Система жизнеобеспечения. В отсеке экипажа «Шаттла» поддерживается контролируемая атмосфера из кислорода и азота с давлением 1,033 г/см², а также регулируются влажность, содержание СО₂ и наличие неприятных запахов. Система терморегулирования удерживает температуру в отсеках в пределах от 18,3° до 26,6° С и отводит избыточное тепло от радиоэлектронного оборудования. Система поддержания газового состава также обеспечивает работу скафандров для действий в открытом космосе и шлюзовой камере.

Система энергопитания. Электроэнергия на борту космоплана вырабатывается тремя криогенными топливными элементами, расположенными внизу спереди в средней секции фюзеляжа. Каждый блок обеспечивает минимальную мощность 2 кВт и пиковую 7 кВт. Система распределения электроэнергии, состоящая из трех дублирующих друг друга шин на 28 В постоянного тока, обеспечивает электричеством системы космоплана, внешнего топливного бака и ускорителей.

Три независимые вспомогательные силовые установки дают энергию гидравлической системе, приводящей в действие гидронасосы перед запуском, при входе в атмосферу и при посадке. Гидросистема используется для привода элевонов, руля направления, управления главными клапанами и карданным подвесом маршевых двигателей по поступающим командам, обеспечения терморегулирования в условиях космоса, уборки, выпуска и фиксации шасси, для срабатывания тормозов главных колес шасси и управления поворачивающимся носовым колесом шасси.

Радиоэлектронное оборудование. В отсеке экипажа, в передних и задних приборных отсеках размещено радиоэлектронное оборудование. Оно обеспечивает наведение и навигацию, связь, слежение, сигнализацию, работу средств управления, компьютеров и измерительных приборов.

Система связи и слежения обеспечивает поддержание радиосвязи между «Шаттлом» и наземными станциями, а также связь через спутники ТДРСС. Всего на космическом корабле находится семь антенн S-диапазона, четыре С-диапазона, четыре Q-диапазока, шесть L -диапазона и две UHF-диапазона.

Оценка веса первой орбитальной ступени корабля «Шаттл» показала, что собственный вес незаправленного аппарата составил 68 585 кг. В последующих экземплярах космоплана, как и всей системы «Шаттл», конструкторы, естественно, стремились уменьшить вес конструкции.

Наружный топливный бак — единственный пережиток ракет одноразового использования, поскольку рассчитан на однократное применение. Он содержит криогенное топливо для питания маршевых двигателей «Шаттл» и является конструктивным ядром всего комплекса во время старта. Бак вмещает 713 т жидкого водорода и жидкого кислорода в отдельных отсеках, разделенных внутрибаковыми перегородками. Высота бака 47 м, диаметр 8,4 м, сухой вес около 32 т. Созданием топливного бака руководил Центр космических полетов им. Маршалла, использовавший при этом свой опыт по проектированию топливных отсеков для РН «Сатурн». Отсек жидкого водорода (нижний) имеет объем 1524 м³, отсек жидкого кислорода 552,2 м³. Топливо из бака подается по двум трубопроводам к клапанам, расположенным под фюзеляжем космоплана.

Оценки затрат показали, что топливный бак обходится в 22% от общей стоимости одного запуска «Шаттла», и фирма-изготовитель «Мартин Мариетта» изыскивала пути снижения его стоимости.

Твердотопливные ускорители. Решение НАСА в конце 1971 г. использовать в системе «Шаттл» разгонные РДТТ, работающие на начальном участке выведения параллельно с маршевыми двигателями, поставило перед разработчиками задачу создать наиболее крупные системы в классе твердотопливных ракет, рассчитанных к тому же на многократное использование. Руководство этим проектом также осуществлял Центр им. Маршалла. Ускоритель, получивший наименование «твердотопливный ракетный двигатель» (ТРД), создавался на основе хорошо зарекомендовавшего себя бустера РН «Титан-3».

Масса ускорителя ТРД составила 568 т, из них на топливный заряд пришлось 502 т. Длина ракеты 38,2 м, диаметр корпуса 3,71 м, тяга двигателя 11,6—14 МН.

Сопло двигателя крепится на специальном гибком подшипнике, позволяющем ему отклоняться на угол ±8°, с помощью гидропривода.

Экономия от повторного использования ускорителей с учетом затрат на их послеполетное обслуживание была оценена в 2—3 млн. долл.

Полетные операции. Старт системы «Шаттл» происходит npи одновременно работающих трех маршевых двигателях космоплана и двух твердотопливных ускорителях. Через 6 секунд начинается разворот по крену (обычно это выражается в запрокидывании корабля «на спину») и отклонение от вертикали. Примерно через 125 с на высоте 43 км при скорости 1390 м/с и наклоне траектории 28° к горизонту отделяются ускорители. Оба блока ТРД затем движутся по неуправляемой баллистической траектории, причем на высоте 7,6 км открывается тормозной парашют, а на высоте 4,8 км - основные парашюты. Приводнение происходит на 463-й с с начала полета в Атлантическом океане на расстоянии 256 км от стартового комплекса.

Главные двигатели «Шаттла» работают в среднем 8 мин, а топливный бак отделяется 20—23 с спустя после их выключения. В этот момент кораблю недостает примерно 30 м/с для достижения орбитальной скорости. В то время как бак продолжает двигаться по баллистической траектории, чтобы затем войти в атмосферу и разрушиться над отдаленным морским районом, космический корабль включает двигатели ОМС, позволяющие ему выйти на начальную околоземную орбиту. Дальнейшие операции зависят от специфики конкретного полета и могут включать ряд сложных маневров с помощью двигателей ОМС.

Для осуществления схода с орбиты корабль ориентируется двигателями ОМС против движения и в таком положении выдается тормозной импульс. Затем космоплан снова разворачивается и входит в атмосферу под углом 0,8°, но с большим углом атаки. По мере вхождения корабля в атмосферу управление траекторией полета постепенно переходит от системы РКС к аэродинамическим средствам. Через 30 мин 30 с с начала спуска на аппарат воздействует максимальный скоростной напор на высоте 25 км. Этап захода на посадку начинается на высоте 3,05 км при скорости 536 км/ч. На высоте 152 м выпускается шасси, необходимая скорость посадки 322 км/ч. Нормальное приземление должно произойти на расстоянии 1070 м от начала полосы с возможным допуском ±365 м в продольном направлении и ±18 м в поперечном.

Наземное обслуживание системы «Шаттл». Для большинства запусков кораблей «Шаттл» было решено использовать стартовый комплекс № 39 в Космическом центре им. Кеннеди на мысе Канаверал (штат Флорида). Ранее с этого комплекса запускалась ракетно-космическая система «Сатурн—Аполлон». Комплекс был построен в 60-х годах для осуществления лунной программы и включал в себя две стартовые площадки: 39 А и 39 Б. Во второй половине 70-х годов комплекс № 39 был переоборудован с расчетом на использование по программе «Спейс Шаттл». Местонахождение этого космодрома позволяет осуществлять запуск на орбиты с наклонением от 28,5° до 57°. Для осуществления полетов на орбитах с большим наклонением (до 104°) было решено построить еще один стартовый комплекс — на базе ВВС Ванденберг (штат Калифорния). Здесь имелся не использовавшийся с 60-х годов стартовый комплекс СЛК-6 для РН «Титан-3М», строившийся по военно-космической программе МОЛ. ВВС США, взявшие на себя эту программу, решили оборудовать здесь стартовую площадку для «Шаттла».

Первоначальные планы предусматривали сдачу в эксплуатацию стартовой площадки 39А в 1979 г., а площадок 39Б и СЛК-6 в 1982 г

Посадочные полосы, способные принять «Шаттл» и его самолет-носитель, были подготовлены на мысе Канаверал, на полигоне Уайт-Сендз, на базах ВВС Эдвардс и Ванденберг, а также на базах ВВС США в Испании, ФРГ, Марокко, Сенегале и о. Пасхи.

После приземления «Шаттла» персонал НАСА проводит операции по очистке систем корабля и окружающего его пространства от различных газов и жидкостей, которые могут представлять опасность. В случае угрозы взрыва, пожара или какой-либо аварии при посадке готово специальное снаряжение и спасательные команды, способные в любой момент эвакуировать экипаж. В обычной ситуации астронавты покидают космоплан примерно через 30—40 мин после посадки.

Если посадка произошла не на мысе Канаверал, требуется работа специального подъемника, который устанавливает космоплан поверх фюзеляжа самолета-носителя НАСА «Боинг-747» для последующей доставки корабля на космодром воздушным путем. На мысе Канаверал для обслуживания орбитальной ступени построен специальный корпус (ОПФ). «Шаттл» доставляется сюда после приземления или снятия с самолета-носителя. Здесь осуществляется проверка, ремонт и подготовка корабля к очередным полетам, а также установка в грузовой отсек полезных нагрузок, которые предварительно подготавливаются в горизонтальном положении в корпусе «О энд Си». К ним относится, например, орбитальная лаборатория «Спейслэб». Во время подготовки отдельные системы, как, например, маршевые двигатели, блоки ОМС и РКС, демонтируются и доставляются в специализированные помещения космодрома или на другие испытательные площадки США.

Твердотопливные ускорители, после их доставки с мест приводнения на мыс Канаверал специальными судами, разбираются на составляющие их сегменты и по железной дороге отправляются на завод-изготовитель фирмы «Тиокол» в штате Юта. Там происходит их восстановление после каждого полета. Затем признанные годными секции ускорителей возвращаются на космодром, где подготавливаются к новому полету. Сборка снаряженных топливом секций происходит на мобильной пусковой платформе системы «Шаттл» в здании вертикальной сборки, которое использовалось раньше для подготовки РН «Сатурн». После того как два ускорителя полностью собраны на стартовой платформе, из находящегося в этом же здании хранилища кран извлекает топливный бак. Бак переносится в сборочный бокс, опускается и закрепляется между двумя ускорителями.

Космоплан, полностью подготовленный в корпусе ОПФ, также доставляется в здание вертикальной сборки. Здесь аппарат переводится в вертикальное положение и закрепляется на топливном баке. После сборки системы под стартовую платформу подходит гусеничный транспортер и через 130-метровые двери выводит всю конструкцию на специальный тракт, ведущий к стартовым площадкам. Там платформа с «Шаттлом» устанавливается на опоры стартовой площадки, и транспортер уводится на стоянку.

Большинство ПН «Шаттла» (таких, например, как спутники связи), требующих межорбитальных ступеней, проходят сборку и вертикальном положении в специально построенном здании (ВПФ). Готовый груз размещается здесь в канистре, соответствующей размерам грузового отсека «Шаттла». Канистра, оставаясь в вертикальном положении, доставляется на стартовую площадку многоколесным транспортером. Там канистра поднимается внутрь поворотной конструкции обслуживания, и специальный механизм извлекает ПН из канистры через ее продольные двери. После удаления канистры и доставки «Шаттла» на стартовую площадку конструкция обслуживания, поворачиваясь по рельсовым направляющим, накрывает грузовой отсек космоплана. Через раскрытые двери грузового отсека и поворотной конструкции механизм, удерживающий полезную нагрузку, вводит ее в космический корабль.

Поворотная конструкция отводится от корабля в течение отсчета времени, который осуществляется в последние два дня перед стартом.

Подготовка и управление полетами. Организация и управление пелетами по программе «Шаттл» было, как и в предшествующие годы, возложено на Космический центр им. Джонсона в г. Хьюстоне (штат Техас). Здесь находится центр управления пилотируемыми полетами, на котором замыкаются линии коммуникаций разбросанных по всему миру станций слежения, взаимодействующих с «Шаттлами». Благодаря этому осуществляется централизованное руководство полетами.

В Центре им. Джонсона развернута также мощная тренировочно-испытательная база, включающая полномасштабные тренажеры «Шаттла» и его элементов, имитаторы космической среды (например, бассейны с нулевой плавучестью) и т.д.

Для программы «Шаттл» НАСА впервые предусмотрело три категории астронавтов: пилотов, управляющих кораблем, полетных специалистов, выполняющих операции на орбите, и специалистов по ПН, работающих исключительно с грузами «Шаттла». Это позволяло упростить подготовку большинства астронавтов и повысить качество потенциальных работ. На таких принципах в 1978 г. НАСА сформировало новую группу астронавтов из 35 человек. Из них шестеро были женщины.

При старте «Шаттла» его экипаж подвергается перегрузкам не более 3,2 единиц (при спуске еще меньше), что также способствует облегчению предполетной подготовки.

Лаборатория «Спейслэб». Дополнением транспортной космической системы США является научная лаборатория «Спейслэб», ставшая вкладом в программу «Спейс Шаттл» стран—Членов Европейского космического агентства (ЕКА).

Еще в 1969 г. США предложили западноевропейским странам принять участие в создании космических аппаратов, идущих на смену кораблям «Аполлон». По проекту «Сортилэб» предполагалось создать полезную нагрузку для челночного корабля, которая могла бы дать ему возможность многократного проведения широкомасштабных научных исследований. После заключения в 1970 г. первых контрактов с ЕСРО (предшественница ЕКА) было представлено несколько вариантов подобных схем. В конце 1972 г. «Сортилэб» стал рабочим проектом ЕСРО. По заданию этой организации европейские фирмы провели оценку возможных вариантов на конкурсной основе. С июля 1973 г. две группы фирм начали борьбу за получение контракта на создание лаборатории, получившей наименование «Спейслэб».

14 августа 1973 г. НАСА и ЕКА подписали меморандум о взаимопонимании по проекту лаборатории, а с июня 1974 г. головной фирмой в этой работе стала «Фоккер ЕРНО» (ФРГ).

«Спейслэб» был спроектирован с учетом условий, определяемых возможностями корабля «Шаттл»: сохранения устойчивого центра тяжести, размеров грузового отсека, ограничений по максимально возвращаемому весу, запасов электроэнергии, системы жизнеобеспечения, длительности полета и т. д.

Лаборатория была построена по модульному принципу и рассчитана на многоразовое использование. Ее компоновка в зависимости от задач полета может состоять из сочетаний блоков двух типов: герметичных модулей для размещения людей и управляемых вручную приборов, а также открытых платформ для дистанционных работ в условиях открытого космоса. Доступ в гермомодуль лаборатории из «Шаттла» возможен через переходный тоннель, соединенный с люком шлюзовой камеры корабля. Все астронавты стартуют на борту «Шаттла», здесь же они принимают пищу и отдыхают. Масса лаборатории не превышает 11,34 т.

Страны ЕКА (их 11) в общей сложности затратили на создание космической лаборатории 1 млрд. долл., включая создание собственного наземного центра управления и формирование группы европейских астронавтов.

Несмотря на то что «Спейслэб» жестко связан с «Шаттлом», рассмотрение более независимых вариантов лаборатории продолжалось.

Межорбитальные ступени. Орбитальная ступень «Шаттла» способна самостоятельно достигать высот от 150 до 1000 км. В то же время большинство потенциальных ПН челночного корабля требовало выведения на более высокие, главным образом стационарные, орбиты. Для решения проблемы предлагался «межорбитальный буксир» многоразового использования, который после подъема ПН на высокую орбиту возвращался бы в грузовой отсек «Шаттла». Однако ассигнования, выделявшиеся на первом этапе для создания многоразовой транспортной системы, не позволяли НАСА создать подобный аппарат одновременно с введением в эксплуатацию самих челночных кораблей. В связи с этим НАСА рассмотрело возможность включения в систему «Шаттл» уже существующих одноразовых ракетных блоков, применявшихся в качестве верхних ступеней РН. Окончательно НАСА выбрало две схемы таких ступеней: ПАМ Д, способную вывести к стационарной орбите до 1250 кг полезной нагрузки, и ПАМ А, несущую 1995 кг. Обе ступени — твердотопливные и разработаны на основе третьих ступеней РН «Дельта» и «Атлас-Центавр» соответственно.

ВВС США, рассчитывая на военное использование «Шаттла», предложили, в том числе и для НАСА, более мощный вариант межорбитальной ступени. Этот двухступенчатый твердотопливный ракетный блок был разработан ВВС совместно с фирмой «Боинг» по проекту ИУС (верхняя ступень с инерциальным наведением). При запуске с борта «Шаттла» ИУС способен доставить на стационарную орбиту ПН в 2270 кг.

Помимо этих аппаратов, НАСА продолжало рассматривать возможность создания других, в том числе более мощных, межорбитальных ступеней, а в более отдаленной перспективе — и многоразового космического буксира.

Программы, связанные с использованием челночных кораблей. Перспектива создания космических кораблей многоразового использования оказала влияние на остальную космическую программу США. Возможность эффективного обслуживания и возврата на Землю космических объектов привела к появлению проектов космических аппаратов, построенных на модульном принципе или поддающихся ремонту. Так были созданы и запущены спутники типа «Солар Максимум» и «Лэндсат Д». Был принят проект тяжелого орбитального телескопа, рассчитанного на вывод, периодическое обслуживание в космосе и доставки на Землю с помощью системы «Шаттл». Многие аэрокосмические фирмы, строившие спутники, стали учитывать в их конструкции возможность запуска челночным кораблем. Компоновка спутников «Синком 4», «ЕРБС», «ЛДЕФ» и др. была специально рассчитана на использование «Шаттла». Программы межпланетных полетов, начатые примерно в одно время с программой «Шаттл», также предусматривали запуск с челночного корабля.

Важное значение использованию «Шаттла» придавало министерство обороны США. ВВС участвовали практически на всех этапах осуществления программы и, таким образом, имели очень высокую скидку при оплате челночных полетов. Планы министерства обороны предусматривали использование уникальных качеств челночного корабля для секретных военных экспериментов, а также запуск и обслуживание наиболее важных военных спутников. Для участия в подобных полетах ВВС отобрали группу военных специалистов, а также создали наземные центры управления.

Стремление поставить челночные полеты на коммерческую основу выразилось в том числе в предложении НАСА сдавать в аренду объем и вес в космическом корабле, который не был занят основной ПН. С этой целью были разработаны небольшие контейнеры типа «Гэтевей Спешл», монтируемые на боковых стенках грузового отсека и предназначенные для размещения грузов индивидуальных заказчиков.

Подготовка и испытания системы «Шаттл». Первые испытания экспериментальный образец системы «Шаттл» — «Энтерпрайз» начал проходить на базе ВВС Эдвардс (штат Калифорния) в феврале 1977 г. Была проведена пробная воздушная транспортировка орбитальной ступени. 12 августа 1977 г. «Энтерпрайз» был поднят в воздух на самолете-носителе для первого самостоятельного захода на посадку. На высоте 7300 м астронавты Ф. Хейз и Г. Фуллертон отделили космоплан от самолета и через пять минут приземлились на полосу базы Эдвардс. Всего было проведено пять таких полетов, последний 26 октября 1977 г. Если бы все остальные испытания проходили успешно, «Шаттл» был бы готов к первому орбитальному полету весной 1979 г. Однако многоразовая космическая система оказалась гораздо сложней, чем предполагалось вначале. Трудности, главным образом с разработкой главных двигателей, вызвали почти двухлетнее отставание программы от графика и значительное удорожание подготовительных работ.

После пребывания на базе Эдвардс «Энтерпрайз» был отправлен в Центр им. Маршалла в г. Ханствилл (штат Алабама) для вибрационных испытаний. В Центр им. Кеннеди он попадает лишь в апреле 1979 г.

Сборка экземпляра № 102, предназначенного для первого орбитального полета, была начата в январе 1976 г. В январе 1979 г. он получает наименование «Колумбия». 8 марта 1979 г. этот корабль покидает сборочный завод фирмы «Рокуэлл Интернейшнл» в г. Палмдейл (штат Калифорния) и на специальном тягаче транспортируется на базу Эдвардс. Отсюда самолетом космоплан отправляется в Центр им. Кеннеди на мысе Канаверал, куда прибывает 24 марта. Здесь примерно в это время проводится испытательная сборка системы «Шаттл». На стартовую площадку 39А «Энтерпрайз» в сборке с топливным баком и ускорителями выводится 1 мая 1979 г.

Подготовительные работы с «Колумбией» на космодроме включали доустановку ряда критически важных элементов и доработку других. Установка главных двигателей заканчивается лишь 3 августа 1980 г., причем с 9 октября до 10 ноября 1980 г. один из главных двигателей заменяется. 11—12 октября 1980 г. осуществляется установка подготовленных блоков ОМС и РКС.

Гораздо более трудоемким, чем предполагалось, оказался монтаж теплозащиты. Многие плитки не выдерживали испытаний на отрыв, и приходилось изыскивать способы повышения прочности соединений. Установка теплозащитного покрытия была закончена только 16 ноября 1980 г.

24 ноября 1980 г. «Колумбия» была отбуксирована из корпуса ОПФ в здание вертикальной сборки, а 26 ноября соединена с системой ускорителей и топливного бака.

29 декабря 1980 г. транспортер вывел систему «Шаттл» на стартовую площадку, где началась заключительная подготовка к запуску. 20 февраля 1981 г. проведено огневое испытание главных двигателей длительностью 20 секунд. Первый испытательный запуск космического корабля многоразового использования «Колумбия» по программе «Спейс Шаттл» назначается на 7.00 утра флоридского времени 10 апреля 1981 г.