航天飛機是一種垂直起飛、水準降落、部分或完全重複使用的近地軌道有翼航天運載器。它綜合利用火箭、飛機、飛船等航空、航天的先進技術，多以火箭發動機為動力上升入軌，完成軌道飛行後再入大氣層，像飛機一樣滑翔著陸，可重複使用數十次，主要用於在地球表面和近地軌道之間運送各種有效載荷，釋放、維護和回收衛星，天文觀測、對地觀測和軍事偵察，空間科學實驗，為空間站運送人員和貨物，或作為應急救生飛行器等多項航天任務。航天飛機可分為部分重複使用航天飛機和完全重複使用航天飛機兩大類。部分重複使用航天飛機可有重複使用軌道飛行器和火箭助推器及一次性使用外貯箱並聯組成，其中軌道器帶有主發動機，如美國現役航天飛機和前蘇聯的「暴風雪號」航天飛機，也曾出現過有重複使用軌道器和一次性使用火箭串聯的航天飛機方案。完全重複使用航天飛機方案的特點是主發動機和推進劑貯箱均放在機身內，又可分為單級入軌和兩級入軌兩種形式。航天飛機的關鍵技術主要有氫氧主發動機、防熱系統及材料、計算空氣動力學及風洞試驗、環境控制與生命保障、應急逃逸系統、機動飛行和準確著陸技術等。真正用過航天飛機的國家，目前只有美國。美國航天飛機主要有「哥倫比亞號」（2003年2月1日意外失事整機解體）、「挑戰者號」（1986年發射時爆炸後，由「奮進號」接替）、「發現號」和「亞特蘭蒂斯號」，這些航天飛機著陸後，經檢查維修，均進行了多次飛行。而前蘇聯的「暴風雪號」航天飛機只進行過一次無人驗證飛行。
空天飛機又稱航空航天飛機，兼有高超聲速運輸飛機和航天運輸系統功能的重複使用的航空航天飛行器。它水準起飛，以高超聲速穿越大氣層，進入宇宙空間，完成航空航天任務後返回大氣層，水準著陸，經過短期維護後重複使用，可使用多達數百次。它既可進行全球性的高超音速運輸、軍事偵察和戰略轟炸，又可完成將大型衛星送入地球軌道、維護或回收在軌衛星、為空間站運輸人員和貨物、任務等航天使命。空天飛機按其組成形式和人軌方式可分為兩級入軌空天飛機和單級入軌空天飛機兩大類。兩級入軌空天飛機有運載級和軌道級組成，其代表方案為德國「森格爾」空天飛機。單級入軌空天飛機集運載級和軌道級於一身，其代表方案為英國「霍托爾」空天飛機和美國「國家空天飛機」及其試驗機X—30。空天飛機的關鍵技術主要有超燃衝壓發動機或多循環組合發動機，結構、防熱與推進一體化設計及其材料，流體力學計算與模擬試驗設施，飛行管理系統等。由於一系列技術難題難以解決，且耗資巨大，研製週期長。20世紀末各國均停止在方案論證，轉向突破關鍵技術。
美國的航天飛機
（1）美國航天飛機組成 美國航天飛機整個系統分為三大部件，即軌道器、一個不回收的外掛貯箱和兩臺可回收的固體火箭助推器，最大起飛質量2022噸，有效載荷29.5噸，軌道器返回地球時的質量約96噸。整個航天飛機系統總長56米，總寬23.8米，總高23.2米。軌道器是航天飛機的主體，可完成航天飛機的各種功能。平常我們從電視畫面上見到的航天飛機就是軌道器。它是整個系統中唯一可以載人、真正在地球軌道上飛行的部件。軌道器的外形很像一架大型三角翼飛機。其質量和尺寸與DC—9型運輸機相當，全長37.27米，起落架放下時高17.27米，三角形後掠機翼最大展寬24米。機身結構主要用鋁合金製造，表面用可重複使用的隔熱材料保護。整個機身結構分前、中、尾三段。前段結構可分為頭錐和乘員艙兩部分。頭錐處於航天飛機的最前端，具有良好的氣動外形和防熱系統。頭錐內只裝反作用控制系統。前端的核心部分是處於正常氣壓下的乘員艙。乘員艙分為三層：上層是駕駛艙，中層是生活艙，下層是儀器設備艙。艙的下部裝有飛行中可收起的頭部著陸架。乘員艙為宇航員提供寬敞的空間。宇航員在艙內可穿普通地面服裝工作和生活。一般情況下艙內可容納4～7人，緊急情況下也可以容納10人。軌道器的中段主要是有效載荷艙，長18米，直徑4.5米，容積300立方米，一次可攜帶重達29噸的有效載荷，是個名副其實的大型貨艙。艙內可以裝載各種衛星、空間實驗室、大型天文望遠鏡和各種深空探測器等。為了在軌道上施放所攜帶的有效載荷或回收軌道上運行的有效載荷，艙內設有一二個自動操作的遙控機械手和電視裝置。機械手是一根細細的長杆，在地面上它幾乎不能承受自身的重量，但是在失重條件下的宇宙空間，卻可以迅速而靈活地卸載10多噸的有效載荷。中段機身除了提供貨艙結構之外，也是前後端機身的承載結構。它由機翼結構和有效載荷艙門組成，沿著中段等距離分布著33個加強環，支撐著中段的外殼和載荷艙門。另外還設有兩個主著陸耳軸支撐結構。艙門由新型複合材料製成。機翼由波紋翼梁腹板、構架型翼肋和鉚接的鋁合金蒙皮及桁條結構組成。軌道器的尾段機身為整塊鋁板加工而成，並加裝鈦合金構架，係統及結構都比較複雜，主要裝有3臺主發動機，還裝有2臺機動發動機和反作用控制系統。在主發動機熄火後，機動發動機為航天飛機提供進入軌道、進行變軌機動和對接機動飛行，以及返回時脫離軌道所需要的推力。反作用控制系統用來保持航天飛機的飛行穩定和姿態變換，共有38個推力器。除此之外，尾段還有升降副翼、方向舵和減速板等氣動控制部件。軌道器的設計壽命是可以飛行100次。外掛貯箱用於貯存軌道器主發動機使用的液氫和液氧。它是航天飛機最大的部件，總長47.1米，直徑8.38米，重33.5噸，加註推進劑後重740噸。前部是液氧箱，後部是液氫箱，液氫箱是液氧箱容積的3倍。外掛貯箱用鋁合金製成，使用泡沫塑膠和軟木隔熱，以防止低溫推進劑蒸發。它是航天飛機唯一不回收的部件，只使用一次，航天飛機起飛後8.5分鐘主發動機關機後18秒便拋落，隨之再入大氣層墜毁。兩臺固體火箭助推器每臺可提供2.4萬千牛推力，為航天飛機發射和飛出大氣層提供78％的推力，工作時間長達117秒。助推器長45.5米，直徑3.7米，內裝高性能固體推進劑，有多種燃料組合而成，燃燒性能好，比沖為253秒。火箭助推器是可回收部件，每使用一次後進行維修，可重複使用20次以上。
（2）美國航天飛機技術特點 美國航天飛機是世界上第一個實用型航天飛機，經過20多年發展，已飛行110多次，其中有1次發射後爆炸，1次返回時解體。雖然兩次事故非常慘重，但卻使得航天飛機得以不斷改進，性能不斷提高，技術先進性也會更加突出。①先進的氣動結構，可獲得所需升力。航天飛機的軌道器採用三角翼結構，在大氣層飛行升阻比（升力與阻力的比值）大，能夠獲得很大的升力，高超聲速升阻比1.2，亞聲速升阻比最大時可以達到4.4。②採用新型發動機，滿足飛行需要。航天飛機的最大難點就是主發動機，它要求可以反復點火，即多次起動。因此，軌道器上的3臺主發動機是全新研製的高壓再生冷卻式發動機。燃燒室壓力為204個大氣壓，比一般火箭發動機高出2～3倍。主發動機的工作時間長達7.5小時，至少可重複使用55次。這種新型發動機的推力還可以根據需要，在預定推力的50％～109％之間調節，以滿足航天飛機複雜的飛行需要。③研製新型防熱系統，適應複雜環境。航天飛機軌道器所經歷的飛行過程及其環境，比現代飛機要惡劣得多，故要求它既有適于在大氣層中作高超聲速、超聲速、亞聲速和水準著陸的氣動外形，又有承受再入大氣層時高溫氣動加熱的防熱系統。防熱系統是整個航天飛機系統中設計最困難、結構最複雜、遇到難題最多的部分。要求它能承受再入時最高達1260攝氏度的高溫。新研製的防熱材料價格低廉、質量輕、便于維修，一些材料還可以重複使用。④可回收的助推器，降低了成本。美國的航天飛機採用了兩個固體可回收的助推器，在與航天飛機軌道器分離後，在海上回收，可重複使用20次，節省了經費，降低了發射成本。⑤保障複雜，發射準備時間長。航天飛機是目前最先進的飛行器，但飛行一次需要準備兩三個星期，臨發射時還要出動幾千人的勤務保障大隊為之服務，還經常由於天氣等原因而推遲起飛。
俄羅斯的航天飛機
（1）俄羅斯航天飛機組成「暴風雪」號是前蘇聯／俄羅斯擁有的惟一一架航天飛機。其軌道器大小與普通客機相差無幾，外形同美國航天飛機極其相似，機翼呈三角形，機長36米，高16米，翼展24米，機身直徑5.6米，起飛質量105噸，返回後著陸質量82噸。它有一個長18.3米，直徑4.7米的大型貨艙，能將30噸貨物送上近地軌道，或將20噸貨物運回地面。頭部有一個容積70立方米的乘員艙，可載10人。
（2）俄羅斯航天飛機技術特點 雖然「暴風雪」號與美國航天飛機的外形相似，以至於許多人認為是模仿美國人的作品，但它卻有許多獨到之處：①「暴風雪」號的主發動機不是裝在航天飛機尾部，而是安裝在「能源」號火箭上，這樣就大大減輕了航天飛機的人軌重量，同時騰出位置安裝小型機動飛行發動機和減速制動傘。②「暴風雪」號著陸時，可用尾部的小型發動機做有動力的機動飛行，安全準確地降落在狹長跑道上；萬一著陸失敗，還可以將航天飛機升起來進行第二次著陸，從而提高了可靠性。而美國航天飛機靠無動力滑翔著陸，只能一次成功。「暴風雪」號1988年成功進行了首次不載人飛行。科學家認為，這次完全靠地面控制中心遙控飛機上的電腦系統，在無人駕駛條件下自動返航並準確降落，其難度比1981年美國航天飛機有人駕駛的第一次試飛大得多，也證明「暴風雪」號完全可以無人駕駛完成任務。③「暴風雪」號能像普通飛機那樣藉助副翼、操縱舵和空氣制動器來控制在大氣層內滑行，還備有減速制動傘，在降落滑跑過程中當速度減至每小時50千米後自動彈出，使航天飛機能在較短的距離內停下來。
航天飛機的軍事應用前景
航天飛機不僅有巨大的經濟和社會效益，在軍事方面更是用途廣泛，是具有獨特能力的軍用航天器：
（1）施放和回收軍用衛星 在航天飛機施放的衛星中，軍用衛星佔有很大比例。這不僅節約發射費用，而且靈活機動，保密性更強。1985年1月24日，「發現」號航天飛機首次升空就施放了1顆絕密軍用衛星。該衛星重達2.5噸，價值3億美元，能截獲前蘇聯向太平洋發射遠程飛彈的遙測信號，還可竊聽歐、亞、非三大洲大部分地區的軍用信號情報。同年6月17日，「發現」號一次施放了3顆軍用衛星；同年10月3日，「阿特蘭蒂斯」號又連續施放了2顆軍用通信衛星。另外，航天飛機還幾次回收過軍用航天器，或在太空軌道上對受損衛星進行修理，或秘密帶回地面修理。
（2）試驗新型空間武器 1985年6月21日，「發現」號成功地進行了高精度雷射跟蹤試驗，用直徑600微米的地面雷射束照射370千米軌道上的航天飛機，時間長達3分鐘，雷射經過長距離傳輸後，射到飛機上直徑已擴散到4.5米，被機載反光鏡反射回去。這次測試驗證了雷射跟蹤低軌道高速運動目標的能力。1985年7月29日至8月6日，「挑戰者」號在太平洋上空280千米的軌道上用一臺電子發生器對地面發射了電子束，夏威夷的觀測站記錄到了電子束在電離層中所引起的擾動。
（3）建造空間軍事系統 航天飛機具有運載量大的突出特點，它一次最多可載29.5噸有效載荷，足以保證把一些特大型航天器運上軌道。1985年11月26日，「阿特蘭蒂斯」號發射上天，宇航員在太空進行了裝配大型建築的演練，這標誌著可在太空建造作戰平台和指揮中心。美國航空航天局安排的航天飛機飛行任務中，2／3以上都與軍事任務直接相關，其中半數純屬軍事任務。同時，由於航天飛機具有往返天地之間的能力，也可作為後勤保障的重要工具，充當「太空後勤部」。
（4）直接進行作戰行動 航天飛機有很大的軍用潛力，在負擔偵察任務時，在200千米高空拍攝到地面照片，可辨別1米大小的物體；可作為高能雷射武器、粒子束武器和小型飛彈的發射平台；可攔截飛行中的敵方飛彈，也可直接攻擊地面目標；可充當太空殺手，消滅別國衛星，或將其捕獲據為己有；還可在太空試驗各種武器系統。總之，航天飛機的各種軍事應用活動充分證明了其軍事價值，它所具有的更優越的機動能力，必將使太空爭奪更加複雜和激烈，並將「制天權」的爭奪提到軍事航天大國的戰略規畫之中。可以預見，在未來的太空戰中，航天飛機將承擔重要作戰任務。
英國「霍托爾」單級人軌空天飛機
英國「霍托爾」（HOTOL）空天飛機設計方案，採用了吸氣式噴氣發動機和液氧液氫火箭組合發動機，水準起降，單級入軌。其機長60米，翼展20米，可攜帶8噸有效載荷，可重複使用200次。它裝有4臺主發動機，吸氣式發動機首先啟動，直至速度達到5馬赫、高度26千米時再改由火箭發動機工作，使之進入200千米的軌道。
德國「桑格爾」兩級人軌空天飛機
「桑格爾」（Sanger）空天飛機方案的第一級為載機，可在普通跑道上起飛，馱著軌道飛行器飛至25千米高空，速度達6～7馬赫。載機是一架裝有航空發動機的高超聲速飛機，採用6臺吸氣式渦輪和衝壓式組合噴氣發動機，以液氫為燃料。載機總長92米，翼展46米，總質量295噸，其中燃料150噸。第二級是軌道器，採用氫氧火箭發動機，類似於美國的航天飛機，但自帶液氫和液氧儲箱，長32.8米，翼展17米，總重87噸，可乘坐2名航天員，攜帶4噸有效載荷。空天飛機從普通跑道起飛，渦輪發動機首先啟動，使速度達到2.8馬赫，然後衝壓發動機啟動，推動空天飛機達到6.6馬赫的速度和37千米高度，此時一級和二級分離。第二級火箭發動機工作，使空天飛機進入軌道。
空天飛機的技術特點
兩級空天飛機技術簡單、易於實現，而單級空天飛機技術先進，使用方便，是未來空天飛機的發展方向。不管是兩級還是單級，空天飛機均具有以下特點：①採用吸氣式發動機，可增大有效載荷。吸氣式發動機與火箭發動機相比，使用性能明顯提高，需攜帶的液氧少，既可以減輕飛機的重量，又可攜帶更多的有效載荷。②重複使用，經濟高效。空天飛機一般採用水準起降的方式，可重複使用，大大減輕了地面勤務的壓力，提高安全可靠性，也可大大降低使用成本。③採用一體化結構，技術先進。採用防熱結構與主體結構一體化設計，不但可減輕機身質量，而且能提高熱防護，係統的可靠性和耐久性，更適應高速飛行的需要。
空天飛機的軍事應用前景
空天飛機除可以完成航天飛機的所有任務外，還有許多突出的優點，它必將會在軍事上得到廣泛運用，並對未來戰爭產生巨大影響。
（1）融空戰和太空戰於一體 迄今為止，空中與太空始終是兩個割裂的戰場空間。由於空天飛機具有航空與航天的雙重功能和在兩個空間層次作戰的能力，因而將成為溝通空中與太空戰場、將空戰與太空戰融為一體的新型高技術裝備。當它加裝各種先進太空武器，以及大氣層內遠距離攻擊武器後，可根據作戰需要靈活地尋找並擊毁太空中的軍用衛星、空間站，以及大氣層內的各種航空器。這必將是未來空戰成為敵對雙方，以及空天飛機為骨幹，在內外兩層空間，為了保衛己方空間武器和設施，並攻擊敵方空間武器和設施而展開的激烈爭鬥。
（2）空襲的突然性將更大 一方面空戰將由亞聲速空戰向高超聲速空戰的方向發展，奪取制空權鬥爭的範圍將大大擴展；另一方面，由於空天飛機速度極快，飛行高度極高，飛向目標所需的時間將大大縮短。因而，未來作戰中的空襲將變得更加突然，空中遠程奔襲在未來作戰中運用的機會將大大增加。
（3）情報資訊的時效性將進一步提高 空天飛機的出現無疑增添了一種新的獲取情報資訊的手段，它既可以像軍用衛星一樣在太空軌道運行的過程中獲取情報資訊資料，也可脫離軌道反復在目標區外層空間飛行，隨時掌握作戰地區敵情變化。