航天飞机是把通常的火箭、宇宙飞船和飞机的技术结合起来的一种新型运载工具，它最主要的特点是能够像客货运班机一样，在宇宙航行中往返使用多次。关于航天飞机的研制工作虽然迟至70年代才大力展开，但早在50多年前，一批先驱者已认识到了它的优越性，并做了大量工作。
20世纪初，在齐奥尔科夫斯基、哥达德和奥伯茨为“一次性火箭”奠定理论基础并进行实验的同时，对于宇航工具就存在着一种截然不同的设想：运载工具不仅要飞离地球，而且要能回到地球，即可以重复使用。虽然可多次使用的运载工具有很多优越性，但却仅仅留在纸面上，首先付诸实施并获得巨大成就的还是一次性使用的火箭。这是因为可多次使用的运载器的研制要困难得多。此外，多次使用这个优点，对于兵器技术没有什么吸引力，因为在军事上这并不十分重要。但利用可重复使用运载器飞向空间的想法却从来没有放弃过。
60年代至70年代，由于使用一次性火箭耗费太大，于是人们迫切要求研制可多次使用的廉价运载工具。到60年代末，人类已经掌握了洲际导弹、载人登月和大型喷气客机等技术，研制航天飞机的技术条件成熟了。美国在1968年就开始了航天飞机方案的讨论，先后提出了许多方案。1970年7月正式开始研制，具体方案经过多次修改，到1976年2月才基本确定下来，这就是“哥伦比亚”航天飞机方案。“哥伦比亚”航天飞机主要包括三部分：轨道器、助推火箭和推进剂外贮箱。总长度为56米，机重2000吨。轨道器是航天飞机的主体，可以载人和有效载荷。轨道分前、中、后三段，前段乘人，中段可以容纳人造卫星和各种仪器设备，后段装有三台使用液体燃料的主发动机，推力为510吨。两个固体燃料助推火箭重580吨，推力为1315吨。
推进剂外贮箱内前后两个贮箱分别装液氢和液氧，为轨道器的主发动机提供燃料。“哥伦比亚”号的整个飞行过程可分为上升、轨道飞行和返回三个阶段。发射时助推火箭和主发动机同时点火，航天飞机垂直起飞，当飞到50千米高时，助推火箭熄火，同轨道器自动分离。在快要进入绕地球运行的轨道时，主发动机熄火。接着由两台发动机提供推力，使轨道器进入地球轨道，至此上升阶段结束，轨道器绕地球开始无动力飞行，乘员执行各种任务。任务完成后开始返回阶段。
机动发动机再次点火，进行制动减速，使轨道器脱离运行轨道，重新进入大气层，在大气中摩擦减速。这时轨道器变成了一架重型滑翔机，机翼成了决定性的器件，使它完成最后着陆阶段的滑翔飞行。在机场着陆时的速度为每小时341～346千米。1981年4月12日，美国航天飞机“哥伦比亚”号载着两名宇航员首次试飞，经过54个半小时的飞行，绕地球36周后于14日安全着陆。继第一次试飞成功之后，“哥伦比亚”号航天飞机又成功地进行了三次试飞，对系统的各种性能进行全面的试验。1982年11月11日，“哥伦比亚”号航天飞机正式开航。
它携带宇航员成功地在空间将两颗卫星发射到预定的地球同步轨道位置上，从而开创了商业性空间运输的新纪元。继“哥伦比亚”号之后，1983年美国第二架航天飞机“挑战者”号也试飞成功。航天飞机的出现是航天事业中的一场革命，航天飞机和大型空间站将是航天新时代的标志。
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