航天飞机的出现，是人类宇航事业上的一大进步，可以说有划时代的意义。它为宇航商业化，建造宇宙医院、工厂、电站时，充分利用宇宙间真空、洁净、失重、太阳能等特点从事商业活动创造了条件。
一、三位一体
美国的第一艘航天飞机是“哥伦比亚”号。“哥伦比亚”是美国的别称，从这个名称上可以看出，美国把制造航天飞机的成败与美国的荣辱都挂起钩来了。
“哥伦比亚”号长约56米，高约23米，相当于7层楼房高，起飞重量约2200余吨。它包括3个部分：航天飞机本身，两个固体燃料助推火箭和一个机外燃烧舱。
航天飞机分为3段：前段是乘员舱，可乘坐4至7人，紧急情况下可容纳10人；中段是有效载荷舱，用以装载人造卫星及各种科学实验仪器设备，最大载荷30吨，由于装置了遥控操纵臂，可在空间装卸货物；后段装有3台液体燃料主发动机，总起飞推力为510吨。此外，还装有两台机动发动机和制动控制系统等。航天飞机在离地面800公里的高空进入轨道，能连续运行7至30天。在完成任务后，它能经受住重返大气层时与空气摩擦产生的高温，靠机翼滑翔降落在约5公里长的跑道上。一般经过两周检查、维修后它又可以重返宇宙。
航天飞机
两个固体燃料助推火箭，分挂在航天飞机的两侧机翼下，这两个火箭通常回收后可重复使用20次以上。
机外燃料舱安装在航天飞机主体的腹部，是个巨大的铝合金壳体，装满燃料后重756458万公斤。它实际上有前后两个燃料箱，一个能贮放150万升液态氢，另一个内装54万升液态氧。它们通过5根管子向航天飞机的主发动机提供燃料。
航天飞机的飞行过程可分为3个阶段，即发射上升，轨道飞行和返回地球。航天飞机发射时和火箭发射一样，在发射台上垂直起飞。此时航天飞机本身的3台主发动机和两个助推火箭几乎同时点火，总推力达3140吨。当它上升到50公里高空时，助推火箭熄火，并同航天飞机脱离，利用降落伞溅落在离发射场数百公里的海洋洋面上，由舰只回收。在快要进入绕地轨道运行时，主发动机熄火。机外燃料舱被抛弃、焚毁。此后依靠两台机动发动机使航天飞机进入绕地轨道运行。
轨道飞行不需要动力。当航天飞机昼夜不息地绕地球运行时，宇航员们便可以根据预定目标从事各项科学实验或其它活动。
当航天飞机需要返回地球时，只要重新点燃机动发动机，制动减速，使航天飞机脱离绕地轨道，就能重新进入大气层。当它通过大气摩擦阻力减速后，便和普通滑翔机一样，依靠机翼完成最后的滑翔飞行。当然它所需要的机场着陆跑道比普通飞机的要长得多，因为它的着陆速度约每小时341至364公里。
由于航天飞机在发射和返回时的速度比火箭要小得多，这就大大放宽了对宇航员的要求，使健康的人一般都可以参加太空飞行，这就为科学工作者直接进入空间从事科学研究创造了条件。
“哥伦比亚”号航天飞机的第一次载人试验飞行是在1981年4月12日开始的。20年前的4月12日，前苏联宇航员加加林乘坐“东方号”宇宙飞船绕地一周，开创了人类进入太空的新时代。20年来，宇航事业有了迅猛的发展。当年单人密闭的狭窄飞船，已为一个能有四名机组人员和数名乘客的有翼航天飞机取代了。美国航天飞机的研制一共花了10年时间。所以当官方正式公布“哥伦比亚”号处女航日期后，引起了全世界的深切关注。报名前来采访的文字和摄影记者及技术人员约4000人，其中有400多名外国记者。
有些记者是头天晚上，甚至数天前就用汽车拖着活动房子来到这里，以选择“最佳地形”。在佛罗里达州卡纳维拉尔角沿海几十公里内，观看发射的美国和外国游客近100万人。其热闹程度可与“阿波罗11”登月飞行媲美。
这天天气晴朗，风和日丽，风速、云层、能见度都符合要求。所有观看发射的人都全神贯注地盯着39号A发射台上的“哥伦比亚”号，盼着它腾飞上天。
为了保证宇航员有较舒适的生活和工作环境，航天飞机的设计师们作了很大努力。机舱包括3部分，上舱为驾驶舱；中舱为生活间，有寝室、浴室、厕所、厨房等生活设施；下舱是贮藏室。此外还有密封舱、空间实验室等。
驾驶舱与一般喷气飞机的驾驶舱相似，左右各有两个驾驶员座椅，另外还设有两个机组成员的座椅。在正式执行飞行任务时，驾驶舱可坐4人。驾驶员的前方、上方是各类仪表，指示盘和操纵器。在航天飞机里，宇航员不用再穿不便于活动的宇宙服，寝室的卧具使用的是睡袋，睡觉时另用眼罩和耳塞。厨房内有冷热水管、橱柜、烤炉和垃圾箱等。食品贮藏箱最多可贮藏供7个人飞行30天所需的食品。吃饭已经可以不用像挤牙膏那样把食物送到嘴里，而能用刀和叉，食用厨房里做出来的比较可口的饭菜。此外还有冷冻干燥的经过稳定化处理的食品。
二、初露锋芒
“哥伦比亚”号首航于1981年4月12日美国东部标准时间7时整发射成功。由电子计算机操纵的发射程序一切正常。在发射前6秒钟，航天飞机的3台主发动机点火，4秒钟后，便发挥了90％的功率。突然，两枚固体燃料助推火箭喷出橘红色的火焰，震耳欲聋的轰鸣声传出几十里外。发射架剧烈颤动着，浅灰色的烟幕翻滚而起。8个将航天飞机固定在地面的直径889毫米的螺栓被炸开。烟幕刚刚要淹没30层楼高的发射架时，“哥伦比亚”号三位一体的巨大身躯缓缓升起来了。加速使它越升越快，像一条火龙直指蓝天，身后留下一道长长的白色烟柱。8秒钟后，它在120米上空翻了个身，让机外燃料舱在上，航天飞机在下，继续飞行。这样的目的是让宇航员头朝下，便于观察地球。
高倍望远镜一直跟踪着航天飞机。在电视荧光屏上，只看见一个橘红色的火球在抖动。2分20秒，“哥伦比亚”号接近50公里高空时，两个助推火箭里的998吨固体燃料耗尽，自动脱离航天飞机，借助于降落伞于5分钟后降落在离佛罗里达州东面约241公里的大西洋里。那里有美国海军的两艘船只等待回收。
发射8分32秒后，航天飞机的主发动机关闭。8分50秒时，机外燃料舱完成了它的使命被抛落。它在重返大气层时被烧毁，碎片落入印度洋中。
10分32秒，航天飞机尾部的两台机动发动机点火工作，加速使“哥伦比亚”号进入绕地轨道。到44分钟时，它进入离地面277公里的圆形轨道。
从此，航天飞机载着宇航员在失重的状态下开始两天多的绕地航行，以完成他们的各项使命。
“哥伦比亚”号航天飞机的处女航携带了两箱仪器，用以记录飞行中的各种数据。这次飞行的主要任务是进行技术试验，以确定这种新的太空运输系统在发射、进入轨道按要求飞行及安全返回地面等各方面都可靠有效。这样的技术试飞一共要进行4次，然后“哥伦比亚”号才接受正式的商业服务。
估计其主要服务项目，一是为美国国防部发射军事侦察卫星和用于其他军事目的；另一个项目是提供条件进行商业和科学探索。
航天员在失重的状态下对航天飞机的性能进行了各种试验和检查。他们发现在机尾和其它非关键部位，有十几块防热硅瓦脱落。报告约翰逊宇航中心后，控制中心用高性能的空军望远照相设备从地面对航天飞机下腹部和机翼下部等关键部位进行摄影检查，发现那些部位的防热硅瓦毫无损伤。这使大家大为放心。
航天飞机之所以能够重复使用约100次，进出地球大气层而不烧毁，主要原因是它“穿”上了一层性能极佳的防热“盔甲”——耐高温的硅瓦。
由于航天飞机表面各部位凹凸不平，形状各异，所以硅瓦被切割制成手掌般大小的板块，共3万多块。这3万多块硅瓦的形状，大小、厚薄均不相同，所以每块上都必须编印上号码，表明它是属于哪个区域哪个组的第几块，然后一一粘贴到飞机表面，“对号入座”。粘硅瓦是一个十分细致的工作。
因为航天飞机是以每小时23万公里的速度出入大气层的，所以粘贴工作必须保证硅瓦片不因飞机震荡、气流冲击或热力熔融而脱落。此外，在粘贴时，硅瓦片相互间还要留下一条宽一厘米的缝隙，以供散热用。
硅瓦的外层，还需涂上一层黑色的硼硅酸玻璃纤维。经过这样的处理，航天飞机就可将95％的热量反射开去，而只吸收5％的热量，保证它表面薄薄的铝皮不会受损。
航天飞机的机身除了粘贴硅瓦外，有些部位也还根据特殊需要采用特殊手段。比如驾驶舱的挡风玻璃，其热保护就自成一套。它由3层厚度不同、材料各异的玻璃组成：最外层能承受482摄氏度的热力，最内层则涂上了反射红外线的物质，只让普通阳光透入。
整个航天飞机的热保护系统共重约7245公斤。就是它们保障了航天飞机出入大气层而不被烧毁，可以重复多次使用。事实上，所谓航天飞机返回地球后的维修保养，很大一部分工作也就在这些热保护装置上。
下降的关键时刻到了，尽管这是一次前无古人的伟大试验，然而约翰·扬和克里平却并不显得紧张。以往宇宙飞船穿过大气层后如一团火球直落大海，完全靠雷达跟踪和快艇救援。对宇航员来说，沉入海底的危险时刻存在，不能不令人胆战心惊。而“哥伦比亚”号则不同，它像飞机那样降落在机场的跑道上，比宇宙飞船要安全得多。
如果从航天飞机的飞行过程来看，它似乎是个变化的飞行体。在起飞阶段，它和机外燃料舱、固体燃料助推火箭一起，形成一个巨大能量的火箭，克服地球引力，冲入宇宙空间。当机外燃料舱和助推火箭先后分离，航天飞机进入轨道之后，它和人造卫星一样，成为一个轨道飞行器了。在它进入着陆阶段，重返大气层后，航天飞机事实上成了一架70吨重的巨型滑翔机了。
由于它的滑翔速度极快，因此降落能否成功，安全程度多大，谁都心中无数。
在降落地面前一小时，宇航员使航天飞机掉头，开动机动发动机减速，脱离轨道，开始重返大气层。4分钟后，宇航员又把机头调整向前，并开动44台小火箭发动机，使航天飞机能准确地以40度角俯冲进入80公里高空的稠密大气层。这时，机身同大气发生剧烈摩擦，产生强高温。航天飞机四周的大气因高温而电离，使飞机与地面的无线电通讯联络中断了15分钟。
当航天飞机下降到80公里高空时，它的飞行速度已降到每小时108万公里。这以后两分钟，在它离地面378公里时，速度又降为每小时7680公里。
着陆采用手动操纵。当航天飞机下降到离地面仅12公里处时，宇航员约翰·扬改用手操纵飞行。在着陆前5分钟，只见约翰·扬紧紧把握操纵杆，脚踩着踏板，使航天飞机以每小时345公里的速度平稳地滑翔到爱德华兹空军基地8公里长的跑道上。此时是4月14日美国东部时间13点22分。飞机的下降角度是22度，比普通民航飞机的下降角大6倍。休斯敦宇航中心事后宣布，“哥伦比亚”号航天飞机处女航的总航程约1609万公里，在圆满完成试验任务后返回地球，其着陆时间只比原定计划迟了9秒钟，一切正常。
航天飞机在爱德华兹空军基地一降落，特别装备的车辆就飞驰到“哥伦比亚”号旁边。身穿防护服的地面人员采取了一系列保护措施，清除了飞机周围的有毒气体，然后才打开舱盖。约翰·扬和克里平在航天飞机着陆40分钟后才离开“哥伦比亚”号，圆满结束了试飞任务。
完成了处女航的“哥伦比亚”号航天飞机，随后被安置在一架波音747大型喷气客机背上，运回肯尼迪角维修，以备下次再用。据航空和航天局官员宣布，“哥伦比亚”号的首航“情况异常好”。3万多块硅瓦中大约只有300块受损伤，而需要更换的不过12块，有些小损伤是在着陆时擦伤的。
波音747喷气客机托运凯旋归来的“哥伦比亚”号航天飞机。
“哥伦比亚”号首航成功，使美国举国上下大为振奋。
“哥伦比亚”号航天飞机4月14日顺利返回地面，犹如一股清风，人们心里充满了“美国第一”的感情。在这之前，美国国会内外有不少人反对拨大笔款项来研究航天飞机。可是当绝大部分美国人通过电视实况广播观看了航天飞机的发射和返回后，都觉得为“哥伦比亚”号花费近百亿美元是值得的。
美国官方是十分重视航天飞机试飞的。当“哥伦比亚”号进入最后一圈轨道飞行时，当时的美国副总统乔治·布什通过白宫的特别无线电线路，同飞机上的宇航员通了话。
当时，“哥伦比亚”号上的电视录像机正打开着，所以那天晚上几百万美国人都从电视节目中，看到了两位宇航员和乔治·布什通话的情景。
5月19日，里根总统在白宫隆重欢迎约翰·扬和罗伯特·克里平，向他们授了勋，接着又在玫瑰园搭起的一个帐篷里请他们和他们的夫人一起共进午餐。这些都表明，美国费了近10年时间，花了近100亿美元研制成功的航天飞机，使美国的载人宇航事业发展到了一个新的水平，在国内受到普遍好评和重视。