20世纪60年代，由于阿波罗工程开支经费浩大，曾引起美国国内许多非议．1969年美国又提出航天飞机计划，它是可以重复使用的、往返于地球表面和近地轨道之间运送有效载荷的飞行器．目前，将航天飞机成功发射到太空的只有美国和前苏联，我国也在开展这方面的研究，“神舟号”宇宙飞船的发射正是为这方面的工作做准备．
航天飞机综合运用了火箭、航天器和飞机技术，形成一种新型航空航天飞行器．它起飞时像火箭，靠强大的推力垂直发射到天空;进入轨道好像卫星或飞船，在围绕地球的轨道上运行;返回地球时又像是飞机，可以通过驾驶员的操纵沿着跑道滑翔降落．它可用于卫星施放、卫星捕获、卫星检修、遥感遥测和太空科学实验等一系列商业作业，航天飞机将太空变成利润的来源．
美国是世界上最早研制航天飞机的国家，从1972年开始用了10年时间耗费100多亿美元，先后研制了6架航天飞机(“开拓号”、“哥伦比亚号”、“发现号”、“挑战者号”、“亚特兰蒂斯号”和“奋进号”)，如图3－40所示．20世纪70年代中期前苏联制定了一项分两步走的航天飞机发展计划:第一步研制一种小型航天飞机，以接替“联盟号”宇宙飞船负担的航天运输任务;第二步研制与美国现用的航天飞机相当的大型航天飞机．至今，俄罗斯的小型航天飞机已经过多次试验，大型航天飞机正在研制过程中．欧洲航天局也正在研制“海尔梅斯号”航天飞机．日本的航天飞机也在研制过程之中．
以美国的“哥伦比亚号”航天飞机为例(见图3－40)，它主要由一个轨道器(航天飞机的主体，可重复使用100次以上)，一个外储箱(储存液氢和液氧推进剂，一次性使用，不可回收)和两个固体火箭助推器(提供航天飞机飞出大气层的80%左右的推力，可重复使用20次)组成．
图3－40 美国“哥伦比亚号”航天飞机发射升空
航天飞机的发射和飞行过程如图3－41所示．航天飞机垂直起飞，2 min后升至45 km的高空，固体火箭助推器关闭并分离，由助推火箭顶部的降落伞吊落在海面上，由回收船回收供下次再用．航天飞机起飞后8min，升到约109 km的高空，外储液箱分离并在坠入大气层时烧毁，此时，速度约为7．5 km/s，轨道系统发动机点火，用小推力把轨道器送入预定轨道．轨道器可在近地轨道上运行3～30天，完成任务后轨道器再次点火，使轨道器减速而脱离卫星轨道，并沿着椭圆轨道再进入大气层．轨道器进入大气层后按大攻角姿态飞行以增加气动阻力，减小速度和控制气动加热，最后在导航系统引导下寻找机场并着落．轨道器着陆后马上进行维修和检查，以备下次再用．
图3－41 航天飞机的发射和飞行过程
航天飞机是当前世界上最先进的天地往返运输器．设计之初，科学家们认为它至少有以下几大优点:可重复使用从而降低费用、水平降落比宇宙飞船更安全、比宇宙飞船舒适、运载能力强．然而，从1981年航天飞机首次飞行至今，除了体现出舒适和运载能力强两大优点外，其他预想中的优点反而成了“致命伤”．据统计，航天飞机有3 500多个分系统、250多万个部件，每次飞行成本约为5亿美元，既复杂又昂贵．它没有逃逸系统，实行人货混运，“挑战者号”航天飞机和“哥伦比亚号”航天飞机的失事证明，其安全性和可靠性要远远低于相对简单的宇宙飞船．所以，美国现在已经在着手研制新的天地往返运输器，这是一种将航空航天技术有机地结合在一起，即航空航天飞机，简称空天飞机．预想中的空天飞机是既能航空又能航天的新型飞行器．它像普通飞机一样起飞，以高超音速在大气层内飞行，在30～100 km高空的飞行速度为12～25倍音速，并直接加速进入地球轨道，成为航天飞行器，返回大气层后，像飞机一样在机场着陆．它可以自由方便地返回大气层．
小贴士
美国X－37B空天飞机
图3－42 美国X－37B空天飞机
X－37B是美国军方研制的一种无人驾驶的空天飞机(见图3－42)，已经在2010年4月进行了首次试飞．X－37B空天飞机尺寸大约只有美国现役航天飞机的四分之一，长约8.8 m，翼展约4.6 m，起飞重量超过5 t．借助火箭发射升空时，X－37B的速度可达到25倍音速．在这一速度下，地面雷达很难发现并跟踪X－37B的轨迹．X－37B可凭借自带的太阳能电池和锂电池提供动力，其飞行时间高达270天．X－37B不仅具有飞行速度快，滞空时间长，发射费用低等优点，还拥有强大的侦察和攻击潜力．
著名科学家和教育家周培源
周培源(1902～1993)，著名力学家、理论物理学家、教育家和社会活动家，我国近代力学事业的奠基人之一(见图3－43)．主要从事流体力学中的湍流理论和广义相对论中的引力论的研究．奠定了湍流模式理论的基础;研究并初步证实了广义相对论引力论中“坐标有关”的重要论点．培养了几代知名的力学家和物理学家．在教育和科学研究中，一贯重视基础理论，同时关怀和支持新技术的研究．在组织领导我国的学术界活动、推进国内外交流合作方面做出了重要贡献．
图3－43 周培源
图3－44 普朗特
近代力学奠基人普朗特
路德维希·普朗特(Ludwig Prandtl，1875～1953)，德国物理学家，近代力学奠基人之一(见图3－44)．他在大学时学机械工程，后在慕尼黑工业大学攻弹性力学，1900年获得博士学位．1901年在机械厂工作时，发现了气流分离问题．后在汉诺威大学任教授时，用自制水槽观察绕曲面的流动，3年后提出边界层理论，建立绕物体流动的小黏性边界层方程，以解决计算摩擦阻力、求解分离区和热交换等问题，奠定了近代流体力学的基础．他建立并主持了空气动力实验所和威廉皇家流体力学研究所．在近半个世纪的科学生涯中，普朗特注意理论与实际的联系，在力学方面取得了许多开创性成果．
空气动力学家冯·卡门
西尔多·冯·卡门(Theodore Von Karman，1881～1963)，匈牙利裔美国工程师和物理学家，主要从事航空航天力学方面的工作，是工程力学和航空技术的权威，对于20世纪流体力学、空气动力学理论与应用的发展，尤其是在超声速和高超声速气流表征方面，以及亚声速与超声速航空、航天器的设计方面，产生了重大影响．他是美国喷气推进实验室(JPL)的创建人、首位主任(见图3－45)．1963年2月18日，为了表彰冯·卡门对科学、技术和教育事业的无与伦比的杰出贡献，肯尼迪总统授予他美国第一枚科学勋章．
图3－45 冯·卡门
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