年到1992年，航天飞机的秘密军事发射任务就有11次，发射过KH-11成像侦察卫星、“马格南姆”电子信号侦察卫星、“长曲棍球”合成孔径雷达侦察卫星、DSP导弹预警卫星等高价值军事载荷，此外也发射一些民用载荷，不过随着“阿丽亚娜”等商用火箭的成熟，航天飞机在这方面的竞争力就不足了。
载人飞船：航天飞机可以一次搭载7名宇航员，其中指令长和副驾驶各一人，是专门负责太空飞行的，而其余5人可以专心负责自己的专业技术事务。同时还有一点至关重要，以前的飞船，不管是美国的“阿波罗”飞船还是苏联的“联盟”飞船，其落地回收时都要承受很高的过载，对宇航员的体质和训练都有很高的要求，因此早期飞行员多是从空军优秀飞行员里选拔。而航天飞机采取水平滑翔着陆的模式，过载值大大降低，从而可以携带很多精于本专业但并不太适合原有航天模式的人才上天。因此从加加林开始到现在，全世界有大约1200多人次到过太空，这其中有接近900人次是用航天飞机运送的，也就是说用航天飞机运送过的航天员数量，是其他所有宇宙飞船载人数量总和的2倍。
太空实验室：航天飞机和空间站一样可以作为太空实验的平台，因为有长18米、直径4.6米的大货舱，航天飞机可以携带标准的货物托盘和实验舱室，每次飞行携带不同的试验仪器，从而具有比空间站更为灵活的试验能力，当然，缺点是不能像空间站那样进行长时间的真空和失重环境的试验。
太空维修站：航天飞机可能最被人所记住的任务之一就是维修“哈勃”太空望远镜了，正是因为有航天飞机每隔几年一次的维修和更换零部件，这个价值几十亿美元的太空观测平台才可以一直服役而且能力不断精进，获取了价值不可估量的太空观测成果。当然，航天飞机不止维修“哈勃”，很多卫星都可以在轨维修，如1984年，“挑战者”号航天飞机曾升空捕捉了美国航宇局的“太阳峰年”卫星，并在修理后重新将其部署到轨道上。
太空捕手：航天飞机有机械臂和大货舱，不止可以发射卫星，还可以捕获与回收卫星，当然，和平时期回收自己的卫星是商业行为，到了战时抓捕敌人的卫星就是军事行为了。这一功能凸显了航天飞机的军民两用的特性。1984年，航天飞机回收了“统一”和“西联星”两颗通信卫星并将其带回地面。这两颗卫星经改造后都重新回到了太空，其中的“西联星”就是后来由中国“长征三号”火箭发射的“亚星一号”。
多任务平台：航天飞机有驾驶员、专业技术人员、货舱和机械臂，可以执行大量临时性的、有针对性的太空任务，比较典型的如2000年美国“奋进”号航天飞机叫做“航天飞机雷达地形测绘使命(简称SRTM)”的空间飞行任务，“奋进”号航天飞机进入太空后展开一个长60米的可伸缩天线杆，并在天线杆的两端分别设置天线，形成了一个干涉测量系统，从而在全球首次实现了单轨通过干涉测量，共对地球表面进行了200多小时的数据采集工作，获取了全球80％以上的陆地表面基础数据，这些原始数据经过处理后绘制成高精度的全球三维地形图，其精度超过美军原有地图的30倍。在随后不久爆发的阿富汗和伊拉克的反恐战争中，这次获取的数据大显神威，在军事指挥、战场管理及各种武器制导等方面发挥了极大的作用。
太空建设者：最典型的是主导建设了国际空间站，比如现在我们熟知的由美国主导建设的国际空间站ISS，采用的是桁架式结构，也就是说以一根主桁架为基础结构，支撑起一个足够大的太阳能电池板，彻底解决空间站的能源问题，同时各服务舱、实验舱等的布置和组合更加舒展，扩展性和舒适性都有很大提高。但这种空间站所需要的主桁架及能源系统多是一些不规则无动力的结构件，因此就需要航天飞机分部件携带上天并以机械臂和宇航员配合将它们组装起来。因此国际空间站的建设非常依赖航天飞机，当2003年“哥伦比亚”号航天飞机失事后，国际空间站的建设停滞了好长时间。而现在航天飞机之所以退役，也是因为国际空间站的建设告一段落，此后只需要由飞船进行人员的更替和物资的补给就可以了。
人类航天科技的旗帜：很难想象有什么其它的航天工具可以作为上世纪八九十年代人类航天的代言人，“阿波罗”计划让人们见识了什么是巨型火箭和宇宙飞船，之后一般的火箭发射根本不能引起人们的兴趣，空间站发射上天后就只是航天部门的任务，老百姓几乎不会有机会亲眼目睹。而航天飞机发射时雷霆万钧的气势，其造型的前卫，滑翔着陆的优雅，都是普通老百姓也可以围观的，其层出不穷的航天“花样”也不断地刺激着人类对于航天科技的关注和兴趣。因此可以说，航天飞机在几十年的时间里一直是航天科技的形象大使。每年都有来自世界各地数不清的观众要在佛罗里达州的卡纳维拉尔角欣赏航天飞机的发射，2005年航天飞机复飞的那次就给佛州带来了近十亿美元的旅游收入。可以说，航天飞机在振奋美国民族士气，带动民众支持和关注航天科技这方面来说，有着其它航天工具所不可比拟的作用。
说到这里有人可能会问，既然航天飞机有这么多的功能，为何现在却退出现役并且没有后继平台接班?这也是多种因素的共同结果。首先前面提到了，航天飞机诞生于冷战的高潮时期，其发展不可避免地要兼顾大量的军事需求。上世纪80年代，苏联仍然保持着其国力军力的发展势头，随着美国以星球大战计划开始和苏联全面展开高边疆的对抗，航天任务将又多又重，航天飞机的优势将被淋漓尽致地展现。正因为如此，苏联在80年代搜集了美国航天飞机使用的各种正面和负面信息后，仍坚定地开展着自己的航天飞机计划，并在解体前进行了第一次试飞。但人算不如天算，苏联的扩张势头到80年代初期事实上已经停滞，到后半期开始迅速下滑，已经无力在太空军事化和近地轨道工业化上与美国展开全面竞争，相应地，美国这方面的需求也开始下降。到1991年苏联最终解体，美国军方随即在1992年彻底终止了航天飞机的军事任务。而继承苏联衣钵的俄罗斯也立即废止了自己的航天飞机和能源巨型火箭的计划。
其次，通过航天飞机降低航天发射成本的目的没有达到。这其中部分原因是其人货混装的模式造成的，单纯的货运航天发射不需要那么高的安全系数，如果某次飞行任务主要只是运输，那么就相当于付出了一些不必要的成本，而如果只是运送宇航员执行某些太空作业任务而货舱是空着，自然也是浪费。不过这些问题在预想的美苏航天竞争中并不存在，因为会有数不清的货物发射和航天员在轨任务等着完成，只要任务排得饱满，单位成本自然就会非常具有优势。后来随着国际局势的变化、“挑战者”号的事故，以及其它运载火箭成本的持续降低，使得航天飞机的发射频率大大少于预期，单位成本也相应提高。
当然，如果单纯就经济性而言，假如让美国以各种各样的火箭、飞船、空间站、在轨作业系统等去完成航天飞机这30年里所完成的大部分任务，成本甚至可能更高，而在技术灵活性和宣传性上则肯定不如航天飞机。不过毕竟“便宜”这个重要的卖点没了，那么当其在其它方面的必要性被削弱或替代后，共退役就成为可能。
第三，进入90年代以后，人类的半导体、信息、人工智能、传感器等新技术领域突飞猛进，各种无人机器人等不断涌现，在轨太空活动已经越来越可以依靠各种无人平台来进行。而美国一直以来大力发展的对卫星在轨监视、维修、加注燃料的无人太空作业系统也逐渐侵蚀掉了航天飞机的传统任务领地。
第四，现有的航天飞机机队已经老化，从技术上说，航天飞机是70年代设计的，至今已经近40年，其零部件和子系统早已过时，有些恐怕连生产厂家都已经不在了，就算想重开生产线都不太可能。而如果以新技术重新设计，那无异于一个全新的计划，成本将是现在低迷的太空经费预算所无法承担的。当然，原先航天飞机的两个重要任务：组装国际空间站和维修“哈勃”太空望远镜都相继结束也是个关键的原因，近期内不会再有这些复杂的在轨任务，航天飞机存在的必要性就大大降低了，而其成本则越来越显眼。
另外，其实还有一个重要的原因，那就是接下来我们要谈到的后航天飞机时代载人航天面临的重要问题：载人航天本身的意义正在减弱，正进入一个目标不定的彷徨期。
后航天飞机时代的世界载人航天格局和走向
很多人注意到，美国在其未来的航天计划中，并没有研制新一代航天飞机或者空天飞机，而是选择了暂时的沉寂，这究竟为何?我们知道，在刚进入21世纪时，小布什政府确定了重返月球作为美国航天进入新世纪头20年的主要工作，就是所谓的“星座计划”。除了全新研制的“猎户座”载人飞船外，该计划最引人注目的就是两款新型火箭，一种是“战神”5巨型运载火箭，用于将新型的登月舱送上轨道，一种是“战神”1火箭，用于将代号“猎户座”的新宇宙飞船送上轨道，载人飞船和登月舱在轨道对接后一起飞向月球，这个载人登月系统的规模比当年的“阿波罗”飞船要大很多，支持能力足够航天员在月球上进行长时间的考察和生活。
可是正当“战神”计划按部就班地进行，新型火箭已经开始点火测试时，随着小布什政府的下台，新上任的奥巴马政府中止了这一计划，美国的载人航天再次转向，开始为更远期的登陆小行星或火星做准备，这个“或”字本身就表明了美国未来的载人航天充满了不确定因素。这实质上反映了一个问题，那就是人类的载人航天事业已经进入了一个缺乏目标的时期。迄今为止，美国已经尝试了几乎所有种类的载人航天，下一步选择必须能像之前的“阿波罗”计划或者航天飞机计划那样具有开拓性，从而带动整个航天科技乃至整个美国高科技的进展，同时还要具有足够的难度和先进性，从而保持美国对其他国家的技术和心理优势。某媒体的一句调侃其实很能说明问题：“当私人都可以做太空旅游的时候，NASA你总得做点有难度的事情吧”。
由此也可以看出，那些总觉得美国现在依靠俄罗斯的“联盟”飞船去空间站就说明美国载人航天战略失误的人，对局势的判断偏差是多么大。国际空间站是由美国牵头，集合了世界上绝大部分从事载人航天研究的国家进行的民用航天项目，俄罗斯也是依托这个项目在自己最困难的时候保持了航天科研和人才队伍的延续性，在这个项目上，美俄以及其他国家是互利互惠的关系，没有人会以此作为刁难的手段。之前美国在“阿波罗”计划结束，航天飞机启用前，就曾有过好几年的载人航天空档期，俄罗斯在“联盟”号飞船投入使用前也一样停了几年。载人航天不像军用卫星网或者民用通信卫星，有一个缺口就会产生很大的损失，一个计划结束后停几年准备下一个计划并不罕见。
那么接下来美国及世界航天会向何处去呢?首先可以认为，人类的航天已经从充满浪漫主义色彩的探索阶段，进入了一个十分注重实际效益的现实主义阶段。人类未来航天活动的重点将是各种军用和民用卫星以及在轨任务平台的开发和建设。近地轨道上必须由人类亲自完成的任务越来越少，空间站的价值更多的是研究人体在长期失重情况下的生理变化，为未来更长期的太空飞行做准备，而在纯科研方面则重点是各种观测平台和深空探测器，现代传感器、人工智能和信息传输技术的进步，可以让人类超越自身的限制先行一步探索广袤的宇宙。
至于载人航天，作为领头羊的NASA所主导的载人航天将会转向宇宙飞船，但不会是以前的简单重复，而将以深空飞行为目标。当然，这个难度也要拿捏好，登陆火星要飞越5000万千米，在茫茫太空飞行几个月的时间，难度之大比登月高了好几个数量级，短期内来看还不现实，除非有类似以前苏联那样的强力竞争者刺激到美国人的神经。而之前小布什政府的重返月球计划虽然加上了长期居住和商业开发等噱头，但依然稍显难度不足，效费比不高。至于登陆小行星，未知因素也不少，总的来说，对美国而言这个分寸很难拿捏。
至于其他国家，暂时可以确定的是，在2020年之前，俄罗斯和欧洲的载人航天都将继续围绕国际空间站来进行，对于他们来说，稀少的航天经费远不足以支撑更宏大的目标。而对于中国这样的后来者来说，之前刚进行了几次的“神舟”飞船飞行还只是万里长征的第一步，接下来中国还要发射自己的第一艘小型空间站，从而初步实现在近地轨道长期驻入的目标，然后还要花很多年来设计和建造更大型更先进的空间站。因此可以说，航天飞机之后，世界载人航天暂时将没有太多亮点，美国在寻找可以折腾的题材，而其他国家将继续研究空间站。或许再过几年，美国人理清思路后，会以新的计划继续航天飞机的开拓精神，并给人类以惊喜。
