人类到大气层以外去开发宇宙，已成了当代最辉煌的现实。但到目前为止，环绕地球的飞行器(人造地球卫星和载人宇宙飞船)都是依靠火箭发射上去的，这很不方便。因此，能不能设计一种飞行器，使它在升空阶段起火箭作用，环绕地球运行时起宇宙飞船的作用，下降(回收)阶段又起航空飞机的作用呢？能！这就是美国科学探险家们于1981年研制成的“航天飞机”。
人们习惯于把大气层以内的飞行叫“航空”；大气层以外，环绕地球的飞行叫“航天”。航天飞机，顾名思义，是专供大气层以外、环绕地球飞行的飞行器。
航天飞机由一个轨道飞行器、一个外贮箱和两个助推器组成。起飞时，两个助推器的火箭发动机和轨道飞行器的3台主发动机，同时点火，垂直发射，总重2000多吨的航天飞机，在近3000吨的巨大推力下，像一般宇宙火箭那样，带着轰然巨响，吐着长长的火舌，向蓝天窜去！两分钟后，航天飞机升到45千米的高度，助推器完成任务，与轨道飞行器分离，空壳子由降落伞护送，溅落到海面上进行回收，以便下次飞行使用。轨道飞行器靠外贮箱提供的燃料，继续向上空飞行。约8分钟后，外贮箱的燃料耗尽后，由反向力将它推入大气层烧毁。轨道飞行器继续由两台主发动机提供推力，5分钟后即可进入绕地球运行的最后轨道。目前，航天飞机可把几十至几百吨重的负荷送到280千米以上的高空轨道上去。
这时航天飞机依靠惯性飞行，机上人员便开始宇宙作业。在灵巧的机械手的协助下，将装载的货物“释放”到宇宙轨道上去，或将轨道上需带回的东西“抓”到货舱内。这项工作只需1～4名普通专家，并不需专门的宇航员。
完成宇宙作业后，航天飞机利用发动机反向推进，重新进入大气层，像飞机那样操纵飞行舵，滑翔降落到地面上。经过两个星期的地勤维修，就可以与助推器、外贮箱重新组装，进行下次宇宙飞行了。它着陆时速为每小时350千米。
1981年，世界上第一架航天飞机由美国研制成功，称为“哥伦比亚”号。在正式投入使用前，进行了6次飞行，携带2～4名宇航员，在200～400千米的5种轨道上，分别飞行了2～7天，全面试验了航天飞机的技术特点和使用性能。
如今，美国先后研制成功了5架航天飞机，即“哥伦比亚”号、“挑战者”号、“发现者”号、“亚特兰蒂斯”号、“奋进”号。其中，“挑战者”号于1986年1月的第二次飞行时，升空数秒钟后爆炸而造成机毁人亡的悲惨事件，其他航天飞机仍在使用中。这些航天飞机承担了发射各种卫星、对卫星进行维修和重新定位、太空行走、发射哈勃望远镜以及进行其他科学实验任务，截止现在，已进行了100多次飞行，参加宇宙航行的宇航员已达130多人。今后，航天飞机最有前途的一项工作是：担任未来大型空间站工业体系和居民生活体系的建设与运输任务。采用航天飞机往返运输，已经变成了现实。