（第一节）飞天的神舟——宇宙飞船
“我长大了要到星星上去看看。”幼小的尤里·加加林怀揣着美好的愿景。1961年4月12日，27岁的加加林驾驶第一艘载人宇宙飞船“东方1”号成功遨游苍穹。因为有宇宙飞船，加加林的美好愿望得以实现，而人类迈向宇宙的步伐也变得更加坚决。
一、认识宇宙飞船
宇宙飞船又称载人飞船（Spaceship），是一种运送航天员，货物到达太空并安全返回的一次性使用的航天器。它能基本保证航天员在太空短期生活并进行一定的工作。它的运行时间一般是几天到半个月，一般乘2到3名航天员。截至目前只有美国、俄罗斯和中国具备建造和回收宇宙飞船的技术。
世界上第一艘载人飞船是“东方1”号宇宙飞船。它由两个舱组成，上面的是密封载人舱，又称航天员座舱。这是一个直径为2.3米的球体，舱内设有能保障航天员生活的供水、供气的生命保障系统，以及控制飞船姿态的姿态控制系统、测量飞船飞行轨道的信标系统、着陆用的降落伞回收系统和应急救生用的弹射座椅系统。另一个舱是设备舱，它长3.1米，直径为2.58米。设备舱内有使载人舱脱离飞行轨道而返回地面的制动火箭系统、供应电能的电池、储气的气瓶、喷嘴等系统。“东方1”号宇宙飞船总质量约为4700千克。它和运载火箭都是一次性的，只能执行一次任务。
在这之后，先后出现的多个系列的宇宙飞船，有苏联的“上升”号宇宙飞船，“联盟”号宇宙飞船和“进步”号货运飞船；美国的“水星”号载人宇宙飞船，“双子星座”号宇宙飞船，“阿波罗”号宇宙飞船；中国的“神舟”号宇宙飞船。
目前人类已先后研制出三种构型的宇宙飞船，即单舱型、双舱型和三舱型。
其中单舱式最为简单，只有宇航员的座舱，美国第一个宇航员格伦就是乘单舱型的“水星”号飞船上天的；双舱型飞船是由座舱和提供动力、电源、氧气和水的服务舱组成，它改善了宇航员的工作和生活环境；最复杂的是三舱型飞船，它是在双舱型飞船基础上或增加1个轨道舱（卫星或飞船），用于增加活动空间、进行科学实验等，或增加1个登月舱（登月式飞船），用于在月面着陆或离开月面。
虽然宇宙飞船是最简单的一种载人航天器，但它还是比无人航天器（例如卫星等）复杂得多，以至于到目前仍只有美俄中三国能独立进行载人航天活动。宇宙飞船与返回式卫星有相似之处，但要载人，必须增加许多特设系统，以满足宇航员在太空工作和生活的多种需要。例如，用于空气更新、废水处理和再生、通风、温度和湿度控制等的环境控制和生命保障系统、报话通信系统、仪表和照明系统、航天服、载人机动装置和逃逸系统等。
当然，掌握航天器再人大气层和安全返回技术也至关重要，尤其是宇宙飞船，除了要使飞船在返回过程中的制动过载限制在人的耐受范围内外，还应使其落点精度比返回式卫星要高，从而及时发现和营救宇航员。苏联载人宇宙飞船就曾因落点精度差，结果使宇航员困在了冰天雪地的森林中差点被冻死。目前，掌握航天器返回技术的国家只有美国、俄罗斯和中国。
未来的宇宙飞船将朝三个方向发展：有多种功能和用途；返回落点的控制精度提高到百米级的范围以内；返回地面的座舱经适当修理后可重复使用。
载人飞船具有多种用途，主要有：进行近地轨道飞行，试验各种载人航天技术，如轨道交会和对接，以及宇航员在轨道上出舱、进入太空活动等；考察轨道上失重和空间辐射等因素对人体的影响；为太空站接送人员和运送物资；进行军事侦察、地球资源勘测等。
载人飞船一般由乘员返回座舱、轨道舱、服务舱、对接舱和应急救生装置等部分组成，登月飞船还有登月舱。返回座舱是载人飞船的核心舱段，也是整个飞船的控制中心。返回座舱不仅和其他舱段一样要承受起飞、上升和轨道运行阶段的各种应力和环境条件，而且还要经受再入大气层和返回地面阶段的减速过载和气动加热。轨道舱是宇航员在轨道上的工作场所，里面装有各种实验仪器和设备。服务舱通常安装有推进系统、电源和气源等设备，对飞船起服务保障作用。对接舱是用来与空间站或其他航天器对接的舱段。
2008年9月底，“神舟7号”载人飞船载着三名航天员，开始了中国首次太空行走任务。10月初，乘“亚特兰蒂斯号”航天飞机进入太空的美国航天员进行多次太空行走，对“哈勃”太空望远镜进行最后一次维修。两种外形迥异的舫天器，几乎在同时进行具有意义重大的太空行走，吸引了来自全世界的好奇目光。那这两种载人航天器有什么不同呢？
载人飞船与航天飞机在外形上的区别是一目了然的。从第一代的“东方号”（1961）、“水星号”（1961）飞船到第二代的“阿波罗号”飞船再到第三代的“联盟TM”（1986）、“神舟号”（1999）飞船，载人飞船的返回舱经历了从球形到匮锥形再到钟形的演变过程。但其基本上都是水滴形状的变体。这是因为载人飞船返回舱在重回大气层时，要承受高温气体的冲击，这种形状既保证了减小阻力，又能提供姿态调整的可能。当代的载人飞船多由轨道舱、返回舱和推进舱三部分顺序串联，构成“列车”的形式。
这三部分的功能正如其名，轨道舱载有仪器和实验设施，供航天员在轨道上进行科学活动使用；返回舱像一个胶囊，航天员在其保护下轻装返回地球；推进舱装满氧气和燃料等辎重，上面的太阳能电池板为全船提供电力。不像返回舱要经受重返大气层的考验，轨道舱和动力舱在设计时并未考虑空气动力学要求，它们只是近似的圆柱体，能被方便纳入火箭整流罩即可。简而言之，载人飞船只是将人员从地面转移到太空的运输工具。
二、苏联和美国的宇宙飞船
20世纪60年代，美、苏在太空竞赛中为了抢到头彩，各自从佛罗里达海岸和丘拉塔姆的荒原向太空发射了30多艘载人飞船，完成了60多人次的太空飞行。无论哪个国家。都怀着人类对太空的向往，踏上一次又一次的征途，对地球以外的世界展开探索。这些最初的尝试为后来的登月计划以及空间站的建立积累了宝贵的经验。
1、苏联的宇宙飞船
苏联先后研制了“东方”号宇宙飞船，“上升”号宇宙飞船，“联盟”号宇宙飞船和“进步”号货运飞船。
“东方”号宇宙飞船是人类史上第一次研制宇宙飞船，而其中的“东方1”号，将人类的第一名使者——尤里·加加林送入太空，更是有着深刻的意义。继加加林之后，“东方”号又进行了5次载人轨道飞行，为苏联争取了太空竞赛中的一个又一个的第一。这里面包括比耶科夫斯基驾驶“东方5”号飞船创造了留空119小时的纪录，以及世界上的第一名女航天员尼古拉耶娃·捷列什科娃乘坐“东方6”号升空。就载人航天技术来说，整个“东方”号计划在医学实验方面特别是人在轨道上飞行期间的反应和适应性方面，取得了伟大的成就，但由于飞船的限制和其他原因，“东方”号飞船的太空飞行在其他方面并没有取得太多的研究纪录。
1964年10月12日，作为过渡性的宇宙飞船“上升1”号成功升空。1965年3月18日，“上升2”号载着2名航天员——列昂诺夫和别利亚耶夫，又完成了一个史无前例的创举—一列昂诺夫成功实现太空行走。比起“东方”号，“上升”号没有多大发展，只是实现了几个第一而已。在这之后，苏联在航天技术上的优势已经基本消失。
如果说，“东方”号和“上升”号是实验品的话，那么“联盟”号便是绝对的成品。“联盟”号飞船是苏联在积累了多年经验之后，所开发出来的一种最成熟的载人航天器，是航天部门现在拥有的唯一一种可载人航天器，也是向国际空间站输送宇航员的仅有的两种工具之一（另一种是美国的航天飞机）。其他衍生物包括“进步”号货运飞船，这是一种设计十分成功的无人货物运输飞船，在维持“和平”号空间站和国际空间站的正常运转中发挥了巨大的作用。
2、美国的宁宙飞船
美国的宇宙飞船有“水星”号载人宇宙飞船，“双子星座”号宇宙飞船和“阿波罗”号宇宙飞船。
1962年2月20日，美国宇航员约翰·H·格林乘坐“水星”系列下的“友谊7”号飞船终于实现了美国人的航天梦。“水星”号载人宇宙飞船虽然晚于苏联10个月才实现轨道飞行，但其技术成就却比“东方”号的大得多。“水星”号计划结束之后，当时美国总统明确提出，把登月作为载人航大的发展目标。于是，美国开始研制第二代飞船——“双子星”飞船。
作为登月计划和“水星”号计划中间的过渡计划，“双子星”号计划成功完顾了轨道变换、轨道会合、轨道对接以及在轨道上进行太空舱外活动的技术测试。至1966年，“双矛”号任务完成之时，美国航天员已有了2000小时的太空飞行纪录，而此时苏联的飞行纪录只有500多小时，美国开始完全领先于苏联。
“双子星”号计划结束之后，美国国家航空航天局（以下简称NASA）马上着手登月计划——“阿波罗”号计划。
通过一系列的试验，NASA在“阿波罗10”号飞行试验结束后，宣布“阿波罗11”号将执行载人登月任务。1969年7月16日，巨大的“土星5”号火箭载着“阿波罗11”号在肯尼迪航天中心39A发射台点火发射。20日，美国东部时间22点56分，阿姆斯特朗踏上月球，首次实现了人类登月的梦想。
此后，NASA又进行了6次载人登月飞行，除了“阿波罗13”号因为赴月途中，服务舱氧气发生爆炸，被迫返回地球外，其他飞行均获得圆满成功。但“13号”的飞行也显示了“阿波罗”号计划的极强的应变能力，发生紧急情况时，地面人员经过周密研究.指示停止登月，最后航天员靠登月舱的动力、水、空气及食物绕过月球安全返回地球。
“阿波罗”计划历时11.5年，耗资255亿美元，约有40万人和2万多家研究机构参加，迄今为止，还没有哪项计划能在规模和资金上超过该计划。先后12名宇航员登上月球的壮举，在政治和科技上都产生了深远的影响。航天史上，这“巨人一跃”，带我们走进了一个崭新的时代。
（第二节）更高的飞机——航天飞机与空天飞机
航天飞机是靠运载器发射进入地球轨道，返回时像滑翔机那样靠滑翔在机场跑道上水平着陆的航天器。在太空飞行时间一般不超过20天，又可称为天地往返运输器。
空天飞机是可在大气层内及大气层外飞行的飞行器。是航空与航天相结合的新型飞行器。航天飞机与空天飞机的相同点是二者都是可以重复使用的、往返于地球表面和近地轨道之间运送人员和货物的飞行器；区别一是航天飞机通常由火箭送入宇宙空间，在天体引力场作用下沿预定轨道运行。空天飞机靠组合发动机升空，既能在大气层内飞行，也能在大气层外飞行。二是航天飞机样靠滑翔在机场跑道上着陆；空天飞机可以像飞机那样靠自身动力在机场起降。
一、一步登天的航天飞机
用运载火箭发射人造卫星、宇宙飞船，都是一次性使用，耗费巨大。科学家们便设想将航空与航天结合起来，研制一种能经常往返于太空与地面的运载工具。到20世纪70年代末，这种设想终于在1981年4月21日实现了。1969年4月，美国宇航局提出建造一种可重复使用的航天运载工具的计划。1972年1月，美国正式把研制航天飞机空间运输系统列入计划，确定了航天飞机的设计方案，即由可回收重复使用的固体火箭助推器、不回收的两个外挂燃料贮箱和可多次使用的轨道器两个部分组成。经过5年时间，1977年2月研制出一架创业号航天飞机轨道器，由波音747飞机驮着进行了机载试验。
1977年6月18日，首次载人用飞机试飞，参加试飞的是宇航员海斯和富勒顿两人。8月12日，载人航天飞机飞行试验圆满完成。又经过4年，第一架载人航天飞机终于出现在太空舞台，这是航天技术发展史上的又一个里程碑。
航天飞机是现代航天与航空技术相结合的产物。它能像火箭那样垂直发射，在飞行过程中先后将工作完结的固体火箭助推器和外贮箱抛掉；轨道器进入近地轨道运行，完成任务后，再入大气层时，像飞机那样滑翔与着陆。回收后的固体火箭助推器和返回地面的轨道器经整修后，可供再次发射。
航天飞机是一种新型和可重复使用的航天运输系统，它的出现是现代航天技术的一项重大突破，利用航天飞机不仅可以大大降低航天活动的费用，并且提高了使用的效率和灵活性，还可以担负一些以前难以进行的工作。因此人们把它称之为“架设在空地之间的桥梁”。
轨道器是航天飞机的核心部分，外形酷似飞机，其驾驶台驾驶员和副驾驶员各有一个座位，关键操纵设备有双份，两人可以同时操作。一旦有一套操纵设备失灵，另一个驾驶员可单独操纵，返回地面。中层是航天员及随行的科学家的卧室。下层是机房，安装有空调系统和供给系统，以确保座舱内温度、气压与地面上相同。轨道飞行器的中段由机翼和货舱组成。货舱特别宽，一次可容纳两颗大型的人造地球卫星。轨道飞行器的后段除装有三台主发动机和两台机动发动机外，还有能控制飞行姿态和稳定飞行的发动机。
助推器由两个固体火箭助推器和一个推进剂外贮存箱组成。固体火箭助推器长45米，直径3.7米，装有500多吨固体燃料，能产生1200吨推力，可重复使用20次。外贮存箱长47米，直径8.4米，可装700吨液氧、液氢推进剂。
航天飞机飞行到50千米高度时，固体火箭助推器分离，溅落在海洋中，然后地面人员用船只将它拖上岸，供下次再用。航天飞机飞行到109千米高度时，外贮存箱中的燃料耗尽；轨道飞行器与助推器分离，此时轨道飞行器的速度为7.5千米/秒。轨道飞行器与助推器分离后，靠其本身的机动发动机推动进入预定的近地轨道，开始执行各种航天任务。任务完成之后，启动机动发动机，使其脱离原来的地球轨道，高度逐渐降低，再入大气层。在大气阻力的作用下，速度逐渐减小，接着在大气中作无动力滑翔飞行，最后，像普通喷气客机那样滑翔着陆。
航天飞机的用途很广泛。它能发射各种卫星，即在起飞前将卫星装入货舱内，当进入地球轨道后用机械装置将卫星抓起。航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，火箭喷气发动机开始工作，燃烧自身携带的燃料剂和氧化剂。降落时，两个发动机的工作顺序同起飞时相反。
航天飞机上装有各种科学仪器和设备，从而成为一个太空实验室。科学家们可以在这里进行各种科学研究和试验，他们可以利用太空的特殊条件，来完成地面上不易实现的科学试验。航天飞机作为空间运输工具可以完成多种军事任务：实施外层空间与地面之间的军事运输；施放、修理和回收卫星；为在外层空间的航天器加注燃料、更换零件、补充材料、回收和更换磁带和胶卷，这种再供给可以成倍地延长航天器在空间的工作寿命；在空间部署各种天基航天兵器、军用空间站；在空间组装大型军事设施（如永久性空间站）；建立空间指挥所；实施空间侦察与观测；实施反卫星、反导弹作战，拦截与摧毁敌方卫星、导弹及飞船等；从空间袭击地面重要目标等。航天飞机的军事潜力极其巨大。
航天飞机集火箭、卫星和飞机的技术特点于一身、能像火箭那样垂直发射进入空间轨道，又能像卫星那样在太空轨道飞行，还能像飞机那样再入大气层滑翔着陆，是一种新型的多功能航天飞行器。
二、潜力无穷的空天飞机
航空与航天两大技术存在不可分离的联系和很强的互补性。因为无论什么航天器进出太空，都必须穿越大气层与空气打交道，后者显然属于航空技术范畴。航空与航天紧密联系的必然结果，就导致了人们对一种既能在大气层内飞行，又能在大气层外航行、水平起飞、水平降落的新型飞行器的构想，这就是“航空航天飞机”，简称“空天飞机”。
空天飞机是一种兼具高超音速运输机功能和天地往返运输系统功能的可重复使用的有翼飞行器。它既能从机场跑道起飞，能以高超音速穿越大气层进入宇宙空间，完成航天任务后再人大气层，在机场水平着陆，经过简单的维修后，短期内又可重返蓝天，可重复使用几十到几百次。
空天飞机具有一般飞机和航天器所没有的优越性：首先，与普通运输机相比，它能够以更高速度在大气层上层或近宇宙空间机动飞行，大大缩短了远距离运输的时间。例如，德国“桑格尔”空天飞机由法兰克福经洛杉矶至东京仅需3小时15分，美国“新东方快车”由华盛顿至北京仅需2小时，而由欧洲飞到澳大利亚只要1小时。其次，与以往的一次性使用飞船和多次部分重复使用航天飞机相比，空天飞机在重复性使用、机场水平起降能力、灵活机动性、可维修性、复飞间隔时间、发射操作费用等方面均有显著改进。所以，空天飞机有着非常广阔的发展前景。它不仅可以进行全球性的高超音速运输，而且可以像航天飞机那样，去执行各项航天任务。
1、关键技术
发展空天飞机的初衷是想降低空天之间的运输费用。其途径归纳起来主要有三条：一是充分利用大气层中的氧，以减少飞行器携带的氧化剂，从面减轻起飞重量；二是整个飞行器全部重复使用，除消耗推进剂外不抛弃任何部件；三是水平起飞，水平降落，简化起飞（发射）和降落（返回）所需的场地设施和操作程序，减少维修费用。经过多年的研究分析，科学家们发规，过去的估计过于乐观。实际上。上述三条途径知易而行难。需要解决的关键技术难度决非短时间内能突破，这些关键技术有：
（1）吸气式发动机。空天飞机的飞行范围为从大气层内到大气层外，速度从0到M数25，如此大的跨度和工作环境变化是目前现有的所有单一类型的发动机都不可能胜任的，从而也就使为空天飞机研制全新的发动机成为整个项目的关键。众所周知，喷气式发动机需要在大气层中吸人空气，无需携带氧化剂，但无法在大气层外工作，且实用速度较小；而火箭发动机自带氧化剂，可以工作在大气层内外，使用速度范围较广，但携带的氧化剂较笨重，比冲小。目前设想的空天飞机的动力一般为采用超音速燃烧（简称超燃）冲压发动机+火箭发动机或涡轮喷气+冲压喷气+火箭发动机的组合动力方式。但超燃冲压发动机的研制上存在相当多的技术问题，而多种发动机的组合方式又使结构变得过于复杂和不可靠。
（2）计算空气动力学分析。航天飞机返回再人大气层的空气动力学问题，曾经耗费了科学家们多年的心血，作了约10万小时的风洞试验。空天飞机的空气动力学问题比航天飞机复杂得多。因为飞机速度变化大，马赫数从0变化到25；飞行高度变化大，从地面到几百千米高的外层空间；返回再人大气层时下行时间长，航天飞机只有十几分钟，空天飞机则为1~2小时。解决空气动力学问题的基本手段是风洞。目前，就连美国也不具备马赫数可以跨越这样大范围的试验风洞。即使有了风洞还需要作上百万小时的试验，那意味着就是昼夜不停地试验，也需要花费100多年的时间。于是，只能求助于计算机，用计算方法来解决。目前，对于如此复杂的计算在理论上和计算速度上都存在很多的问题。
（3）发动机和机身一体化设计。当空天飞机以6倍音速以上的速度在大气层中飞行时，空气阻力将急剧上升，所以其外形必须高度流线化。亚音速飞机常采用的翼吊式发动机已不能使用，需要将发动机与机身合并，以构成高度流线化的整体外形。即让前机身容纳发动机吸人空气的进气道，让后机身容纳发动机排气的喷管。这就叫做“发动机与机身一体化”。在一体化设计中，最复杂的是要使进气道与排气喷管的几何形状，能随飞行速度的变化而变化，以便调节进气量，使发动机在低速时能产生额定推力，而在高速时又可降低耗油量，还要保证进气道有足够的刚度和耐高温性能，以使它在返回再人大气层的过程中，能经受住高速气流和气动加热的作用，这样才不致发生明显变形，才可多次重复使用。
（4）防热结构与材料。空天飞机需要多次出人大气层，每次都会由于与空气的剧烈摩擦而产生大量气动加热，特别是以高超音速返回再人大气层时，气动加热会使其表面达到极高的温度。机头处温度约为1800摄氏度，机翼和尾翼前缘温度约为1j460摄氏度，机身下表面约为980摄氏度，上表面约为760摄氏度。因此，必须有一个重量轻、性能好、能重复使用的防热系统。空天飞机在起飞上升阶段要经受发动机的冲击力、振动、空气动力等的作用，在返回再人阶段要经受颤振、起落架摆振等的作用。在这种情况下，防热系统既要保持良好的气动外形，又要能长期重复使用，维护方便，所以其技术难度是相当大的。
目前的航天飞机，由于受气动加热的时间短，表面覆盖氧化硅防热瓦可达到比较可行的防热效果，但对空天飞机远远不够。如果单靠增加防热层厚度来解决问题，则将使重量大大增加，而且防热层还不能被烧坏，否则会影响重复使用。一个较简单的解决办法是在机头、机翼前缘等局部高温区，使用传热效率特别高的吸热管来吸热，以便把热量转移到温度较低的部位。更好的办法是采用主动式冷却防热系统，也就是把机体结构与防热系统一体化，即把机体结构设计成夹层式或管道式，让推进剂在夹层内或管道内流动，使它吸走空气对结构外表面摩擦所生成的热量。
为了满足空天飞机的防热要求，目前正在研究用快速固化粉末冶金工艺制造纯度很高、质量很轻的耐高温合金。美国已研制出高速固化钛硼合金，它在高温下的强度可达到目前使用的钛合金在室温下的强度，这种合金适宜用来制造机身内层结构骨架。机头与机翼等温度最高的部位，要求采用碳复合材料，这种复合材料表面有碳化硅涂层，重量轻，耐高温性能好。
（5）飞行员的救生系统。空天飞机是个技术高度复杂的系统，一旦发生技术故障威胁飞行员生命安全时，必须有可靠的救生系统救助飞行员逃生。美国航天飞机已经发生两次机毁人亡的悲惨事故，其他危及安全的技术问题也屡有发生。因此，空天飞机的飞行员救生系统也就成为关键技术之一。
2、天飞机的军事价值
（1）确保军事资源快速廉价地进入太空。空天飞机与目前使用的一次性使用运载火箭、飞船和部分重复使用航天飞机相比，在重复使用性、发射操作费用、可维修性和周转时间、灵活机动性等方面都有革命性的改变。
（2）可作为空间武器发射平台。在未来天战中，空天飞机可作为各种武器弹药，包括动能武器和高能激光武器、微波武器等的发射平台，对敌方陆、海、空、天重要目标进行攻击，对战争的胜负可起到至关重要的作用。
（3）反卫星与反导。空天飞机能利用自身的探测设备，发现敌方卫星与导弹，对其进行跟踪和干扰，使其失灵或将其摧毁；或将它“俘虏”，窃取它已获得的情报，或将它送人错误轨道，或干脆将其带回地面。
（4）可作快速运输机。空天飞机飞行速度极快，从普通机场起飞，可在一小时之内达到全球任何地方，能对全球范围发生的地区冲突迅速作出反应，或对敌方发动突然袭击等。
（5）可作战时空间预备指挥所。空天飞机能像载人空间站那样能在轨长期停留，又配备了先进的指挥控制系统，一旦战时需要，可以直接承担起作战指挥控制任务。
（6）侦察监视与预警。空天飞机可利用其携带的照相侦察、电子侦察等设备对陆、海、空、天目标进行侦察与监视，对导弹发射等进行预警。与各种侦察卫星相比，空天飞机具有更大的灵活机动性，综合侦察能力更强，实时性更好。
未来的空间作战飞行器可依靠自身的动力系统或由航天飞机送入轨道，能执行多种任务，如作为动能与定向能武器平台或侦察监视平台，部署、修理或破坏、回收军用小卫星等。其轨道机动能力很强，在轨道上可停留数周、数月乃至一年，并可随时应召返回地面，具有很强的的战术应用能力。
三、航天史上的惨剧——航空飞机事故
挑战者号航天飞机是美国航空太空总署旗下正式使用的第二架航天飞机。它于1983年4月4日至4月9日进行了首次飞行。绕地球80圈，航程达330万公里，整个发射和着陆过程都很顺利。轨道飞行期间，宇航员充分试验这架航天飞机的各个系统，还施放了一颗大型跟踪与数据中继卫星，进行了9年来的第一次舱外空间行走，试验了新型宇宙服。此外，还做了一系列空间医学和科学试验。除了“挑战者”号施放的那颗巨大的通信卫星由于卫星本身火箭的原因未能达到预定的同步轨道之外，整个飞行获得成功。
1986年1月28日，美国挑战者号航天飞机载7名宇航员，进行它的第10次飞行。这一天早晨，成千上万名参观者聚集到肯尼迪航天中心，等待一睹挑战者号腾飞的壮观景象。上午11时38分，在人们目送之下，竖立在发射架上的挑战者号点火升空，直飞天穹，看台上一片欢腾。7秒钟时，飞机翻转，16秒钟时，机身背向下，底朝上完成转变角度；24秒时，主发动机推力降至预定功率的94%，42秒时，主发动机按计划减低到预定功率的65%，以免航天飞机穿过高空湍流区时由于外壳过热而使飞机解体。这时，一切正常，航速已达每秒677米，高度已达8000米；52秒时，地面指挥中心通知指令长斯科比将发动机恢复全速。59秒时，高度10000米，航天飞机接近音障，遇上极大的空气压力，主发动机已加速到104%，火箭助推器已燃烧了将近45万公斤固体燃料。此时，地面控制中心和航天飞机上的电子计算机荧光屏幕上显示的各种数据都未见任何异常。65秒时斯科比向地面报告：“主发动机已加大”，这是地面测控中心收听到的斯科比的最后一句报告词。但航天飞机飞到73秒时，空中突然传来一声闷响，只见价值12亿美元的挑战者号顷刻之间爆裂成一团桔红色火球，碎片拖着火焰和白烟四散飘飞，坠落到大西洋。7名机组人员全部遇难，造成了世界航天史上最大的惨剧。这是美国进行25次载人航天飞行中首次发生在空中的大灾难。“挑战者”号的爆炸，使美国举国震惊，华盛顿和其他各地均下半旗致哀。当时的中华人民共和国主席李先念于第二天打电报给美国总统里根，对美国航天飞机内7名宇航员不幸遇难表示哀悼。
人类生活的地球，被厚度约160公里的大气层包围着。在大气层内的飞行，称为航空；飞出大气层以外称为航天。世界上掌握载入航天技术的国家很少，当时已经研制成功航天飞机并投入使用的，仅有美国一家。
“挑战者”号7名遇难的宇航员中，有一名叫麦考利夫的女教师，她准备在“挑战者”号进入第四天飞行时，在太空向地面的学生讲两堂课，每堂15分钟，以此标志航天飞机走向更为实用的阶段。不幸由于这次意外事故而使空中课堂的计划未能实现，麦考利夫作为一名教师以身殉职。在美国新罕布什尔州的康科德中学，当学生们从电视上看到“挑战者”号载着他们的老师飞向太空时，兴奋得欢呼起来。然而不久，面对“挑战者”号突然爆炸的画面，学生们不禁目瞪口呆，继而失声痛哭。
在科学探索的道路上，牺牲是不可避免的。在“挑战者”号爆炸之前，苏联和美国的宇航员都曾由于意外事故而牺牲，但这并没有影响人类探索太空的行动。人类向未知的太空的探索、前进的步伐是永远不会停止的。
（第三节）探索太空的眼睛——空间探测器
空间探测器是一个什么样的物体，它有着怎样的神奇魔力？在这里，你将找到想要的答案。空间探测器主要是针对太阳系中的月球、月球以外的天体和空间进行探测的无人航天器。它主要包括地球探测器、月球探测器、太阳探测器、行星和行星际探测器等。
尽管每一种探测器的形状不同，但其目的都是为了解太阳系的起源、演变和现状，以及对太阳系内的各主要行星进行研究。空间探测器实现了对月球和行星的逼近观测和直接取样的探测，从而开创了人类探索太阳系内天体的新阶段。
一、望眼太空——空间探测器
空间探测器的结构基本上与人造卫星相同，所不同的是它们携带有探测仪器。探测器可以在绕地球的轨道上，对行星、彗星、太阳及至恒星、星系等进行探测，这就是天文卫星或空间望远镜，而多数则是飞近探测的目标星进行就近探测，或绕目标星飞行探测，或降到目标天体上实地考察。
空间探测器从地球出发到被探测的天体，必须选择合理的飞行路线，以便节省时间和路程。
行星探测器以最小能量的航线飞向目标行星，它从地球启程的口期要隔几个月或几年才有一次。如飞往水星4个月一次，飞往木星、土星、天乇星、海王星每年一次，飞往金星1年7个月一次，飞往火星2年2个月一次。如要飞经几个行星进行探测，其出发的机会更少。如果是飞向远距离臼标行星的探测器，可以用较小的速度开始飞行，在航行途中借助行星的引力来加速，也可借助行星的引力改变飞行方向。随着运载火箭推力的增大，也可以在地球与日标行星会合前后，让探测器以较大的速度，沿着大椭圆轨道以最短航线飞向目标行星。
探测器飞向目标，一般分为三个阶段：第一阶段是发射，即从地面起飞到进入行星际飞行轨道；第二阶段是自由飞行，即进入行星际飞行轨道后，在太阳引力作用下飞向目标天体；第三阶段是降落，即进入绕目标天体飞行或向目标天体降落。探测器要准确飞抵目标天体，必须通过天文导航或地面无线电制导来修正轨道和航线。由于探测器的飞行时间较长，一般采用太阳能电池提供充足电源，如果是探测木星以外的行星，则需配备核电源，还要采用高增益的抛物面天线定向波等办法，解决无线电波遥远距离的通信问题。
二、追寻嫦娥的足迹——月球探测
月球是地球的天然卫星，是距地球最近的天体，平均相距约38万千米。从1959年以来，全世界发射了123个月球探测器，有60个成功到达月球考察。
人类把月球作为探测地外天体的第一个目标，不仅是因为月球距离地球最近，而且还在于可以利用月球上的资源和特殊位置为人类服务。
第一，月球上蕴藏着丰富的物质资源。包括60多种金属元素，特别是地球上稀有的氦—3估计有上百万吨，是一种核聚变发电的理想燃料。
第二，月球上可以建设产业基地。由于月球的优越条件，可就地取材生产水泥、陶瓷、玻璃和金属材料等。
第三，月球上是科学研究实验的理想场所。月球上月震和重力波很小，没有大气影响，没有人造电波和光源干扰，最适于天文观测和物理实验。月球表面高度真空，没有尘埃杂质污染，制取材料的纯度高，生命科学实验十分安全。月球上没有遭到过破坏，没有大气和水流的侵蚀，是研究宇宙原始状态的好地方。
第四，月球是深空探测的前哨基地。月球的重力只有地球的1/6，深空探测器和火星飞船从月球上启航，可大大节省能源。月球上有丰富的氧和其他资源，可以提供过往航天器充足的氧化剂和材料。
第五，月球探测可以牵引和推动科学技术的发展。在实施探月活动中，牵动液体燃料、微波雷达、无线电制导、合成材料、电子计算机、生物工程等一大批工业技术的产生，促进人工智能、遥控作业等工业技术的问世，许多科技和工业领域将得到繁荣发展，其开发应用成果远远超过月球探测本身创造的效益。
月球探测器一般有两种探测方式：一是绕月飞行进行探测，二是在月球上着陆进行探测。
月球探测器飞向月球，为了节省能量，一般先进入绕地球飞行的停泊轨道，然后进入过渡轨道，当接近月球后，或者绕月飞行，或者从绕月轨道下降到月球上。由于月球上没有可用作减速的大气，所以着陆月球的探测器可以直接在月面硬着陆，也可以用探测器上的火箭发动机减速，实现软着陆。
三、太阳系的旅行——行星探测
太阳系中原先有九大行星，如今却溜走了一颗，剩下的八大行星如同八个神秘的人等待着我们去发掘与探索，人类正从地球文明走向行星际文明时代。
木星是一个非常遥远的天体，但它格外明亮，因为它周围有厚厚的稠密大气，其表面常年呈现数条色彩斑斓的彩带和不断变化的红色斑纹区。近些年，科学家们制定了一系列的木星探测计划。
美国在1977年的8月和9月先后发射了“旅行者2”号和“旅行者1”号探测飞船。它们提供了木星系统的新信息：木星的大气是复杂的，由氢和氦组成的稠密大气层之上是色彩斑斓的云层，而且大气的运动很汹涌；还勘测了木星环和木卫一、木卫二、木卫三、木卫四和木卫五。另外，它还发现了3颗新的木星卫星，在木卫_上至少有9座活火山，木卫三的直径达5200千米，是太阳系内最大的行星卫星。
虽然“旅行者”姐妹的探测，把人类对木星的认识向前推进了一大步，但由于木星的云层比较厚，至今仍有许多奇特的现象无法得到合理的解释。
土星是一颗类似于木星的太阳系的第六大行星，到目前，已有多艘宇宙飞船飞掠土星，对其进行了近距离探测。
1979年9月1日，“先驱者11”号发现了两个新的外环，土星的第14颗卫星以及土星有磁场、磁层和辐射带。1980年11月13日，“旅行者1”号发现土星中密集而繁多的光环，大小不等，形状不一，互不连接，形成一组环形彩带。在这些光环下面，还发现两条狭窄的短环。
金星是距离地球最近的行星，它在黎明出现时，被人们称为“启明星”；在黄昏出现时，则被称为“长庚星”。它是太阳系内唯一逆转的大行星。
自1961年以来，有十多艘飞船先后对其进行了深入的探测。
1961年，苏联发射了一系列金星探测器。“金星4”号，纪录了不少资料。“金星5”号探测到一道闪光。1970年，“金星7”号第一次在金星上软着陆成功，使人类对金星的探测进入了一个新的阶段。1989年5月，美国研制的新一代金星探测器——“麦哲伦”号，它已经测绘完金星表面积。证明金星上存在着活火山熔岩流、陨石坑、沙丘、高耸的山岭和巨大的峡谷。
现在，科学家们对金星丽探测还在继续。
天王星是太阳系内的第三颗大行星，天王星距地球约28亿千米。1986年1月24日，“旅行者2”号飞船飞抵天王星近旁，获得了大量的科学资料。天王星被汪洋大海所覆盖，其深度达8000千米，海水温度也高达几千摄氏度。天王星是由彗星构成的。它没有坚实的固体外壳，是在厚密大气包围下的超高温水球，但其内核却是熔化岩心。它有磁场，不过强度较弱。其光环总数有20个左右，且光环之间有环缝，环缝中有颗粒很小的填充物。光环颜色不尽相同，整体来说，光环均较暗。
海王星处在太阳系的边缘，离地球有45亿千米之遥，我们历来对它知之甚少，在地面上观测它只不过是一个亮点。
“旅行者2”号飞船，实现了对海王星的近距离考察。发现了海王星有8颗卫星，有5条光环，其中2条明亮，3条暗淡。经过分析，海王星光环是由彗星碎片构成的。还发现，海王星上空有与地球大城市上空一样的烟雾。科学家认空这是太阳光照射海王星大气中含量高的甲烷形成的。这种光化烟雾在海王星同温层底部形成了一层150千米厚的冰层。（图142）
“旅行者2”号对海卫，的探测确认，它是太阳系中最冷的一个天体，表面温度为—240℃。它有三座冰山，而且有的还在活动，曾喷出过冰冻的甲烷或其他冰类物质。科学家认为，海卫一冰火山喷发是由其内部升高的液氮压力引起的。
四、遥远的旅行——“先驱者10号”的探测
“先驱者10号”在茫茫太空中遨游了25年，向地面发回有关木星的大量科学数据，它是迄今为止人类发射的空间考察器中飞行时间最长和距离地球最遥远的星际探测器。
“先驱者10号”于1972年3月2日踏上征途，经过1年零9个月的长途跋涉后，穿过危险的小行星带，闯过木星周围的强辐射区，与1973年12月3日与木星相会。它飞临木星时，沿木星赤道平面从木星右侧绕过，在距木星13万公里的地方穿过木星云层，拍摄了第一张木星照片，并进行了十多项实验和测量，向地球发回第一批木星资料，为揭开木星的奥秘立下头功。在木星巨大的引力加速下，直向太阳系边疆飞去。于1989年5月24日飞越过冥王星轨道，带着给外星人的“礼品”——“地球名片”向银河系漫游而去。
“先驱者10号”重量为260公斤。它配有太阳能电池和11台由放射性同位素钚—238作燃料的衰变温度差发电机。该探测器上装有2.7米直径的抛物面天线，对地球定向，发射机用8瓦功率向地面深空跟踪网传输信号。它的原设计寿命只有21个月，其主要使命是实现人类首次对木星的探测。但实际上它的“探测生命”之长，远远超出了人们的预期。“先驱者10号”的最后一次信号是1997年1月22日接收到的，其中已无任何遥测数据。2月7日，宇航局位于加利福尼亚州、澳大利亚和西班牙的巨型天线“深空网络”与该探测器的联络都没有取得任何结果。专家们认为，由于放射性同位素动力源已衰变殆尽，探测器估计已无力再向地球发送信号。美宇航局于是决定放弃与探测器继续联系的努力。
在四分之一世纪的漫漫星际旅行途中，“先驱者10”号创下了诸多的航行纪录。它实现了人造天体对木星的探测。人们知道，无论从体积还是质量，木星都超过其他七大行星的总和，素有太阳系“老大哥”之称。它自转一周仅需9小时50分钟，因而自转速度也居九大行星之首。木星的外表具有美丽的云团大红斑和高于地球20—40倍的强磁场。所有这些都令科学家着迷。然而在此之前，美国和苏联两个航天大国的太空探测器都不曾飞近木星，其原因是环绕木星的有一个小行星带。小行星带区有许多从地面上难以看到的小天体。专家们担心，进入小行星带的探测器很可能遭到碰撞而毁掉。庆幸的是“先驱者10号”安然地进入并穿过火星和木星之间的小行星带，没有受到任何擦伤。1983年，它又第一个飞出太阳系向金牛座飞去，但据估计，它至少还得再飞200万年，才能掠过与金牛座距离最近的恒星。在这之后，科学家仍不定期地与“先驱者10号”联系，并在此基础上试验了一些尖端通信技术。“先驱者10号”还发现：太阳风随距离的增加并不减弱，碰撞加热几乎不损失动能；太阳风暴增长时，日球可以沿磁赤道向外膨胀，其形状极像卵形；当激波和扰动接近曰球边界时，它们可以同目球外面的星际介质堆积在一起；在太阳极大时，能探测到一种神秘的高能氦离子成分，它是渗入日球边界的星风中的中性氦在太阳附近被太阳紫外线辐射电离而成的。此外，该探测器还尝试找寻太阳系内存在第九颗行星的证据，探测能够证明爱因斯坦相对论的引力波。
“先驱者10号”还携带了一张镀金盘，它不仅能反映出太阳系在银河系的位置和太阳系的主要成员，还画有“先驱者10号”探测器的外型、飞行轨迹以及男女地球人的简图。按照科学家的建议，名片上还画有氢元素的谱线，因为氢是宇宙中最普通最丰富的元素，只要外太空存在智慧生物，就一定能看懂氢元素的资料。如果外星人获得这张“名片”，破译了“名片”上的内容，就有可能与地球人取得联系。这是一个多么美好的理想啊。但事实上，宇宙太大了，仅“先驱者”飞出太阳系就用了20多年，即使它能到达离地球最近的恒星，恐怕也要几百万年以后了。
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