航天飞机是可重复使用的、往返于太空和地面之间的航天器，结合了飞机与航天器的性质。它既能代替运载火箭把人造卫星等航天器送入太空，也能像载人飞船那样在轨道上运行，还能像飞机那样在大气层中滑翔着陆。航天飞机是航天史上的一个重要里程碑。
最初，美国设想可多次重复使用的航天飞机可以节约花费，但结果全然不同，每架飞机的研制费用非常高，而且每次发射费用竟达1亿多美元，因此至今只做了6架航天飞机：“哥伦比亚”号、“挑战者”号、“发现”号、“亚特兰蒂斯”号、“奋进”号以及只用于测试的“企业”号。2011年2月24日，“发现”号航天飞机从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空，前往国际空间站，这是服役近27年的“发现”号最后一次执行飞行任务，航天飞机的辉煌时代也将宣告结束。
能够重复使用的航天飞机
自第一颗人造卫星发射后，苏、美等发达国家的航天事业如雨后春笋般地发展起来，收益越来越显著，发射越来越频繁。但发射这些航天器所用的运载火箭十分昂贵，而且不可回收，巨大的耗资严重限制了航天事业的发展。因此，研制一种可重复使用的运输系统，以降低航天费用，成为继续发展航天事业的迫切需要。
航天飞机的辉煌时代早在20世纪30年代初，维也纳人赫费特、瓦里尔和桑格尔等曾提出用火箭发动机作动力装置的飞机，试图使用这种火箭在高空进行高速飞行，并形成以这种飞机进行空间飞行的设计思想。这也可以看做是航天飞机的早期设计思想萌芽。
这种火箭飞机不仅要飞离地球，而且还要能返回地面，并可以重复使用。虽然这是一种更经济、更全面的设想，但由于当时技术条件的限制，根本无法实现的。不过，发展一种可重复使用的火箭飞机来飞向宇宙空间的思想却从来没有被抛弃过，研究工作也从未间断。
第二次世界大战前夕，一些国家出于军事上的需要，许多设计师为了使飞机达到更大的高度和速度，曾尝试用火箭发动机作为飞机的动力装置。例如，1939年德国工程师冯·布劳恩利用以过氧化氢和甲醇作推进剂的火箭发动机，研制了HE-178型火箭飞机，时速曾达到850千米；前苏联也曾于1939年设计过RP-318型火箭滑翔飞机。这类有人驾驶的火箭飞机的设计，对于发展可重复使用的载人空间运输系统都可以看作是一种有益的尝试和促进。
二战期间，德国曾计划给V-2火箭配置机翼，以制成一种自动控制的A-9型火箭飞机。另外，还设计了A-10型两级火箭飞机。其第一级就是带机翼的A-9型火箭飞机，它可以使第二级火箭达到35分钟内飞行4000多千米的速度。在这两项设计尚未实现时，战争就结束了。有关的研制人员先后到了美国和前苏联，著名的火箭设计师冯·布劳恩则到了美国。
二战结束后，论述有关可重复使用火箭飞机的设计思想更加活跃，参加的科学家和工程师也越来越多。
1946～1947年间，由美国贝尔公司设计的X-1型火箭飞机进行首次超音速飞行。
1947年，美国曾报道过一种往返月球的两级可回收的空间运输系统。
1952年，在美国的德国科学家冯·布劳恩全面论述了大型重复使用的助推器的概念。1954年美国空军正式开始资助这项研究并取名为“保米计划”。1957年在上述研究的基础上又形成了一个“轨道再入滑翔机”的计划，即所谓的“戴纳—索尔计划”，它的目的就是用火箭助推剂将滑翔机送到大气层以上，返回时利用滑翔无动力着陆。
实际上，这已体现了航天飞机的一些设计思想，但为当时技术力量所限，这些设计思想根本无法实现。
进入20世纪60年代，欧洲许多国家对发展航天飞机产生了浓厚兴趣，并希望与美国合作，但此时美国正全力以赴地开展登月计划，无暇旁顾，失去财力和技术支持的航天飞机研究只能陷入停滞。直到1972年美国才正式启动航天飞机计划，经过对方案的论证及研制经费、技术能力和时间的权衡后，最终选择了一个两极式、部分可重复使用的航天飞机的折中方案，并将其作为70年代美国航天计划的重点。
20世纪70、80年代，前苏联、法国和日本等国也相继开始研制航天飞机，但由于技术和资金等原因，至今只有美国成功建造了航天飞机并实际执行了太空任务。
航天飞机是以火箭发动机为动力发射到太空，能在轨道上运行，且可以往返于地球表面和近地轨道之间，可以部分重复使用的航天器。它由轨道器、固体燃料助推火箭和外贮箱三大部分组成。一架航天飞机轨道器背驭了一只巨大的、一次性使用的外贮箱，在外贮箱的两侧各有一只固体助推器。除了外贮箱不能回收外，其他主要部件都能回收和重复使用。
轨道器就是人们所称的航天飞机，外形与普通飞机非常相似。它是最复杂的部分，由洛克韦尔公司承包。轨道器长27.21米，翼展23.79米，机高17.39米，它的中部有一个长18.3米、直径4.6米的载荷舱。在轨道上，载荷舱门从中间向两侧张开，载荷由此发射，或在此进行回收、修理卫星以及科学实验等工作。它最多可载7名宇航员，最长飞行时间30天。
轨道器装有各种仪器设备，单是推力大小不等的发动机就有49台，其中三台是尾部安装的可调推力主发动机，每台推力2058千牛，可重复使用50次。其他小型发动机用于轨道和姿态调整，分布于轨道器四周。轨道器上装有23种天线，5台计算机，各种控制、通信、导航和操纵系统。与宇宙飞船防热层不同，轨道器周围采用可重复使用的防热瓦，在面积为1100平方米的表面共安装了24000块防热瓦，重7吨，最高可承受1650℃的高温。
外贮箱是航天飞机系统最大的部件，也是唯一不可回收的部件。它长47.1米，直径8.38米，空载质量34.6吨，可加装液氢液氧推进剂700吨，它由马丁公司承包。
两枚固体助推器由锡奥科尔公司承包。它们长45.5米，直径3.7米，质量584.7吨，单台最大推力1.29万千牛。为方便推进剂加注、清洗，助推器由11段连接而成，可分解和组装。对接处接口用卡口方式连接，四周用螺栓固定，并用两只“O”型密封圈密封。密封圈直径0.71厘米。
组装在一起的航天飞机总长56.14米，起飞质量2040吨，起飞推力34562千牛，最大着陆质量104.33吨，近地轨道运载能力29.5吨，极轨道运载能力13.1吨，横向机动距离为2035千米。从轨道上返回时，可带回载荷质量14.5吨。
为了实现“普通人也能坐航天飞机”的设想，航天飞机在起飞过程中的最大过载限制在3倍重力以下，在返回时过载限制在1.5倍重力以内。航天飞机在研制过程中，解决了一系列高难度的技术问题，包括研制可重复使用的高性能液氢液氧发动机、大推力可重复使用的固体助推器、可重复使用的航天飞机防热瓦等。
1976年9月17日，第一架供试验用的航天飞机轨道器“企业”号交付。它经历了几年的各种试验。1979年3月24日，首架用于轨道飞行的“哥伦比亚”号完成了装配，并空运到肯尼迪航天中心。
1981年4月12日，美国东部标准时间上午7点03.98秒，世界上第一架实用的航天飞机“哥伦比亚”号从肯尼迪空间中心的39A发射台上起飞，在三台主发动机和两台助推发动机高达340万千克的推力下，轨道器稳稳地进入241.3千米高的圆形轨道。担任轨道飞行任务的是约翰·杨和罗伯特·克里平，主要目的是验证轨道器轨道飞行能力、稳定与操纵特性、再入与着陆特性，同时还试验入轨后货舱门的开闭特性以及机上惯性基准的建立。“哥伦比亚”号绕地球飞行了36圈后，于14日安全返回大气层，并着陆成功。
美国航天飞机经过试验和投入使用后，证明了它在技术上是成功的，能够执行以往航天器和火箭不能完成的任务，如回收、修理卫星、在轨发射卫星，实现了部分可重复使用等。
这次的首发成功，标志着人类载人航天进入了一个新纪元。
知识点滑翔机
滑翔机是一种没有动力的装置，重于空气的固定翼航空器。它可以由飞机拖曳起飞，也可用绞盘车或汽车牵引起飞，更初级的还可从高处的斜坡上下滑到空中。在无风情况下，滑翔机在下滑飞行中依靠自身重力的分量获得前进动力，这种损失高度的无动力下滑飞行称滑翔。在上升气流中，滑翔机可像老鹰展翅那样平飞或升高，通常称为翱翔。滑翔和翱翔是滑翔机的基本飞行方式。
美国首艘航天飞机的升空
美国的第一艘航天飞机是“哥伦比亚”号，1981年4月12日首次发射。截止到2003年1月16日，“哥伦比亚”号共飞行了28次。
它的名称来自一位美国船长罗伯特·格雷的单桅帆船。1792年5月11日，格雷和他的船员穿过了河口宽达1000英里的危险沙洲，到达了今天的东南哥伦比亚、加拿大和华盛顿—俄勒冈的边界，这条河流从此便以此船命名。格雷是第一个完成环球航行的美国人，他和他的船员驾驶着“哥伦比亚”号并满载着水獭皮到达了法国、中国，然后回到波士顿。后来又有其他的船使用这个名字，所以“哥伦比亚”号这个名字传播开来，以至于“阿波罗11”号飞船登月计划中的指令舱也被命名为“哥伦比亚”。
“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。
发射台上的“哥伦比亚”号航天飞机航天飞机分为3段：前段是乘员舱，可乘坐4～7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800千米的高空进入轨道，能连续运行7～30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5千米长的跑道上。一般经过两周的检查、维修后它又可以重返宇宙。
两个固体燃料助推火箭，分挂在航天飞机的两侧机翼下，这两个火箭在回收后通常可重复使用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75.6458万千克。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50千米高空时，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百千米的海洋洋面上，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他活动。
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，因为它的着陆速度是341～364千米/时。
由于航天飞机在发射和返回时的速度比火箭要低得多，这就大大放宽了对宇航员的要求，使普通的健康人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。
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航服，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，可食用厨房里做出来的比较可口的饭菜。此外还有经过稳定化处理的冷冻干燥的食品可供食用。