去。这条烟柱是由固体火箭推进剂燃烧产生的，而在轨道器的底部，由于主发动机的液氢和液氧燃烧，会产生一条超高温的水蒸气排气尾迹，从远处看就是一团明亮的闪光。
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航天飞机的飞行过程：进入轨道
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同火箭发射一样，航天飞机升空不久就要进行机动，使其由垂直向上的飞行逐渐转为水平方向的飞行。航天飞机发射2分钟后，固体火箭助推器的推进剂全部燃尽，助推器与外贮箱的爆炸螺栓炸开，然后助推器顶端的小火箭将其推离外贮箱。此时的高度约为46千米，接着助推器打开顶端的降落伞落入大海，早已等待在海上的两艘拖船会将其拖回航天中心进行整修，准备下一次使用。助推器分离后，主发动机继续推进，这时它的爬升角度倾斜了大约30°。
发射6分钟后，航天飞机的速度达到20000千米/小时，但还达不到保持轨道运行的速度。此时航天飞机会朝地球作大约2分钟的小角度俯冲，虽然这使航天飞机的高度下降了4~16千米，但却使速度增加到约28000千米/小时。这种做法开上去会多消耗推进剂，但经过计算可以知道采用俯冲获得速度的方法，比让航天飞机慢慢爬升到目标轨道效率要高得多。这种做法在大气层内的飞行中也经常使用，为了让飞机更快地获得速度，可以使其向地面俯冲。在小角度俯冲中，航天员会经受3g的过载，这个过载值已经达到了航天飞机整个飞行过程中的最大过载值，而在早期的载人飞行中，航天员承受的最大过载值要达到7~8g。
发射8分30秒后，轨道器的主发动机熄火，航天飞机插入一近地点65千米，远地点296千米的椭圆轨道。主发动机熄火后20秒，外贮箱与轨道器分离，外贮箱上的小推进器将其推向地球，在穿越外围大气层的时候焚毁。剩下的轨道器在椭圆轨道上飞行，当到达远地点时，轨道机动发动机点火，使轨道器进行园化运动。这时整个上升阶段就结束了，航天员可以从座位上离开，开始太空工作了。如果不在远地点进行加力，轨道器会继续在原椭圆轨道上运行，可该轨道的高度下大气还有一定浓度，不断的大气阻力和摩擦，会使这一轨道上的运动难以维持。
另外在整个上升过程中如果出现意外事件，比如一台或多台主发动机失灵，航天飞机会采取什么措施来保证人员的安全。nasa也制定了一系列模式，这些模式的选择要根据出现故障的时间来确定。如下表所示。但类似挑战者号的事故是无法逃生的，这种情况目前还没有什么应急措施。
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航天飞机的飞行过程：太空的任务
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轨道器一旦进入轨道，航天员首先要做的就是将有效载荷舱门打开。如果不这样做，轨道器飞行一段时间，内部温度就会过高。接下来，航天员会把座舱内除了飞行舱头部的两个驾驶座椅之外的所有座椅移开，以使他们有更多的工作空间。
轨道器在太空飞行时，因为大气阻力的影响非常小，并不用保持头部冲前的飞行姿态，相反考虑到任务的要求，轨道器往往需要在太空中保持不同的姿态。比如，令有效载荷舱的科学仪器对准适当的方向，避免有效载荷舱内物品受到太阳光的直接照射，或为变轨机动作准备等等。航天员可以通过控制轨道器头部和尾部的反作用控制系统来使姿态发生变化。这些姿态变化并不会引起轨道器运动速度的变化，因为它只是围绕着自己的质量中心在转动。
航天飞机在太空中执行的所有任务，都离不开有效载荷舱。在不同的任务中，有效载荷舱所携带的载荷不同。执行卫星施放任务时，有效载荷舱内安装的是需要释放的卫星。因为航天飞机所携带的燃料只能使轨道器在300千米高度的近地轨道飞行，而大多数卫星运行的轨道高度比这个高度要高，所以通常在执行卫星施放任务时，还需要把一枚火箭接到卫星上。当轨道器到达合适的位置时放出卫星，然后卫星再由火箭提供动力，进入更高的运行轨道。
有时候，轨道器还需要进行卫星抢救和修理工作，航天员可根据具体情况，决定是在太空中进行修理工作，还是将此放入载荷舱送回地球。但不论哪种方式，几乎都需要航天员通过气闸舱进行舱外活动。气闸舱在轨道器中的安装位置不是一成不变的，可以装在中舱内也可以装在有效载荷舱内。执行舱外任务时，航天员从中舱进入气闸舱，关闭通往座舱的密封舱门，然后换上航天服，启动一发动机，将气闸舱内的空气慢慢抽出。待空气抽尽时，打开通向有效载荷舱的舱门，进入太空环境。气闸舱的设计一般只容许2个航天员出舱活动，但在1992年5月，由于任务的需要，航天员们灵活掌握，进行了3人的舱外活动。
进行舱外的卫星救援任务看上去令人激动，但航天员们切身感受到执行这一任务的具有相当的难度。首先在太空中的行动并不容易，想象一下在游泳池中的行动，舱外的任何一个动作都比这要困难得多。最重要的是航天员要时刻注意不要让卫星上的任何边缘将自己的航天服划破。
为了协助舱外航天员的活动，工程师们在有效载荷舱内安装了一个机械手臂。像人的手臂一样该机械臂具有“肩关节”和“肘关节”，“肩关节”在有效载荷舱口的左舷内壁上，“肘关节”连接了机械臂的上臂和下臂，完全展开时机械臂长15.24米。不使用时收放在有效载荷舱内的左舷。在机械臂的末端是一个空心的圆柱，当航天员需要机械臂“抓握”物体时，通过飞行舱后部的仪器控制机械臂移动，把物体的一部分放入圆筒，再利用圆筒外壳的三根导线将物体固定。有时航天员也将自己连到机械臂末端，把机械臂作为自己的活动平台。
航天飞机在太空中最重要的一项任务是进行科学实验，但可惜的是航天飞机的机组座舱空间非常狭小，不足以放下大量的科研设备。为此欧洲航天局为nasa设计了可以放入有效载荷舱的太空实验室(spacelab)。
太空实验室长约5.5米，直径4米。一条增压通道将太空实验室的前端与轨道舱的中舱连接，航天员可直接进入实验室。实验室的内部四周堆放着各类实验仪器和设备。实验室的后面还装有一个或几个底座，该底座提供了安装科学仪器的平台，这些仪器往往需要直接暴露在太空中。包括研究天文现象的仪器，各种高清晰度的照相机等。在不同的飞行任务中根据需要，可以只携带实验室，或只携带底座，或两者都带。在太空实验室内航天员获得了足够的空间进行各类科学实验。由于太空引力的作用非常微弱，所以这些试验可以取得大量在地球上不可能获得的试验数据。
1998年以后，航天飞机又增加了一项重要使命，进行国际空间站的建设任务。自此航天飞机成为了空间建设的“工程车”。
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航天飞机的飞行过程：返回地球
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航天员执行完太空任务后，开始准备返回地球。首先要将座舱内的所有物品收好，重新安上座椅，关闭有效载荷舱门，然后穿上压力服。做好这些之后，驾驶员就开始操纵轨道器进行返回机动，使轨道器落入返回轨道。
在返回的过程中，航天飞机要高速经过稠密的大气层，由于分子碰撞产生的高温，会严重的影响轨道器的安全，因此轨道器的机身外面覆盖有一层防热瓦。这些瓦片的大小一般都在15厘米x15厘米到20厘米x20厘米之间，厚度在1～9厘米之间，摸起来的手感介于陶瓷和普通的粉笔之间，用手就可以轻易的折断。根据轨道器返回途中表面不同区域收到的气动热不同，防热瓦共有4种。
轨道器的头锥部和机翼前缘是返回时温度最高的部位，可达1260～1650摄氏度，采用了碳碳复合材料。机身下表面的区域再入温度为370～1260摄氏度，覆盖了2万余块高温可重复使用防热瓦，这些黑色的防热瓦使整个机身的下面成为黑色。机翼的上表面和机身头部的侧面及立尾表面使用低温可重复使用防热材料，可抵御370～650摄氏度的温度，这些瓦片的表面涂有白色涂层，以使其具有要求的光学性能。剩下的区域受热温度都低于370摄氏度，包括有效载荷舱门，机身中后部两侧和机翼上表面内侧，只覆盖一层柔性可重复使用绝热层。
哥伦比亚
“他们作出了无畏的牺牲，把他们的生命和毕生的精力全都奉献给了这个国家和全人类。”
——哥伦比亚号航天飞机机长里尔·赫斯本德在太空中为纪念挑战者号航天飞机失事17周年发表的讲话。
2003年2月1日对美国人来说又是一个黑暗、悲痛的日子。哥伦比亚号航天飞机爆炸的画面反复出现在家家户户的电视屏幕上，这次事故是继挑战者号事故的又一惨剧。事故征兆最早出现在美国东部时间上午8时53分，航天飞机左机翼上的温度感应器首先失灵，5分钟后左侧主起落架上的轮胎气压表也不再显示数据。这时nasa的休斯敦地面控制中心技术人员向航天飞机紧急喊话。可几秒钟之后，与航天飞机的所有通讯无故中断，此时控制中心一下子陷入了骇人的寂静。几分钟之后得克萨斯州、路易斯安那州的居民听到轰隆的爆炸声从天际传来,哥伦比亚号的碎块在天空中划出了道道白烟。
事后地面人员的发现，机组人员在飞机开始散架前的最后关头，依然试图通过手动驾驶来挽救不幸进入了“螺旋状态翻滚前进”的航天飞机，但一切努力均以失败告终。“哥伦比亚”号左侧机翼最先脱落，然后是尾翼，接着货舱轰然解体。最后，载有7名航天员的驾驶舱在继续坚持向前飞行了一段时间，终因承受不住巨大压力而四分五裂。
事故发生后，在戴维营赶回白宫的美国总统布什用低沉抑郁的声音直截了当对美国人民说：“这是一个带来可怕消息和无比悲伤的日子。”从最初的震撼中清醒过来后，美国立刻组织了专门的事故调查小组，对事故进行调查。虽然目前事故的原因还没有完全确定，但是从对民间的调查结果和各国对事件的反映来看，这次事故并不会阻止人类继续进行太空探索的梦想。
轨道器在返回的过程中完全没有动力可使用，因此在大气层内只有借助机翼产生的升力来进行滑翔，这也是轨道器机翼惟一的用处。驾驶员必须精确的操纵轨道器，将其引导到跑道上，如果出现任何疏忽没有对准跑道，是不会有第二次机会让其着陆的。事实上返回的过程并不比起飞的过程容易或更加安全，飞机驾驶员都知道着陆的难度原大于起飞的难度。任何不慎都会造成机会人亡的悲剧。
为了让轨道器尽快的减速，驾驶员在滑翔过程中会做数个s形转弯以降低速度。在着陆前约3分钟时可以听到两声巨响，这是轨道器以超音速穿过空气时产生的声爆。尽管驾驶员已经做了机动来降低速度，但在落地的瞬间，轨道器仍具有每小时300多千米的速度，因为其着陆速度要高于飞机的着陆速度，所以航天飞机的着落跑道比一般飞机的跑道要长。肯尼迪航天中心内航天飞机的着陆跑道长度达到4.6千米，而通常我们见到的机场跑道长度在3千米左右。
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各国航天飞机
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美国的航天飞机计划从技术角度考虑，无疑代表了航天技术的一个新时代。在整个航天飞机的研制过程中，美国获得了大量全新的技术成果。随着美国航天飞机的上天，80年代初期，航天领域掀起了航天飞机发展的热潮。很多国家提出了自己的航天飞机计划。比如苏联的暴风雪(buran)号航天飞机计划，欧洲空间局的赫尔墨斯(hermes)航天飞机计划，英国的霍托尔(hotol)空天飞机计划，德国的桑格尔(saenger)空天飞机计划，日本的希望(hope)航天飞机计划。但从美国开展航天飞机计划的过程中可以看到，航天飞机的研制成功一方面是技术上的突破，另一方面也需要投入大量的资金，而稳定的资金投入往往是更主要的决定因素。由于这两个原因使得航天飞机计划的开展具有一定的难度，所以各国的航天飞机计划不是无限期的滞后，就是因为经济、技术原因被取消。
空天飞机是航空航天飞机的简称。它既可以在大气层内飞行，也能在太空中飞行。其动力装置是一种混合配置的动力装置，由空气喷气发动机和火箭发动机两大部分组成，空气喷气发动机在前，火箭发动机在后，串联成一体，为空天飞机提供动力。空天飞机可以在一般的大型飞机场上起落。起飞时空气喷气发动机先工作，这样可以充分利用大气中的氧，节省大量的氧化剂。飞到高空后，空气喷气发动机熄火，火箭发动机开始工作，燃烧自身携带的推进剂。降落时，两个发动机的工作顺序同起飞