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在航天飞机的使用中，NASA发现同研制费用一样，航天飞机的维护和运行费用也在直线飙升，而且每年预计的飞行次数也不能如数完成。比如1984年航天飞机一次飞行的花费为～2亿美元，而在商业发射中可以得到的最高补偿仅为7 100万美元。最重要的是NASA发现，用航天飞机发射卫星，比使用火箭发射卫星的费用还要多。因此，1988年之后，NASA决定不再承揽商业载荷的发射任务，每年航天飞机飞行次数减为9次左右。这些情况表明航天飞机无论从能力上和经济效益上都大大的打了一个折扣。
航天飞机的飞行过程：地面准备
航天飞机每次的飞行，从开始准备到最后着陆是一个复杂的过程，常常要经历几个月的时间。如果你知道飞机每次起飞、降落的复杂性，那可以想象一下航天飞机所经历的过程比这个过程还要复杂百倍。当你了解了航天飞机从准备到发射、到进入轨道、到返回地球的全过程后，会发现激动人心的时刻决不仅仅是在航天飞机点火起飞的那一瞬间，这整个过程更加激动人心。
地面准备
每次轨道器返回地球，着陆后几个小时，就会被一辆拖车脱离轨道，送入轨道器的维护车间。一旦进入车间，轨道器就会被各种脚手架支离地面，进行整修。工作人员首先要排除轨道器内剩余的推进剂，然后拆除前一次飞行时所携带的有效载荷。接下来开始对轨道器进行全面的检查和测试，并进行相应的维护。维护的具体内容要根据每次轨道器飞行后的具体情况来决定，有些部件可能还需要送到其它的研究中心整修。这个过程所用的时间几乎可以占到两次飞行间隔时间的2/3。
在维护车间内必须进行的一项维护是检查覆盖在轨道器表面的防热瓦片。这些防热瓦片在轨道器返回时保护机体不受高温的烧灼，每次飞行完毕后都会有一些瓦片松动、损坏或脱离机体，工作人员的责任就是查出这些受损瓦片，并更换上新的。另一项重要的内容是将发动机拆除，送到相应的部门进行检查。进行完所有的整修之后，轨道器就被送入另一个总装大楼，完成与助推器和外贮箱的对接工作。
在这之前助推器和外贮箱都已经在维护车间内进行过加工。每次飞行中固体火箭助推器都会在发射后被丢弃，借助降落伞落入大海，再由船只找到并拖回发射中心。然后工作人员将它们拆成几段，运回到火箭制造商那里，重新灌装推进剂。外贮箱由于已经在返回大气层时烧毁，所以新的未灌入液体推进剂的外贮箱会从生产商那里直接运到发射中心。通常重新罐装的助推器和新的外贮箱在计划发射日期之前半年运到航天中心，并搬进总装大楼。
总装大楼内有一个活动发射平台，助推器、外贮箱和轨道器进入总装大楼后都要在这个平台上完成装配，直到发射，整个航天飞机都不会再从这个平台上挪开。固体火箭助推器的底部运进总装大楼后，首先要竖立在活动平台上，竖立的位置也就是发射时的位置。接下来要把助推器叠装起来。这个工作需要花费相当的时间，主要的是为了保证各段之间的完全密封。
助推器叠装完毕后，就是与外贮箱的连接，外贮箱水平进入总装大楼后，会被一个巨型起重机吊起，令其竖直悬垂在两个固体火箭的中间，然后由技术人员进行对接。这一切做完之后，就是轨道器的安装。同外贮箱一样，航天飞机也要用吊索调离地面，然后移到外贮箱相邻位置的上方，再降下来与外贮箱连接，连接好后移开吊索。
到此一个航天飞机的各系统就装配完成了，接下来的工作是把整个活动发射平台连同上面的航天飞机，一起转移到发射台上。这个工作是由一个庞大的履带式平台拖车完成的，这个拖车的大小接近半个足球场的大小。拖车首先通过总装大楼侧面一个从地面垂直开到天花板的大门，进入到活动平台的下方，然后开动车上的水压千斤顶将平台稍稍提高，使平台抬离总装大楼内的支柱，接着就开始缓慢的想发射台移动。
拖车到达发射台后，会将平台放下，这时航天飞机便竖立在了发射塔旁边。发射塔上的机械臂可以伸到航天飞机的不同部位。这些机械臂的作用也各不相同。最顶端的机械臂叫氧气孔通行臂，这个通行臂末端的罩可以把外贮箱顶部紧紧密封起来，使外贮箱免受雨淋，并为装满液氧的外贮箱顶部加温，以防止内外温差在顶部形成冰凌儿，如果产生冰凌儿在航天飞机起飞时会对轨道器造成严重的损坏。还有一个机械臂叫机组通行臂，它可以让发射台的技术人员和航天员进入轨道器的座舱。这个通行臂的末端是一个“白屋”，使通向座舱的舱门处于完全密封的状态。任何进入白屋区的人都必须换上特制的洁净服，以使轨道器内的尘屑降到最低。
航天飞机的飞行过程：升空倒计时
所有航天器包括航天飞机的发射都不是随意进行的，一般的理解可能是航天器运到发射台，做好准备工作，就进入倒计时开始发射了。可事实是任何一次发射都存在一个发射时机，航天器只有在这个时机发射才能保证发射的成功及任务的完成，在航天领域中称之为发射窗口。发射前所有准备工作的时间，都是由发射窗口往前推算的。
发射窗口的确定取决于具体的任务，航天飞机的发射窗口一般持续1到数个小时，但也可能只持续几分钟。为了确定发射时间，采用“T”表示发射时刻，发射前的所有时刻表示为“T…”，发射后的时刻表示为“T＋”。如发射前9分钟表示为T…9分钟，发射后40秒表示为T＋40秒。但要注意发射前所表示的时间，并不是到发射时的实际时间。如T…9小时，只表示按发射的倒计时算还有9小时，如果出现额外的问题，会暂停计时，直到问题排除，才继续开始计时，这样到发射时刻的实际时间就会超过9小时。但这个暂停不是随便进行的，也需要事先计划，否则可能造成发射时间不在发射窗口内。
肯尼迪航天中心一般在T…6小时开始为外贮箱加注推进剂，在这之前要确定发射窗口内的天气预报是否适合发射，一旦确定，加注工作就开始了。加注推进剂的软管需要进行预冷，以降低液氢和液氧在输送过程的汽化损失。当到达T…3小时时，外贮箱的推进剂已经加满，但贮箱内的推进剂仍然会汽化，不断地从外贮箱顶部的出气孔派到外面，因此仍需不断的补充推进剂。
在T…3小时通常会停止倒计时的时间，在停止计时这段时间内一方面工作人员检查外贮箱的外壁是否结冰，同时航天员们也会被叫醒。因为太空中没有像地球一样的白天黑夜，所以航天员们需要在发射前调节生物钟。而发射的时刻即使是在黑夜，对他们来说也是生物钟早上的开始。起床后，航天员要再次进行身体检查，吃早饭，换上加压服，然后前往发射台。
在发射台上的白屋里会有一组技术人员等候在那里，当航天员到达时协助他们登上轨道器，在确定航天员已经进入航天飞机各就各位之后关闭密封舱盖，离开发射台。此时整个发射台就只剩下了航天飞机和航天员。接下来的时间发射控制中心会对天气、航天飞机的各个部位进行不断的检查，轨道器内的航天员也会不断的核实通讯系统是否正常。
在T…9分钟时会进入最后一次的倒计时暂停，这时发射中心内的所有发射控制人员要再次确认各系统是否正常，并且核实当时的天气情况。如果这次确认中出现任何一点问题，发射都会中止，只有在收到所有系统的确认信息后，发射中心才会开始最后9分钟的发射倒计时。
最后9分钟的发射倒计时
T…9分钟所有系统核实完毕，开始计时
T…7分30秒收回机组通行臂
T…5分辅助动力设备准备就绪，为主发动机的万向支架提供能量的液压发电机提供动力
T…1分收回该在外贮箱顶部的氧气孔通行臂
T…15秒消音系统打开，往发射台底下的防水沟供应淡水，向发射台底部浇水。吸收发射时发动机产生的声波，防止声波对航天飞机的损坏
T…5秒主发动机依次点火
T…0秒固体火箭助推器点火升空
固体火箭助推器一旦点火之后，航天飞机就会飞离地面，不再可能停止，因此在助推器点火之前的每1秒钟，航天飞机的计算机都会对各个系统进行上千次检查，如果这期间有一个系统出现故障，航天飞机会立即停止发射，否则很有可能就会酿成一场灾难。
当到达T时刻时，航天飞机就会上升离开发射台，从远处可以看到航天飞机拖着一条烟柱冲天而去。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。
航天飞机的飞行过程：进入轨道
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20 000千米/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28 000千米/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。
航天飞机的飞行过程：太空的任务
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”。
航天飞机的飞行过程：返回地球
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×15厘米到20厘米×20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。