总装大楼内有一个活动发射平台，助推器、外贮箱和轨道器进入总装大楼后都要在这个平台上完成装配，直到发射，整个航天飞机都不会再从这个平台上挪开。固体火箭助推器的底部运进总装大楼后，首先要竖立在活动平台上，竖立的位置也就是发射时的位置。接下来要把助推器叠装起来。这个工作需要花费相当的时间，主要的是为了保证各段之间的完全密封。
助推器叠装完毕后，就是与外贮箱的连接，外贮箱水平进入总装大楼后，会被一个巨型起重机吊起，令其竖直悬垂在两个固体火箭的中间，然后由技术人员进行对接。这一切做完之后，就是轨道器的安装。同外贮箱一样，航天飞机也要用吊索调离地面，然后移到外贮箱相邻位置的上方，再降下来与外贮箱连接，连接好后移开吊索。
到此一个航天飞机的各系统就装配完成了，接下来的工作是把整个活动发射平台连同上面的航天飞机，一起转移到发射台上。这个工作是由一个庞大的履带式平台拖车完成的，这个拖车的大小接近半个足球场的大小。拖车首先通过总装大楼侧面一个从地面垂直开到天花板的大门，进入到活动平台的下方，然后开动车上的水压千斤顶将平台稍稍提高，使平台抬离总装大楼内的支柱，接着就开始缓慢的想发射台移动。
拖车到达发射台后，会将平台放下，这时航天飞机便竖立在了发射塔旁边。发射塔上的机械臂可以伸到航天飞机的不同部位。这些机械臂的作用也各不相同。最顶端的机械臂叫氧气孔通行臂，这个通行臂末端的罩可以把外贮箱顶部紧紧密封起来，使外贮箱免受雨淋，并为装满液氧的外贮箱顶部加温，以防止内外温差在顶部形成冰凌儿，如果产生冰凌儿在航天飞机起飞时会对轨道器造成严重的损坏。还有一个机械臂叫机组通行臂，它可以让发射台的技术人员和航天员进入轨道器的座舱。这个通行臂的末端是一个“白屋”，使通向座舱的舱门处于完全密封的状态。任何进入白屋区的人都必须换上特制的洁净服，以使轨道器内的尘屑降到最低。
航天飞机的飞行过程：升空倒计时
所有航天器包括航天飞机的发射都不是随意进行的，一般的理解可能是航天器运到发射台，做好准备工作，就进入倒计时开始发射了。可事实是任何一次发射都存在一个发射时机，航天器只有在这个时机发射才能保证发射的成功及任务的完成，在航天领域中称之为发射窗口。发射前所有准备工作的时间，都是由发射窗口往前推算的。
发射窗口的确定取决于具体的任务，航天飞机的发射窗口一般持续1到数个小时，但也可能只持续几分钟。为了确定发射时间，采用“T”表示发射时刻，发射前的所有时刻表示为“T…”，发射后的时刻表示为“T＋”。如发射前9分钟表示为T…9分钟，发射后40秒表示为T＋40秒。但要注意发射前所表示的时间，并不是到发射时的实际时间。如T…9小时，只表示按发射的倒计时算还有9小时，如果出现额外的问题，会暂停计时，直到问题排除，才继续开始计时，这样到发射时刻的实际时间就会超过9小时。但这个暂停不是随便进行的，也需要事先计划，否则可能造成发射时间不在发射窗口内。
肯尼迪航天中心一般在T…6小时开始为外贮箱加注推进剂，在这之前要确定发射窗口内的天气预报是否适合发射，一旦确定，加注工作就开始了。加注推进剂的软管需要进行预冷，以降低液氢和液氧在输送过程的汽化损失。当到达T…3小时时，外贮箱的推进剂已经加满，但贮箱内的推进剂仍然会汽化，不断地从外贮箱顶部的出气孔派到外面，因此仍需不断的补充推进剂。
在T…3小时通常会停止倒计时的时间，在停止计时这段时间内一方面工作人员检查外贮箱的外壁是否结冰，同时航天员们也会被叫醒。因为太空中没有像地球一样的白天黑夜，所以航天员们需要在发射前调节生物钟。而发射的时刻即使是在黑夜，对他们来说也是生物钟早上的开始。起床后，航天员要再次进行身体检查，吃早饭，换上加压服，然后前往发射台。
在发射台上的白屋里会有一组技术人员等候在那里，当航天员到达时协助他们登上轨道器，在确定航天员已经进入航天飞机各就各位之后关闭密封舱盖，离开发射台。此时整个发射台就只剩下了航天飞机和航天员。接下来的时间发射控制中心会对天气、航天飞机的各个部位进行不断的检查，轨道器内的航天员也会不断的核实通讯系统是否正常。
在T…9分钟时会进入最后一次的倒计时暂停，这时发射中心内的所有发射控制人员要再次确认各系统是否正常，并且核实当时的天气情况。如果这次确认中出现任何一点问题，发射都会中止，只有在收到所有系统的确认信息后，发射中心才会开始最后9分钟的发射倒计时。
最后9分钟的发射倒计时
T…9分钟所有系统核实完毕，开始计时
T…7分30秒收回机组通行臂
T…5分辅助动力设备准备就绪，为主发动机的万向支架提供能量的液压发电机提供动力
T…1分收回该在外贮箱顶部的氧气孔通行臂
T…15秒消音系统打开，往发射台底下的防水沟供应淡水，向发射台底部浇水。吸收发射时发动机产生的声波，防止声波对航天飞机的损坏
T…5秒主发动机依次点火
T…0秒固体火箭助推器点火升空
固体火箭助推器一旦点火之后，航天飞机就会飞离地面，不再可能停止，因此在助推器点火之前的每1秒钟，航天飞机的计算机都会对各个系统进行上千次检查，如果这期间有一个系统出现故障，航天飞机会立即停止发射，否则很有可能就会酿成一场灾难。
当到达T时刻时，航天飞机就会上升离开发射台，从远处可以看到航天飞机拖着一条烟柱冲天而去。这条烟柱是由固体火箭推进剂燃烧产生的，而在轨道器的底部，由于主发动机的液氢和液氧燃烧，会产生一条超高温的水蒸气排气尾迹，从远处看就是一团明亮的闪光。
航天飞机的飞行过程：进入轨道
同火箭发射一样，航天飞机升空不久就要进行机动，使其由垂直向上的飞行逐渐转为水平方向的飞行。航天飞机发射2分钟后，固体火箭助推器的推进剂全部燃尽，助推器与外贮箱的爆炸螺栓炸开，然后助推器顶端的小火箭将其推离外贮箱。此时的高度约为46千米，接着助推器打开顶端的降落伞落入大海，早已等待在海上的两艘拖船会将其拖回航天中心进行整修，准备下一次使用。助推器分离后，主发动机继续推进，这时它的爬升角度倾斜了大约30°。
发射6分钟后，航天飞机的速度达到20 000千米/小时，但还达不到保持轨道运行的速度。此时航天飞机会朝地球作大约2分钟的小角度俯冲，虽然这使航天飞机的高度下降了4~16千米，但却使速度增加到约28 000千米/小时。这种做法开上去会多消耗推进剂，但经过计算可以知道采用俯冲获得速度的方法，比让航天飞机慢慢爬升到目标轨道效率要高得多。这种做法在大气层内的飞行中也经常使用，为了让飞机更快地获得速度，可以使其向地面俯冲。在小角度俯冲中，航天员会经受3g的过载，这个过载值已经达到了航天飞机整个飞行过程中的最大过载值，而在早期的载人飞行中，航天员承受的最大过载值要达到7~8g。
发射8分30秒后，轨道器的主发动机熄火，航天飞机插入一近地点65千米，远地点296千米的椭圆轨道。主发动机熄火后20秒，外贮箱与轨道器分离，外贮箱上的小推进器将其推向地球，在穿越外围大气层的时候焚毁。剩下的轨道器在椭圆轨道上飞行，当到达远地点时，轨道机动发动机点火，使轨道器进行园化运动。这时整个上升阶段就结束了，航天员可以从座位上离开，开始太空工作了。如果不在远地点进行加力，轨道器会继续在原椭圆轨道上运行，可该轨道的高度下大气还有一定浓度，不断的大气阻力和摩擦，会使这一轨道上的运动难以维持。
另外在整个上升过程中如果出现意外事件，比如一台或多台主发动机失灵，航天飞机会采取什么措施来保证人员的安全。NASA也制定了一系列模式，这些模式的选择要根据出现故障的时间来确定。如下表所示。但类似挑战者号的事故是无法逃生的，这种情况目前还没有什么应急措施。
航天飞机的飞行过程：太空的任务
轨道器一旦进入轨道，航天员首先要做的就是将有效载荷舱门打开。如果不这样做，轨道器飞行一段时间，内部温度就会过高。接下来，航天员会把座舱内除了飞行舱头部的两个驾驶座椅之外的所有座椅移开，以使他们有更多的工作空间。
轨道器在太空飞行时，因为大气阻力的影响非常小，并不用保持头部冲前的飞行姿态，相反考虑到任务的要求，轨道器往往需要在太空中保持不同的姿态。比如，令有效载荷舱的科学仪器对准适当的方向，避免有效载荷舱内物品受到太阳光的直接照射，或为变轨机动作准备等等。航天员可以通过控制轨道器头部和尾部的反作用控制系统来使姿态发生变化。这些姿态变化并不会引起轨道器运动速度的变化，因为它只是围绕着自己的质量中心在转动。
航天飞机在太空中执行的所有任务，都离不开有效载荷舱。在不同的任务中，有效载荷舱所携带的载荷不同。执行卫星施放任务时，有效载荷舱内安装的是需要释放的卫星。因为航天飞机所携带的燃料只能使轨道器在300千米高度的近地轨道飞行，而大多数卫星运行的轨道高度比这个高度要高，所以通常在执行卫星施放任务时，还需要把一枚火箭接到卫星上。当轨道器到达合适的位置时放出卫星，然后卫星再由火箭提供动力，进入更高的运行轨道。
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