航天飞机轨道器后部的三台高性能火箭发动机在起飞后最初的大约8分钟内工作。在海平面，每台发动机开足马力时，可产生17吨的推力。发动机推进剂是装在外挂箱中的燃料（液氢）和氧化剂（液氧)。燃烧分两阶级进行。首先，推进剂在预燃室内混合并部分燃烧。由预燃室产生的热气体驱动高压涡轮泵，涡轮泵将难进剂输送到主喷嘴。一旦由电点火器点燃，燃烧就会自行持续下去。在点火之前，使极冷的液体推进剂流入该系统，流到预燃烧室和燃烧室，以便冷却涡轮泵和管道，使系统中的氢和氧在发动机起动时保持液态。
主发动机推力的调节范围为在海平面推力的65—104%。起飞时，发动机的推力达到100%。航天飞机一旦越过发射塔，计算机即指令发动机推力达到104%。为减少在34000英尺高空出现的最大空气动力载荷，主发动机的推力降至65%。此后，推力再次加大，以便在主动段飞行的最后一分钟提供三倍于重力加速度的加速度。
航天飞机轨道器的主发动机
航天飞机的外挂箱为轨道器主发动机携带推进剂——143000加仑液氧和383000加仑液氢，氢比相同体积的氧轻得多。全部推进剂重790多吨。马丁-玛丽埃塔公司制造的燃料箱是一个带有卵形头的焊接铝合金液压圆柱体和一个半球形尾部，长154英尺，直径为27+英尺。由于轨道器和两个固体火箭助推器在起飞时与外挂箱连接在一起，所以外挂箱承受了组合推进系统的推力。它需经受复杂的载荷效应和来自推进剂的压力。
液氧箱组成外挂箱的头部，里面是温度保持在零下180度的液态氧化剂。可拆卸的圆锥形头罩起空气动力整流罩的作用。液氧箱内部的隔板减少了晃动和有关的控制问题。液氢箱无需隔板，因为氢燃料极轻，晃动不会产生很大的力。液氢箱占了外挂箱的大部分。它容纳的东西比液氧温度还要低，为零下257度。箱间结构连接着两个推进剂箱。它是一个圆柱形结构段，内装仪器，承受并分配来自固体火箭助推器的大部分推力载荷。每台助推器的前端与外挂箱在箱间的中段相连接。
多层热防护层覆盖在外挂箱外部，防止它在发射前、发射时和飞行最初的几钟内遭受温度急剧的变化。这种隔热措施降低了推进剂蒸发率，使外挂箱内仍保持极低的温度，它还可以将可能由于在推进剂箱外部的冷凝结成的冰减至最少。
巨大的外挂箱内部
除了固体火箭助推器在箱间两侧的前方连接点以外，还有三个连接点把每台助推器连接到外挂箱的后部主环形框架上。助推器于是通过四个点与外挂箱连接起来，一个点在前部，三个点在后部。
在起飞后8.5分钟，主发动机关车后18秒，根据轨道器计算机指令抛掉外挂箱。为了确保它按预定路线飞行，采用一个滚转系统，使燃料箱以每分钟两转的最低速度滚转。起飞约一小时后，外挂箱再入大气层时坠毁，落入印度洋或太平洋的预定区域。外挂箱是航天飞机唯一不再回收和不重复使用的主要部件。
两台固体推进剂火箭助推器几乎与外挂箱一样长，并且连接在外挂箱的两侧。固体火箭助推器可提供起飞总推力的80%，另外20%的推力来自轨道器的三台主发动机。起飞后大约两分钟及离发射台24英里高空时，固体火箭燃烬。用爆炸装置使助推器与外挂箱分离。小型火?箭发动机驱使它们远离外挂箱和轨道器，轨道器在航天飞机主发动机的推动下继续沿轨道向前飞行。
固体火箭助推器由以下几个部件组成：头锥、固体火箭发动机和喷管组件。每个固体火箭发动机壳体由11段直径为12英尺的无缝圆柱形钢管组成。组装之后，这11个圆柱体组成一个长达116英尺的管道。这11段圆柱体包括前部圆顶6个圆柱体、后部与外挂箱连接的圆环段、两个加强肋段和后部圆形底盖。
固体发动机壳体组装
11段发动机壳体由通过突缘-u形槽装配方式连接在一起，每个接合面周围用177个钢销加以固定。这些圆柱体经过机械加工达到良好的公差并进行配合之后，它们部分地在工厂装配成四个壳体部件。这四个壳体部件就是浇铸推进剂的发动机壳体的几个部分。它们通过铁路分段运往肯尼迪航天中心。助推器被运走之前的连接被认为是工厂的装配。四个壳体部件之间的连接称作现场装配；助推器各段在肯尼迪航天中心撂起来，待最后组装时连接在一起。
除了上升和再入以外，航天飞机典型的七天飞行都是在轨道上进行的。在哪里完成预定的任务;进行科学实验;把卫星送入轨道、回收或维修;对地球和太阳系进行观察。在作?卫星飞行期间，航天飞机大约每90分钟绕地球转一圈。
当航天飞机离开轨道后，就以每小时大约17500英里的速度飞行。用反推火箭发动机把航天飞机的头部再次朝向前方，以便再入大气层。那些推力器继续控制轨道器的姿态，直到大气层密度足以使空气动力面起作用为止。
航天飞机以25马赫的速度在40万英尺高空再入越来越稠密的大气层。轨道器保持仰角的那种姿态增大了气动阻力，因此有助于消散航天器再入大气时所拥有的巨大能量。轨道器表面的摩擦热靠防热瓦进行隔热，同时，摩擦热使周围空气电离，会妨碍与地面的无线电通信13分钟。当航天飞机马赫数降到为4.2时，转动方向舵，马赫数为1时，最后的反作用推力器停止工作。此后，飞行器专全像飞机一样通过空气动力控制面升降副翼、方向舵、速度制动器和机体襟翼进行机动飞行。
回收的固体发动机
在着陆进场方式上，轨道器没有动力。它只有速度和高度。必须精心控制它的能量，以便便使航天飞机靠气动控制作机动飞行，达到安全着陆。末段开始，当航天飞机朝着跑道下滑时，滑行坡度很陡，为19度。着地前半分钟，距跑道两英里时，飞行器以小角度飞行，几乎是平的，1.5度的下滑坡度，以每小时225英里的速度着地。航天飞机在跑道上滑行到停止，至此飞行任务完成。
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