在绕地球轨道运行 7 天后，航天飞机轨道器现在面临着其任务中最艰难的部分。这是一次穿越地球高层大气的地狱般灼热的旅程。
在那里，它将以极快的速度飞行，以至于撕裂空气分子，在飞机周围形成一层过热等离子体。
重返大气层是航天飞机真正成为独一无二的航天器的时刻。
航天飞机是一个激进的全新想法。一艘不仅能够承受重返大气层的巨大高温，还能转换为空气动力学飞行的航天器，这需要精心设计机翼和尾翼，平衡无动力滑翔机和重返大气层飞行器的需求。
这就是重返大气层的疯狂工程。
重返大气层程序始于航天飞机倒置并向后飞行时轨道机动系统发动机燃烧2-4分钟。
由于轨道速度约为每秒7公里，OMS吊舱只需将轨道器的速度降低每秒0.1公里，即其速度的1.3%，即可将其轨道降低到足以使其与地球高层大气发生碰撞的程度。
这是一项精确的机动；如果减速太少，轨道器就会超出其狭窄的成功窗口，掠过稀薄的高层大气，并有可能反弹回太空。毕竟，轨道器有产生升力的机翼。如果减速太多，轨道器就会过快地穿过大气层，在获得足够的速度之前就到达厚厚的低层大气，导致灾难性的过热。这个狭窄的进入窗口被称为进入飞行走廊。
一旦精细的回火程序完成，再入的下一阶段就开始了。反应控制系统将航天飞机翻转过来，并将其置于向上40度的俯仰角，准备进入地球大气层。
以30倍音速进入高层大气。如此之快的速度开始撕裂空气分子，在轨道器下表面周围形成一团炽热的带电等离子体云。峰值温度可达1650摄氏度（3000华氏度）。
此前从未有人尝试过这样的技术。
像迄今为止所有其他纯粹为热防护而设计的钝体返回舱一样，钝体返回舱是一项工程挑战，但如果加上飞机的需求，这项任务就变得更加困难。
值得庆幸的是，NASA在1959年用X-15进行了试运行。它是人类历史上速度最快的飞机，它增进了我们对高超音速飞行的理解，并为航天飞机的设计提供了许多经验教训。
然而，X-15 比航天飞机有一个主要优势。它不需要自行发射到轨道。它甚至不需要从地面发射。
而是从 B-52 的腹部发射。
这使得 X-15 能够使用最先进的耐热航空航天金属 Inconel X，其最高工作温度为 980 摄氏度（1800 华氏度）。航天飞机无法使用这种金属。Inconel X 太重了，比同等铝制机身重约 180%。对于一架设计用于送入轨道的飞机来说，这是一个巨大的问题。
因此，航天飞机的机身并非采用 Inconel X 合金制造。它是由轻质铝制成，其最高工作温度仅为 177 华氏度（约 74 摄氏度），比 Inconel X 合金低 5 倍。
在重返大气层的长时间飞行中，轨道器将承受比 Inconel X 高 10 倍的温度。
更糟糕的是，X-15 项目吸取的一个主要教训是，为实现最高速度飞行而喷涂在飞机上的热粉色泡沫烧蚀涂层完全不适用于航天飞机。
烧蚀涂层是一种牺牲性材料，其设计目的是逐渐燃烧并从飞机上脱落，同时将热量带走。
然而，X-15 的烧蚀涂层有一个可怕的缺点，它会从机头烧掉，并开始附着在驾驶舱窗户上，导致飞行员完全失明。这带来了一些问题。X-15 的工程师们一度考虑在窗户上安装一个小型炸药，故意炸开外层玻璃，以炸掉被烧蚀涂层染色的窗户，只留下内层玻璃以便着陆。值得庆幸的是，他们想出了一个风险小得多的解决方案：在左侧窗户上安装一个机械“眼睑”，使其保持关闭状态，直到飞行的高速阶段结束。
这样一来，飞行员就可以用一个干净的窗户着陆。这个极其原始的解决方案带来了稳定性问题，因为打开的“眼睑”就像鸭翼一样，导致飞机上仰、右滚和右偏航。更可怕的是，这种涂层与液氧混合后会爆炸，即使是轻微的撞击也可能引发爆炸。对于一架需要液氧氧化剂才能运行的飞机来说，这是一个巨大的安全隐患。如果飞机装满了50万升液氧，危险性将成倍增加。
烧蚀材料也不可重复使用，这将大幅增加两次飞行之间整修航天飞机的成本。航天飞机需要改进。
当航天飞机下降穿过大气层时，它的机头和机翼承受了再入热量的冲击。它们周围形成的高压冲击波形成了一层过热等离子体，如果这些热量设法进入轨道器内部精密的铝制框架，一切就都完了。这正是哥伦比亚号航天飞机由于机翼前缘受损而遭遇的情况。
保护轨道器表面的第一步是使这种过热等离子体尽可能远离表面。轨道器的机头、机翼和腹部都经过精心设计，以确保冲击波不会被阻挡。
我们可以通过纹影成像看到这一点。
一个尖头导弹状飞行器高效地穿透空气，并在飞行过程中产生冲击波，冲击波以由其马赫数决定的角度附着在机头上。
这个冲击波实际上是一个极高压力的区域，而伴随这种压力而来的是极高的温度。
这可能会造成灾难性的后果，正如美国国防高级研究计划局（DARPA）在2010年和2011年两次测试其尖头高超音速再入飞行器HTV-2时所经历的那样。在重返地球大气层后的9分钟内，两艘航天器均因1930华氏度（约83摄氏度）的高温穿透金属外壳而解体。
HTV-2完成了收集高超音速飞行数据的任务，但航天飞机不仅需要在这种飞行模式下生存，而且还要在尽量减少维修的情况下反复进行这种飞行。钝体设计可以将很大一部分热量阻挡在飞机外壳之外。钝体设计会产生圆形弓形激波，并在航天器和激波之间形成一层隔热低压空气，从而降低传热速率。因此，航天飞机的表面经过精心设计，以利用这种现象。圆形机头横截面逐渐过渡到钝三角形。
这种形状最大限度地减少了到达航天飞机防护较弱侧壁的热量，因为侧壁采用了低温隔热材料。
我们现在进入再入程序7分钟了，高度下降了50公里，但速度仅以每秒0.5公里的速度下降，我们已进入再入热量最大的阶段。
速度和大气密度的交汇。
航天飞机周围的过热等离子体层阻碍了与内部计算机和宇航员的通信。这是等离子体中的自由电子干扰电磁通信技术的结果。
这个问题将持续12分钟。
目前，航天飞机依靠自己的遥测数据运行。确保保持40度的攻角。以每秒 6.5 公里的速度控制这个角度绝非易事。需要一个巨大的控制面。外翼上的升降副翼不够用。
这时，后机身襟翼就派上用场了。它是航天飞机主发动机下方的一个巨大的控制面，覆盖着高温隔热材料。
机身襟翼还兼作航天飞机主发动机的隔热罩。由于没有冷却液氢流过喷嘴，
需要襟翼来保护发动机免受再入大气层热量的影响。
在航天飞机的第三次飞行中，柯伊伯机载天文台在轨道器再入时飞到其下方，并拍摄了其灼热腹部的红外图像。一项用于验证 NASA 新开发的计算方法和实验测试的实验程序。
它观察到的情况如下 [REF] 机头和前缘的温度高达 1500 摄氏度。远远超出了机身下方铝制机身的承受能力。这些前缘要经受最热的温度，因此需要使用整个航天飞机上最耐热的材料——增强型碳-碳复合材料。这是在X-15和航天飞机研发之间的几年里创造的令人惊叹的材料之一。
这种碳复合材料经过特殊的后处理步骤制造而成。
它最初的制造过程与其他碳纤维部件一样。碳纤维编织物模压成型，并与树脂粘合在一起。然而，如果不进行特殊处理，重返大气层时的热量会使碳氢树脂着火。后处理步骤可以解决这个问题。
将碳复合材料放入真空室并加热，使碳氢树脂分解，释放出氢，留下纯碳层。石墨。碳纤维由石墨迷宫粘合在一起。坚固耐用，能够承受1510摄氏度的高温。它们直面高超音速飞行的酷热。
轨道器机翼的前缘由22块这样的碳纤维板组成。密封条覆盖了每块板之间的膨胀缝，这是X-15研发过程中吸取的一个惨痛教训的重要解决方案。
为了研究高超音速飞行的热量，X-15被涂上了一种特殊的热反应涂料。一次飞行后，X-15返回时，前缘膨胀缝处出现了奇怪的楔形图案。
前缘的小间隙使铬镍铁合金蒙皮能够随机翼弯曲变形而不会变形。这种局部加热是由于湍流引起的，湍流增加了向飞机金属蒙皮传热的速率。为了解决这个问题，在膨胀间隙上放置了小的铬镍铁合金浮动条。
这些增强碳条的作用完全相同。然而，还有一个问题。碳是一种导热材料，并不适合用作隔热罩。航天飞机已在大气层中飞行了15分钟，但仍以每秒6公里的速度飞行，并且尚未通过飞机周围的等离子云重新建立联系。
这是一种持续的热量，由于碳具有导电性，这些热量可能会在这段时间内传递到铝制机身。
如果这些碳碳屏蔽层直接安装在机身上，热量就会直接与金属接触，使其温度超过其最高工作温度。
为了防止这种情况发生，面板上安装了铬镍铁合金连接点，并通过铬镍铁合金螺栓将其固定在铝制机身上。
铬镍铁合金主要由钢制成，是热的不良导体，可以吸收碳部件传递给它的热量，而不会轻易将热量传递给铝。
然而，这还不足以保护航天飞机的内部，碳碳屏蔽层下面还放置了一层隔热瓦。
整个轨道器底部都使用了相同的隔热材料。
哥伦比亚号航天飞机配备了32000块这样的隔热瓦，分为低温瓦和高温瓦两种，颜色为白色和黑色。这两种隔热瓦均采用相同的基材制成。
厚度仅为几毫米的二氧化硅纤维，其体积仅占隔热瓦的10%，其余90%则完全由空气构成。
这是一种极佳的隔热材料，由一种耐高温材料制成的厚而轻的隔热瓦。
这些隔热瓦的不同之处在于涂层。安装在航天飞机下部的黑色隔热瓦表面覆盖着黑色的硼硅酸盐和四硼硅化物玻璃涂层。
这种黑色涂层有助于在热量传导到脆弱的内部结构之前将其散发出去。黑色的原因与SR-71相同，即基尔霍夫辐射定律。
这条定律告诉我们，一个好的红外热吸收器，基本上任何黑色物体，也是一个同样有效的热辐射器。由于高超音速飞行获得的热量远远高于太阳辐射获得的热量，因此优先考虑向外辐射热量，而不是尽量减少太阳辐射获得的热量。
那么，为什么航天飞机不像SR-71那样整个都是黑色的呢？
航天飞机与SR-71有一个重要的区别，那就是它离开了地球大气层。一旦离开地球大气层，太阳辐射的强度就会急剧增加，轨道飞行器最长的任务时间是17天，这些热量有足够的时间传导给内部人员。
轨道器确实有巨大的散热器面板来将热量散发到太空，但为了尽量减小它们的尺寸，我们希望将尽可能多的热量反射回太空，因此它们是白色的。这些瓷砖上涂有类似的玻璃涂层，但添加了氧化铝添加剂，使其呈现白色。这些涂层还有助于防水，并增强这些多孔瓷砖的强度。
这些瓷砖像一个巨大的精密拼图一样组装起来，由32,000块碎片组成。每块瓷砖都被分配了一个与其位置、形状和厚度相对应的序列号。
这些瓷砖的制作方法是将类似棉花的二氧化硅纤维与水混合，然后将混合物浇铸成大块，然后在微波炉中烘干。干燥后，它们可以切割成更小的薄片。
瓷砖的厚度从25毫米到127毫米不等。127毫米厚的瓷砖可隔热高达1280摄氏度。
然后，根据分配的序列号，使用计算机控制的铣床将这些板材加工成精确的形状。
现在，我们即将结束通信中断，足够的再入热量已经到达铝制机身，使其膨胀。一个主要问题是，这些瓦片丝毫不具柔韧性，而且非常脆弱。膨胀的机身很容易压碎瓦片，并为过热气体打开一条通道。
工程师们需要一种方法，让结构在瓦片下方移动，而不会导致瓦片脱落。
为了做到这一点，首先将瓦片分组粘合到一层柔性诺梅克斯毡上。
这种Nomex织物允许下方结构弯曲，从而使毛毡下侧膨胀，而不会将应变传递到固定在瓦片上的上层。然后使用相同的粘合剂将这些瓦片和毛毡固定到航天飞机上。
一种市售的高温RTV粘合剂。一种鲜红色的硅酮基粘合剂。
为了防止瓦片之间发生碰撞，留出了0.64毫米到1.9毫米之间的间隙。
值得庆幸的是，膨胀间隙引起的湍流问题主要影响机翼前缘，因此这些间隙没有在航天飞机外部覆盖。
在暴露于较低温度的区域，使用了柔性隔热板。它由耐高温二氧化硅和诺梅克斯纤维制成，形成一种柔韧的织物，并用相同的纤维缝合在一起，呈现出绗缝毯的外观。诺梅克斯织物能够耐高达370度的高温，而二氧化硅织物则能够承受高达650度的高温。它们比瓷砖更轻，也更容易更换。再次用鲜红色的硅酮RTV粘合剂直接粘合到结构上。
我们现在已经脱离通讯中断，速度接近4公里/秒或12马赫，高度约为45公里。大约是客机巡航高度的4倍。
轨道器在整个过程中一直保持40度的攻角。[第239页]被迫保持如此大的攻角会带来一些控制问题。轨道器需要从轨道精确地降落在跑道上。在机头向上的情况下控制其轨迹将会非常困难。
尤其对于一个一旦被阻力消耗殆尽就无法补充能量的滑翔机来说。
如果航天飞机想要降低升力并更快地降低高度，它就不能降低攻角，
因此航天飞机需要一种特殊的方式来调整其轨迹以瞄准着陆区。
轨道器通过倾斜来降低升力。这将升力分解为垂直和水平分量。减少升力使航天飞机保持在空中，并用使其侧向移动的升力来交换。
这就是典型的再入飞行剖面图。这条线是攻角，在12马赫之前保持稳定，然后随着它下降穿过厚厚的低层大气而逐渐减小。这是倾斜角。
当轨道器从轨道上坠落时，它会剧烈地左右倾斜。里面的宇航员已经是向上倾斜40度了，但他们并没有侧身向上倾斜70度。轨道器实际上是在进行历史上最快的漂移。
在如此高的大气层中以高超音速飞行会有一些奇怪的情况。
倾斜角控制实际上是与正常控制相反的。如果我们将右升降副翼向下偏转，它应该会增加右翼的升力并导致右翼上升，使飞机逆时针倾斜，但事实并非如此。
当升降副翼向下偏转，进入已经被压缩的高超音速空气中时，会导致外翼阻力上升。这会导致轨道器机头转向该方向。当机头转向偏转的升降副翼方向时，它会保护该机翼，并导致升力下降，最终导致航天飞机向该方向倾斜。因此，向下偏转的升降副翼通常会导致机翼升力增加，而在这里，通过一系列事件，它会导致升力减少。工作原理相反。当然，这个倾斜角会导致轨道器偏离着陆目标，为了纠正，它需要向另一个方向倾斜。轨道器现在已减速至3马赫，此时机组人员部署了大气数据传感器以协助最后进近。
两个探头从机头两侧的隔热罩下方旋转，为飞行计算机提供空速、攻角和温度数据。此时，轨道飞行器像飞机一样飞行，但它不是飞机，而是滑翔机，机组人员需要小心管理剩余能量才能安全着陆。
尤其考虑到轨道飞行器的结构与传统滑翔机不同。在确保再入大气层安全的同时，最大限度地提高升力效率，是一项独特的工程挑战。由于空军的资金投入，设计更接近飞机而非再入飞行器，这使得挑战更加艰巨。
航天飞机的早期概念借鉴了X-15的设计灵感，机翼小得多。但这足以让最初的小型轨道飞行器在跑道上着陆。
空军希望获得更大的有效载荷能力，他们还有一个更具体的要求，那就是需要更大的机翼。他们希望航天飞机能够从卡纳维拉尔角起飞，完成任务，并在绕地球飞行一周后返回卡纳维拉尔角。他们本质上把航天飞机当作一次军事行动来对待，以避开苏联的注意，要求航天飞机快速而难以捉摸。但这也带来了一些问题。
单次绕地球飞行需要90分钟，在此期间地球自转低于航天飞机轨道2000公里。因此，要返回发射地点，轨道器需要能够横向飞行至少2000公里。这被称为横向射程。最初受X-15启发的设计只能达到370公里的横向射程。
北美罗克韦尔公司于1970年提出了这种巨大的混合体三角翼概念，这将使轨道器的横向射程达到2800公里（1500海里）。完全可重复使用的概念，包括载人助推火箭和内部燃料箱，最终未能实现，但大型三角翼得以保留。
这些三角翼在高超音速、超音速和亚音速飞行状态下都能提供足够的升力，使其在绕地一周后到达原发射场。
尽管如此，航天飞机仍然笨重，而且没有动力飞行，机长只有一次机会安全着陆。
因此，他们必须接受强化训练。
1973年，美国宇航局通过改装4架湾流喷气式飞机，制造了4架训练机，使其飞行方式与航天飞机类似。为了模拟航天飞机钝形机身设计产生的巨大阻力，湾流飞机在飞行时将起落架放下，发动机反向运转，襟翼向上偏转以减少升力。
鉴于这样的飞行特性，航天飞机需要谨慎管理其能量。远离跑道时高度下降太多远非理想情况。飞行员在信标和地面控制的引导下，瞄准切线进入跑道外直径5800米的圆形进近航道。他们一截断这个圆圈，航天飞机就开始深度螺旋转弯。
此时，航天飞机的速度仍约为0.8马赫。速度仍然非常快，而此时机翼承受的压力最大。由于此高度的气压较高，其最大动态压力比再入过程中的任何时候都要高。
航天飞机的下降速度加快，现在迅速下降，同时知道跑道处于安全滑行距离内，航天飞机下降到约3000米的高度，速度减慢到约0.5马赫。
此时，航天飞机进入一条20度的直线下滑进近路径。
比任何客机都要陡峭得多。
使用分离式方向舵减速板根据需要降低速度。垂直尾翼上的方向舵不仅用于通过左右偏转来控制偏航，它还可以一分为二，向外偏转，最大角度为两侧各62度。起落架尽可能晚地放下，在接地前的最后时刻，机长将使用升降副翼增加航天飞机的攻角，以减缓其接地前的下降速度。
主起落架接地时，减速板被指令完全打开。此时，航天飞机仍以每小时360公里的速度飞行，接近0.3马赫，还有很多制动时间需要完成。卡纳维拉尔角的跑道长4.6公里，比普通跑道长得多。通常3公里长的跑道能够应对最重的大型喷气式飞机的着陆。
当前起落架接地时，四个主起落架轮子上的电液制动器通过驾驶舱内的脚踏板完全接合。
每个制动器组件有九个碳衬铍盘、四个转子和五个定子，它们被压在一起以提供制动力。
在布鲁斯·梅尔尼克斯的STS 49任务中，引入了一个额外的制动装置，隐藏在垂直尾翼减速板的下方。这就是阻力滑跑。 STS 49 是奋进号和拖曳式火箭的首飞。降落伞采用爆炸式展开，你甚至可以看到降落伞门和弹托在着陆时从航天飞机后部抛出。
这项设计是为了让航天飞机能够在一条较短的 2500 米跑道上着陆，作为航天飞机不得不中止发射并降落在大西洋彼岸跑道上的应急计划。
每次发射，NASA 都会派遣工作人员前往这些预定的着陆地点，例如位于英国格洛斯特郡的费尔福德皇家空军基地。每次航天飞机任务的最后时刻都需要一个大型团队来协助。
而在整个航天飞机计划历史上，这些团队从未被需要过。
一台巨型风扇甚至被铺在跑道上，以帮助驱散航天飞机上任何潜在的有毒化学物质，例如肼燃料。
任务现已结束。机组人员已经下船，航天飞机将被翻新，然后装在一架747飞机上飞回佛罗里达，为下一次任务做准备。
人们常说，像这样的老式航空航天项目竟然是用纸笔设计的，真是不可思议。手绘技术设计曾经是一种艺术形式，而且是一种劳动密集型的艺术形式。
