航天飞机是NASA在“阿波罗”登月计划结束之后又一个雄心勃勃的太空计划，但该计划是基于不稳定的政治支持和持续的资金削减基础之上的，导致航天飞机的研制工作不得不在艰难中前进。不过NASA最终获得了成功，在1981年进行了航天飞机的首次太空任务。航天飞机在许多方面都表现出令人印象深刻的创新特性，但也因研制中的妥协而为日后的“挑战者”和“哥伦比亚”号悲剧埋下了伏笔……
航天飞机的起源
20世纪60年代，NASA在其头号任务上取得了巨大的成功，把人送上了月球。虽然“阿波罗”登月计划会一直延续到70年代中期，但此时的NASA急需获得一项新使命来保持机构的地位。因为随着阿波罗计划的结束，公众对登月的兴趣会逐渐消退，NASA的影响力必然会降低，随之而来的将是削减拨款和裁员。
NASA花了好几年时间来确定下一步该怎么走。1969年尼克松总统上任后不久，授权成立了一个副总统斯皮罗•阿格纽指导的“太空任务小组”，来确定NASA在后“阿波罗”时代的发展方向。太空任务小组成员包括NASA局长托马斯•潘恩、空军部长罗伯特•西曼斯、尼克松总统的科学顾问李•杜布里奇。阿格纽副总统的存在仅具有象征意义，小组的其他成员觉得他对这件事情了解甚少，也不感兴趣。
1969年9月，太空任务小组发布了研究报告。报告的核心内容展示了一幅沿着20世纪50年代的宏伟愿景路线而绘制的“空间基础设施”蓝图，其中包括空间站、太空拖船、核动力月球和行星运输载具、月球基地等，报告预计美国将在20世纪80年代初开始把人送上火星。而这一切想要成功都基于一个关键要素——可重复使用的载人航天发射系统。该系统一开始被称为“太空运输系统”（STS），而这就是航天飞机的起点。
1969年太空任务小组设想的“空间基础设施”蓝图，已经具有了航天飞机的雏形
其实类似的“可重复使用载具”（RLV）的想法并不新颖。为了解决制造一个昂贵的运载火箭后发射一次就被抛弃的浪费问题，第二次世界大战期间德国火箭科学家就提出了这个设想，在60年代还出现了大量的RLV纸上设想。
大多数设想都采用两架有翼载具的组合，其中第一级载具安装喷气发动机或火箭发动机甚至是两者的组合，背负着安装了火箭发动机的第二级载具。第一级载具升空到达预定的高空高速状态后，第二级载具与第一级分离，依靠自身的火箭发动机把载荷送入轨道。在完成各自的任务阶段后，这两架载具都能自行返航并降落在跑道上。一些设想的两架载具并排连接，就像双胞胎，甚至还有三架载具合体的。也有设想的第二级载具安装有可消耗的火箭助推器。
马丁公司在1963年设想的两级载人航天发射系统，两级都能重复使用，毫不浪费
NASA载人航天（OMSF）办公室主任，乔治•米勒在1969年4月已经组建了一支“航天飞机任务小组”，该小组提出的A阶段航天飞机计划正是按照这种思路设计的，由可回收助推器级和轨道器级组成，安装了火箭和喷气式发动机的两级都能可重复使用。火箭发动机将使用液氧和液氢（LOX-LH2）推进剂。轨道器的后货舱可以装多达11350千克货物，前载人舱可容纳两名机组和12名乘客。
麦克唐纳公司设想的A阶段航天飞机方案
A阶段航天飞机更像是一个通用概念而不是具体方案要求。1970年年初，NASA提出了一个更具体的B阶段方案要求，一开始设想了一种有翼可飞回助推器和轨道器。大型可飞回助推器的尺寸相当于一架大型喷气式客机，背负着较小的轨道器。B阶段航天飞机会有很强的性能，但也将非常昂贵。尼克松政府对太空计划并没有太大热情，一直在削减NASA的预算，航天飞机计划看起来有点像强买强卖。
北美/通用动力公司设想的B阶段航天飞机方案
格鲁曼/波音公司设想的B阶段航天飞机方案
汤姆•潘恩因不满NASA的预算遭削减，在1970年9月辞去局长职务，副局长乔治•楼出任临时局长，直到1971年1月詹姆斯•弗莱彻被任命为NASA新局长。弗莱彻在20世纪50年代末曾在拉莫•伍尔德里奇公司参加了“先锋”月球撞击计划。弗莱彻认为NASA的未来就在航天飞机上，并努力展开游说。
尼克松政府也认识到载人航天飞行很受大众欢迎，NASA需要把航天飞机视为能满足所有参与方要求的国家级航天器。NASA宣称航天飞机具有十个能降低发射成本的优点，但一些研究表明想要降低发射成本必须先达到一定的发射频率，而NASA的成本估算基于每周一次的发射频率。所以批评者对NASA降低发射成本的说法持怀疑态度，在当时，NASA的太空任务并不能填饱航天飞机的胃口。
这么高的发射频率在日后将被证明是无法实现的，现在也无从得知当时弗莱彻和NASA是否再故意夸大宣传，但他们肯定知道该机计划已经暗示航天飞机将取代运载火箭发射美国以后的所有太空载荷，并下决心推动计划的成功。NASA正在进行一次豪赌，他们寄希望于航天飞机在全面运作后能大幅降低发射成本。但其中最大的问题是，这一切都基于全新的、复杂的、未经验证的技术。
光凭NASA的太空任务并不能满足航天飞机的胃口，让航天飞机进行商业发射是个好主意。不过眼前还有一个麻烦，那就是NASA无权控制军事发射，为了实现较高的发射率就必须把美国空军拉上船，让航天飞机成为名副其实的国家级航天器。
谁知空军高层对航天飞机的态度很冷淡，除非该机能满足军方的载荷要求，否则不予考虑。美国空军的有效载荷要求几乎是NASA设想的两倍半——达到了33吨，这意味着航天飞机要做得更大。此外，美国空军还要求航天飞机能在紧急返航种降落在保密基地，不想让飞机装着机密装备到处降落，所以对航天飞机再入大气层后的横向机动能力要求大增。军方甚至要求NASA对整个航天飞机计划进行保密，乔治•穆勒断然拒绝了这一要求。
付出了航天飞机研制大大复杂化的代价后，NASA只获得了空军的一纸承诺。尽管美国空军会在范登堡空军基地建造航天飞机发射设施，但不会为航天飞机研制拨一分钱。NASA觉得范登堡基地地理位置很不错，航天飞机在这里发射能更有效率地进入极地轨道。空军还明确表示会保留“泰坦”运载火箭的发射能力作为备份，他们不打算让美国的军事太空计划完全受制于未经证实的新技术。而且空军要求优先使用航天飞机执行军事任务，当然他们提出的发射频率听起来并不难满足。
就在NASA四处寻求支持时，航天飞机的研制资金却遭遇缩水。1971年5月，美国国会的“管理与预算办公室”（OMB）向NASA增加的预算要求挥出了大斧。NASA不得不修改航天飞机的设计以满足成本目标，从而能继续推动该计划的实施。NASA的努力最终没有白费，1972年1月5日尼克松总统批准了航天飞机计划，就是在十年前，肯尼迪总统批准了“阿波罗”计划。现在NASA又有一个新目标，一开始计划制造7架航天飞机。
取得实质性进展
这一阶段航天飞机设计与B阶段相比在性能上多少有缩水。轨道器沿用先前的设计理念，是一个机身截面为方形的双三角形下单翼飞行器，尾部有一片高大的单垂尾，之所以选择面积较大的双三角翼是为了满足美国空军横向机动要求。航天飞机前端是飞机风格的驾驶舱与乘员舱，之后是一个大型货舱。货舱门分成左右两扇向上打开，可完全暴露出有效载荷。最终，北美罗克韦尔公司获得了轨道器的合同。
轨道器沿用先前的设计理念，是一个机身截面为方形的双三角形下单翼飞行器，尾部有一片高大的单垂尾
航天飞机前端是飞机风格的驾驶舱与乘员舱，之后是一个大型货舱
最终，北美罗克韦尔公司的方案获得了轨道器的合同
但是NASA抛弃了可飞回助推器设计。鉴于现阶段轨道器的尺寸，可飞回助推器要制造得比巨型客机都大，满足性能要求就要面对巨大的技术挑战。所以NASA用捆绑在轨道器两侧的两个巨大的固体火箭推进器（SRB）取代了可飞回助推器。SRB固体火箭推进器耗尽燃料脱离后会打开降落伞溅落海洋，然后经翻新后再次使用。齐柯尔公司获得了SRB固体火箭推进器的研制合同。一开始有人认为采用捆绑式液体燃料助推器将有更好的性能，但最后因为比较昂贵而选择了固体火箭。马丁•玛丽埃塔公司负责制造连接在轨道器腹部的大型外部燃料箱，向轨道器尾部的三台航天飞机主发动机（SSME）提供液体燃料，这些发动机则由罗克达因公司制造。
航天飞机设计在1972-1974年间的演进，NASA已经抛弃了可飞回助推器设计
SRB固体火箭推进器结构图
大型外部燃料箱结构图
SSME发动机燃烧液氢和液氧，每台最大推力2090千牛（213吨），是“土星”V运载火箭J-2型发动机推力的两倍多。SSME发动机只负责把轨道器推出大气层，一旦进入太空后轨道器就切换到轨道机动系统（OMS）推进，后者是麦道公司制造的两台火箭发动机，安装在垂尾两侧。轨道器没有配备喷气发动机，滑翔返回地球并降落在跑道上。这种方式已经在升力体上进行了验证，并且在以后实际操作中也被证明是成功的。
航天飞机尾部有三台SSME和两台OMS发动机
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这是一台完整的SSEM
OMS鼓包内部的燃料罐
航天飞机不仅能把载荷发射入太空，原则上也能从太空捕获载荷带回地球。不过航天飞机只能达到低地球轨道，NASA为此也设想了安装补充助推器把有效载荷送入更高的轨道，甚至是行星际轨道。
航天飞机能在太空滞留相当长的一段时间，所以可以被当成空间站使用。欧洲航天局（ESA）决定研制一个能装入航天飞机货舱中的太空实验室，实验室包括一个供研究人员进行试验的加压舱，以及安装在货舱后方托架上的控制仪器和实验系统，当然也可以只安装托架。1973年8月14日，NASA和ESA正式签署了太空实验室研制谅解备忘录。
欧洲航天局的太空实验室任务/载荷专家们
NASA也打算支持小型业余和学校的太空研究项目，可以利用航天飞机货舱的空余空间发射他们的GAS小型自主装置。为了获得广泛的公众支持，NASA也打算邀请政客、记者、平民、甚至是外国国民加入机组参加太空飞行。
GAS小型自主装置罐，用于容纳千奇百怪的太空实验装置
人们对航天飞机的设计还是有许多顾虑，有人指出SRB固体火箭推进器在点火后就不可能被关闭，一旦出事将会导致灾难性的后果。但NASA还是决定不给航天飞机配备完整的乘员救生系统，仅仅是因为该系统会增加约3000万美元的成本，所以航天飞机成为美国第一种没有完善救生设施的载人航天器。
航天飞机原计划安装的弹射救生系统，正副飞行员有单独的弹射座椅，其他乘员则依靠弹射救生舱逃生
航天飞机的硬件庞大复杂、未经验证。任何工程师都能看出来发展这样一个雄心勃勃的计划而不经中间系统的验证纯粹就是自找麻烦。实际上休斯敦约翰逊航天中心的一队人马一直在推动首先研制一种较简单的可重复使用航天器，但因为政治原因而被否决。NASA也从技术和财政角度审视了发展只能把小型载荷送入轨道的第一代航天飞机的问题，但觉得该方案过于保守。由于低成本，该项目也不会使NASA获得较高的预算支持，所以缺乏任何吸引力。
不管怎样，NASA似乎已经在生存之战中获胜。航天飞机的拨款在1972财年是1亿美元，到1973财年正式开始发展时增加到1.99亿美元。然后，1974财年攀升至4.75亿美元，1975财年是7.975亿美元，1976财年是12亿美元。但仅靠加大资金投入是不够的，航天飞机的研制是一个复杂的系统工程，该计划也没有获得来自政界或军方的热情支持。总之，NASA获得了天时地利，却失去了人和。
遭遇的问题
尽管航天飞机计划存在诸多不足，但NASA仍坚定推进研制工作。航天飞机是一个非常雄心勃勃的设计，不仅采用了大量全新技术，而且预算也不足，所以研制工作遭遇了困境。
其中最大的难点是航天飞机SSME主发动机。罗克达因公司的保罗•卡斯滕霍尔茨负责SSME发动机项目，他曾领导了“土星”五号的J-2发动机的研制计划，经验丰富。一开始SSME发动机的研制进展看上去很顺利，1974年5月第一台完整的SSME样机被架在试车台上开始首次试车，按计划成功运行了半秒钟。
正在测试中的SSME发动机
谁知道发动机在持续最大推力测试中出了问题，无法达到最大推力状态。其中最主要的原因是输送推进剂的涡轮泵功率不足，尽管涡轮泵的最大功率达56700千瓦（76000马力），但还是无法满足SSME发动机对推进剂的渴求。
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高压燃料涡轮泵结构图
这些涡轮泵中的液氢泵还遭遇其他一系列的麻烦，第一个问题是驱动轴会在轴承支座中振动，花了八个月的时间来解决。然后是轴承冷却系统问题，轴承是由泵送的液氢冷却，但事实证明冷却通道设计不足，于是又花了六个月重新设计。最后涡轮叶片又出现了裂纹，最后查明是振动导致，也花了六个月的时间来解决。
涡轮泵中的液氧泵也是问题缠身，在试车中出过导致SSME发动机起火的重大故障。要知道高压液氧只要有一点泄漏就会导致燃烧，发动机起火后会烧的什么也不剩，无法让设计团队分析故障原因。最后设计师们发现了液氧泵的一个旋转密封圈因意想不到的摩擦而出现泄漏，在安装新的密封圈后解决了这个问题。之后设计团队又发现液氧泵的轴承也有振动问题，同样会引发火灾。在花很大代价进行修改后，涡轮泵的问题被逐渐解决。
航天飞机模型的风洞测试
到1977年春，大多数涡轮泵问题都已得到了解决，但没人觉得研制工作已经走出困境。按照原计划，航天飞机在1978年3月就要进行首次发射，但所有人都知道这已不可能。雪上加霜的是，国会预算办公室此时又宣布削减3亿美元的航天飞机计划经费。NASA能做的就是提出“以成功为导向的管理”官僚政策，也就是说，航天飞机此时已经变成了一个事先假定所有一切都会顺利进行的乌托邦计划，然后所有人都屏住呼吸，祈祷不出事情。
1978年3月很快来临，此时已经没人指望航天飞机能按时发射了。1978年12月，一台SSME发动机在静态测试时炸毁，追踪到液氧阀和热交换器出现了问题。阀门故障很容易理解和解决，但热交换器的问题则令人费解，难以明确原因。
1979年5月和7月，又接连发生事故，不过设计团队已经找出了发动机问题所在，正在攻关解决。航天飞机要安装三台SSME发动机，所以下一步静态测试是三台发动机联合试车。1979年11月，一次联合测试失败，随后在12月终于完成了一次成功测试。
正在安装SSME的航天飞机
1980年，前总统卡特（中）向弗罗施（又）颁发国家航天俱乐部戈达德纪念奖
弗罗施面临着严重的问题，他自己也在质疑航天飞机计划的合理性，他觉得应该由私人企业而不是政府来做这项研究工作。卡特总统不是一位航天爱好者，他的科学顾问弗兰克·普雷斯同样也不是，但更大的压力来自国会预算办公室，该机构从未给过NASA好脸色看，甚至可以说是已经彻底对立了。
好的一方面是卡特总统比较认真和坦诚，弗莱彻在尼克松当政时期没有获得一场为NASA博取同情的听证会，但弗罗施做到了。尽管卡特总统并不了解航天飞机计划，但他愿意倾听，而且卡特的技术背景使他比白宫椭圆形办公室的其他官员更容易理解航天飞机的意义，但卡特并不认为这值得让政府进一步做些什么。
总之，事情并没看上去的那么顺利。但让人没有想到的是，军方挽救了航天飞机。尽管美国空军对航天飞机并不热心，但卡特政府的国防部长哈罗德·布朗却是该计划的坚定支持者。布朗找来即将担任美国空军副部长的NASA加州艾姆斯中心主管汉斯·马克博士，把他发展成航天飞机的忠实粉丝。空军部长罗伯特·西曼斯曾说：“汉斯·马克真吃他哪一套，很容易就咬钩了......要知道空军历来都是用运载火箭的。”
马克的热情对NASA来说好坏参半。马克是一名德国犹太人，在战前十几岁时就已经移民美国，成为像弗罗施这样的具有美国核武器项目背景的物理学家。马克是鹰派，非常亲近军方，以至于许多NASA官员认为他想把NASA卖给五角大楼。一些NASA高层也不信任他，称其为“狡猾的小兔崽子”。讽刺的是，空军高层也不喜欢马克，因为他们不喜欢他推销航天飞机的方式。
汉斯·马克博士成为了航天飞机的热情推销员
此时卡特总统正在签订武器控制协议而与苏联讨价还价，该协议暗示了一种核实苏联武器规模的一种手段——间谍卫星。国防部长布朗得以说服卡特：航天飞机是把大型间谍卫星送入轨道以及对其进行太空维护的最佳手段。1978年5月，卡特签署了促进航天飞机继续发展的PD/NSC-37号总统令，次年他增加了航天飞机计划的拨款。该计划的最终成本将约为100亿美元，两倍于原来估计。
航天飞机是把大型间谍卫星送入轨道以及对其进行太空维护的最佳手段
NASA已经拯救了航天飞机计划，付出的代价是军方参与的加深。艾森豪威尔总统创建NASA时，该机构并不是来执行军事任务的，而是一个怀有和平目的开放性组织。而现在航天飞机则因其主要的军事目的而饱受批评。
70年代的NASA已经偏离了艾森豪威尔总统创建该机构的初衷，由于压力、缺乏资金、士气低落，以及大量人才离开了机构前往航空航天工业发展。NASA在20世纪60年代建立起来的与承包商的良好关系也逐渐被侵蚀，承包商的工作很少或根本没有受到监督，他们的守则、纪律、质量逐渐被荒废。
不过NASA在20世纪70年代还是取得了一些成就，该机构在行星探测计划上取得一些重大成果，特别是在1975年发射的两个“海盗”号火星探测器。每个探测器由一个轨道器和一个着陆器组成，使命是绘制火星地图和拍摄火星表面的景象。而在1979年发射的两个“旅行者”外行星探测器中，“旅行者”2号无疑成为20世纪最有价值的空间科学任务，传回了所有四个外行星的壮观画面。当然NASA的其他空间科学和技术任务也是很有价值的，但这一切都被艰难前行的航天飞机计划夺去了光芒。
携带着陆器的“海盗”号轨道器
“海盗”号着陆器模型
“海盗”2号着陆器拍摄的火星表面
1977年8月20日，由“泰坦IIIE”运载火箭发射升空的“旅行者”2号
航天飞机下线
继SSME发动机之后，航天飞机在研制中又遭遇另一个拦路虎，这就是航天飞机的热防护系统。航天飞机轨道器是有史以来人类设计的最大的可控再入航天器，也是第一种可重复使用的航天器。较小的“双子座”和“阿波罗”太空船在再入中使用了烧蚀防护盾，但这个盾非常重而且是一次性的，并不适用于可重复使用航天器。
航天飞机的解决方案是用熔融石英玻璃纤维制造的隔热瓦，隔热瓦用胶水粘在航天飞机外表面，在再入过程中承受最严峻的气动加热考验。每架航天飞机需要贴31000片这样的隔热瓦，都必须手工精心装配，即使施工过程没有出现任何错误也要消耗掉难以计数的工时。在粘贴过程中，总是会有已贴好的隔热瓦脱落，结果使整个贴隔热瓦工作看起来是无休止的。
航天飞机再入时的表面温度分布
航天飞机表面隔热材料的粘贴位置
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航天飞机底部隔热瓦的结构
黑色是用于下表面的耐高温隔热瓦，表面涂有一层黑色，白色是用于上表面的低温隔热瓦
烧红了手摸也没事
每架航天飞机需要贴31000片这样的隔热瓦，都必须手工精心装配
航天飞机计划在痛苦中向前推进，NASA先期制造了一架不能进入太空的航天飞机原型机用于工程发展和滑翔测试。这架原型机被命名为“企业”（一说“进取”）号，于1976年9月下线。“企业”号既没有贴耐热砖也没有安装SSME发动机（尾部安装了发动机模型），尾部还可以安装整体整流罩。1977年，“企业”号在爱德华兹空军基地的NASA德莱顿飞行中心开始试飞，该机共进行了5次滑翔测试，其中第一次在8月12日进行，测试机组为宇航员弗雷德·海塞、戈登·富勒顿、乔·恩格尔和迪克·屈利。
为了进行滑翔测试，“企业”号需要由改装过的波音747客机驮载升空，这架波音被称为航天飞机载机（SCA）。NASA改装了两架747，拆除所有不必要的设备，换装更强大的发动机，机背增加航天飞机运载支架，安装了必须的仪器，平尾两端还增加了辅助垂直安定面。波音747 SCA驼载航天飞机起飞将打破了二战德军“槲寄生”组合飞机创造的所有纪录。在正式进行航天飞机滑翔试飞前，SCA和航天飞机组合先要通过一系列的测试飞行。
在航天飞机进行首次滑翔试飞前，有批评者担心航天飞机在分离时会直接撞到747的垂尾上，但NASA的一位曾为“水星”计划做出突出贡献的航天工程师——马克思·费格特表示无需担心，事实证明他是对的。“企业”完成滑翔试验后被用于地面试验好几年，随后被公开展出，最终于1985年移交给史密森学会永久保存。
其实NASA并不想把第一架航天飞机命名为“企业”号，该机构原本想命名为“宪法”号以纪念美国海军第一艘真正的军舰，以及1976年美国建国两百周年。谁知一大群电视剧《星际迷航》的粉丝写信给美国总统杰拉尔德·福特，要求把第一架航天飞机以电视剧中的飞船“企业”号来命名，总统同意了。NASA的官员对此感到不满，他们并不想航天飞机与什么科幻电视剧有关联，白宫安抚NASA说“企业”也是美国海军沿用依旧的军舰名。实际上，《星际迷航》的粉丝在得知“企业”号永远不会进入太空后也感到很沮丧。
“企业”号的命名成为了一个小插曲。在众人的期盼下，1979年的春，第一架生产型航天飞机“哥伦比亚”号下线了，两年后该机准备好了第一次发射。
“企业”号于正在制造的“挑战者”号航天飞机
1976年，《星际迷航》演员参加“企业”号下线仪式
波音747 SCA示意图
1977年8月12日，“企业”号进行了首次滑翔试飞，顺利降落在爱德华兹空军基地
1977年，“企业”号进行的第四次滑翔测试，这次没有装尾部整流罩
航天飞机的其他组件也陆续到位。为了把商业通信卫星从航天飞机的低地轨道发射到地球同步轨道，NASA设计了一个被称为“载荷辅助模块”（PAM）的简单固体燃料助推器。而美国空军正在着手研制一个更大的两级助推器，最初被称为过渡上面级（IUS），因为空军预计最终会得到一个比IUS更大更好的助推器。最后IUS更名为惯性上面级（缩写同样是IUS）。IUS用于把国防部重型载荷发射到高轨道上，也可以为NASA发射行星探测器。
PAM初始型号PAM-D的发射质量为2141千克，推力67.2千牛。PAM也被被当做“德尔塔II”火箭的上面级。更强大的PAM-D2发射质量3697千克，推力107千牛，同时也是“泰坦III”的上面级。
IUS由波音公司制造，约5.2米长，发射重量大约14.7吨，第一级提供186千牛的推力，第二级提供76.5千牛的推力。有效载荷能力在地球静止轨道是2400千克，在行星际轨道有效载荷达3630千克。
美国空军和NASA之间的关系并不融洽，IUS计划进行得并不顺利，而且IUS还要面对来自NASA的竞争对手——更先进的“半人马”G基本型助推器。“半人马”改装自“阿特拉斯-半人马座”运载火箭的助推器，使用液氧-液氢推进剂，推力并不比IUS大，但可以多次启动。
但把一个液体燃料助推器装进航天飞机货舱中的想法不仅存在技术问题，也非常危险。如何加注燃料？一旦中止任务需要排空燃料降落又该怎么办？一些NASA官员强烈反对“半人马”G，宣称除非踏过他们的尸体，否则“半人马”别想上航天飞机。有些宇航员甚至表示如果要执行搭载“半人马”的任务，他们就会辞职。人们关于IUS和“半人马”的争论持续了好几年，最后在1986年“挑战者”号灾难后，“半人马”被彻底取消。
载荷辅助模块（PAM）
安装了PAM的人造卫星
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安装在“伽利略”号太空船下方的惯性上面级（IUS）
独立的惯性上面级（IUS）
这是最为夸张的“半人马”G基本型助推器
NASA航天飞机计划的另一个重点是更新陈旧的载人航天通信网络来支持航天飞机任务。NASA计划取消大部分地面站，因为这些地面站只能覆盖15％的航天飞机轨道。取而代之的是三颗地球静止轨道通信卫星组成的网络，被称为“跟踪与数据中继系统”（TDRS）。不幸的是，TDRS卫星发展计划遭遇了困难和超支，部分原因是美国空军强加NASA的保密通信要求。
航天飞机发射
航天飞机的首次轨道发射是1981年4月12日，此次任务“哥伦比亚”仅搭载了两名乘员：“阿波罗”老将约翰·扬和来自空军载人轨道实验室项目的鲍勃·克里平。克里平来自美苏合作的“阿波罗-联盟”测试计划，这是他的第一次太空任务。
航天飞机的轨道器、外部燃料箱以及SRB在“阿波罗”项目航天器装配大楼中组装在一起并完成了检查，随后“土星五”火箭的巨型履带式运输车运输到发射场。4月10日，航天飞机被上下擦洗一新。4月12日，有上百万人聚集在肯尼迪航天中心观看航天飞机的首次发射，人群中有克林特·伊斯特伍德、丽莎·米内利、史蒂芬·斯皮尔伯格、乔治·卢卡斯、帕特·布恩和约翰·丹佛等好莱坞明星。这次发射非常壮观，两枚SRB推动航天飞机直冲云霄，留下两道长长的羽烟久久不能散去。
航天飞机的爬升速度非常快，以至于在发射后就要稍稍“收油门”以降低机身所承受的应力。在升空两分多钟后，SRB与轨道器分离，打开降落伞落入海中等待回收。轨道器的主发动机继续消耗着外部燃料箱的燃料爬升，很快燃料箱被耗光后抛弃，此时离点火升空还不到9分钟。燃料箱在印度洋上空瓦解。轨道器然后依靠OMS轨道机动系统入轨，一切都按计划进行。
巨型履带式运输车把“哥伦比亚”号运输到发射场
这次发射非常壮观，两枚SRB推动航天飞机直冲云霄，留下两道长长的羽烟久久不能散去
随着“哥伦比亚”号降落在爱德华兹的干湖床上，人类进入了航天飞机时代
这是1975年“阿波罗-联盟”测试计划以来美国的首次载人航天飞行，发射日期也正好是苏联宇航员尤里·加加林第一次太空任务20周年。“哥伦比亚”号的这次试飞任务验证了航天飞机的可靠性。这次任务被命名为太空运输系统-1（STS-1），这种命名系统被一直延续了下去。但STS编号会与航天飞机发射顺序不一致，只是反映任务的规划顺序，而不是实际发射顺序。在1984年到1986年，NASA采用了一种不同的编号方案，STS后的第一位数字代表年份，然后跟一个代表发射场的数字（“1”代表肯尼迪航天中心、“2”代表范登堡空军基地），最后以代表年度发射任务顺序的字母为结尾。例如“STS-41-B”就代表1984年在肯尼迪航天中心进行的84财年第二次发射任务。
话题再转回STS-1任务，在升空过程中，两名航天员身着大卫·克拉克公司的S1030A弹射逃生套装（EES）宇航服坐在洛克希德公司制造的弹射座椅上。EES看起来很像SR-71“黑鸟”侦察机飞行员穿的增压服，而弹射座椅也是SR-71 SR-1弹射座椅的改型，不过只能在相对较低的高度和速度下成功弹射。
STS-1任务历时两天。在任务结束时，轨道器转向以机尾前行的姿态，然后两台OMS轨道机动系统推进器点火降低轨道速度，然后轨道器再次转成机头向前。轨道器在距着陆点加州爱德华兹空军基地5635公里时以抬头姿态进入大气层，依靠机身下表面的隔热瓦来吸收大气摩擦热量。炽热的等离子体流笼罩着轨道器，导致通信中断十分钟。一旦轨道器冲出黑障，就开始了远程滑翔，直到最后降落在爱德华兹的干湖床上。
在发射前，杨被告知航天飞机发生严重事故的几率是50%，宇航员迈克·穆莱恩后来说：“杨和克里平就是小白鼠，完成了前无古人的任务。”STS-1任务大体令人满意，最糟糕的问题在SRB点火时震落了16片隔热瓦，损坏了另外148片。工程队立即着手解决此问题，随后“哥伦比亚”号被波音747航天飞机载机驼回肯尼迪航天中心。
“企业”号驾驶舱内的弹射座椅
11月12日，“哥伦比亚”号在肯尼迪航天中心进行了第二次试飞，STS-2任务同样耗时两天，机组同样是两人，包括迪克·屈利和来自“阿波罗-联盟”测试计划的乔恩·格尔，这是他们两人的第一次太空任务，也是史上第一次同一航天器的第二次发射。
STS-2搭载了一些有效载荷进行实验，其中有航天飞机成像雷达（SIR-A）、货舱中的加拿大遥控机器人手臂系统（RMS，也称“加拿大太空臂”Canadarm）。这次任务前，“哥伦比亚”号的隔热瓦已经得到改进，所以没有脱落一片，但有16片损坏。
STS-2任务首次测试了加拿大太空臂
1982年NASA进行了另外两次试飞任务，首先是3月22日的“哥伦比亚”/STS-3。这次任务历时八天，“哥伦比亚”搭载了一个空间实验室托盘和“航天飞机学生参与计划（SSIP）”的第一个有效载荷，从此在未来航天飞机任务中，SSIP成为常见载荷，在激发青少年航天兴趣方面发挥了重要作用。
STS-3也是第一次使用无涂装外部燃料箱的任务。在STS-1和STS-2任务中，燃料箱被漆成白色，由于油漆增加了超过四分之一吨的重量，所以STS-3的外部燃料箱取消了油漆，呈现出橙色保温泡沫的底色。STS-3预定降落在爱德华兹空军基地，但由于洪水被迫降落到白沙，这也是航天飞机唯一一次降落在该地。航天飞机 在任务中被轻微损坏，维修后被747运回肯尼迪。
STS-3任务首次采用了橙色外部燃料箱
航天飞机在任务中被轻微损坏，维修后被747运回肯尼迪
“哥伦比亚”/STS-4在1982年6月27日发射，任务历时7天。“哥伦比亚”号的货舱中搭载了一个秘密的军事载荷，同时也首次搭载了GAS小型自主装置罐子，从此这种罐子也成为航天飞机的常见载荷。
随着STS-4的归来，NASA宣布航天飞机投入服役。航天飞机在1982年11月11日开始了第一次正式任务，这次“哥伦比亚”/STS-5任务历时五天，把两颗通信卫星送入轨道，每颗卫星打开自己PAM助推器上升到地球静止轨道。在STS-5和之后的任务中，航天飞机放弃了弹射座椅和逃生服，机组们不再穿着特殊的防护服装，而是身穿蓝色NASA飞行工作服和大卫·克拉克公司发射/再入头盔（LEH），这为以后“挑战者”和“哥伦比亚”号的悲剧埋下了伏笔。
批评者认为四次试飞并不能证明航天飞机具有了服役资格，任何商用和军用飞机都要经过远为严格的试飞才能投入使用。
1986年，“挑战者”STS-51-L任务机组身穿蓝色NASA飞行工作服，手持大卫·克拉克公司发射/再入头盔（LEH）
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