美国航天飞机是世界上第一种往返于地面和宇宙空间的可重复使用的航天运载器。它由轨道飞行器、外贮箱和固体助推器组成。每架轨道飞行器可重复使用一百次，每次最多可将29.5吨有效载荷送入185至1110公里近地轨道，将14.5吨有效载荷带回地面，航天飞机全长56.14米，高23.34米。轨道飞行器可载三至七人，在轨道上飞行7至30天，即可进入低倾角轨道，也可进入高倾角轨道，可进行回合、对接、停靠，执行人员和货物运送，空间试验，卫星发射、检修和回收等任务。
航天飞机
航天飞机的飞行过程大致有上升、轨道飞行、返回三个阶段。起飞命令下达后，航天飞机在助推火箭的推动下垂直上升，直至进入预定轨道，完成上升。进入轨道后，航天飞机的主发动机熄火，由两台小型火箭发动机控制飞行。到达预定地点后，航天飞机开始工作。航天飞机完成任务后，便开始重新启动发动机，向着地球飞行。进入大气层后，航天飞机速度开始放慢，并像普通滑翔机一样滑翔着陆。
航天飞机除了可以在天地间运载人员和货物之外，凭着它本身的容积大、可多人乘载和有效载荷量大的特点，还能在太空进行大量的科学实验和空间研究工作。它可以把人造卫星从地面带到太空去释放，或把在太空失效的或毁坏的无人航天器，如低轨道卫星等人造天体修好，再投入使用，甚至可以把欧空局研制的"空间实验室"装进舱内，进行各项科研工作。
1969年4月，美国宇航局提出建造一种可重复使用的航天运载工具的计划。NASA第三任局长托马斯·佩奇曾认为，航天飞机因可重复利用从而可以降低成本，不用每执行一次任务就要造一个新的火箭出来；而且当时他还认为一架航天飞机的发射准备时间仅需要两周远比火箭反应快。1972年1月，美国正式把研制航天飞机空间运输系统列入计划，确定了航天飞机的设计方案，即由可回收重复使用的固体火箭助推器，不回收的两个外挂燃料贮箱和可多次使用的轨道器三个部分组成。除了外燃料箱外，另外两个组成部分都可以重复利用，每一次发射后，外燃料箱都会在大气层中烧毁。
航天飞机结构图
1977年2月，美国研制出一架企业号航天飞机轨道器，由波音747飞机驮着进行了机载试验。1977年6月18日，首次载人用飞机背上天空试飞。8月12日，载人在飞机上飞行试验圆满完成。又经过4年，第一架载人航天飞机终于出现在太空舞台，这是航天技术发展史上的又一个里程碑。
虽然世界上也有许多国家都陆续进行过航天飞机的开发，但只有美国与前苏联实际成功发射并回收过这种交通工具。但由于苏联瓦解，相关的设备由哈萨克接收后，受限于没有足够经费维持运作使得整个太空计划停摆，因此全世界仅有美国的航天飞机机队可以实际使用并执行任务。
航天飞机为太空探测增加了动力，对地球上人类的生活产生了至关重要的影响。无论是国际空间站还是预想中的人类月球前进基地，都需要航天飞机这样大载重量的太空货仓来支持——否则根本无法将用于基建的大型太空施工机械或者有关物资送上去。
航天飞机检修图
美国共有6架航天飞机，除首架测试用的“企业”号测试之后被收藏到博物馆中，其余的5架航天飞机“哥伦比亚”号、“挑战者”号、“发现”号、“亚特兰蒂斯”号以及“奋进”号，都参与了太空运输任务。“亚特兰蒂斯”号共执行了32次任务，是执行国际合作任务最多的一架航天飞机；而“发现”号航天飞机是美国历史上参与飞行任务次数最多的，功勋显著成为美航天飞机最为著名的代表。
航天飞机保持着目前正在使用的所有火箭中最可靠的发射纪录，自1981年以来，美国宇航局利用宇航飞机将136万公斤(300万磅)货物、600多名宇航员送入太空。尽管航天飞机已经使用了近20年，也一直在不断地发展改进，今天的航天飞机与第一架航天飞机已经有很大的不同了。美国宇航局对最初的设计进行了大大小小的数千次改进，使得今天的航天飞机比以前的任何一架航天飞机都更加安全、可靠和有效。单是自1992年以来，美国宇航局对发动机和主要系统进行了改进，便使得航天飞机的飞行安全系数提高了三倍，而飞行中可能遇到的问题则减少了70%，同时，航天飞机的花费每年节省12.5亿美元，花费减少了40%以上。由于重量减轻和其它的改进，航天飞机可以携带的货物重量增加了8吨。
挑战者航天飞机失事
但航天飞机由于重复使用，因此其技术难度大、系统设计复杂、零部件更容易耗损，从起飞、上升、轨道运行，再入大气层直到返回着陆过程中，需要经受各类极度严酷的环境。航天飞机的弱点是在使用中逐渐暴露出来的，它的系统远不止将载人飞船和运载火箭两者单纯相加那么简单。而与火箭、飞船等一次性飞行器不同，航天飞机的火箭发动机需要多次重复使用，寿命期间的总工作时间累计长达数小时之久，这也为其执行任务带来安全隐患：随着飞行任务的增加势必有更多的潜在危险。
尽管有所不足，但航天飞机无愧是先进航天技术的象征，是阿波罗登月之后美国航天事业的里程碑，担负着在载人航天的功能。其太空运载能力无人能及，衍生科技影响人类三十年。
