空天飞机是既能航空又能航天的新型飞行器。它像普通飞机一样起飞，以高超音速在大气层内飞行，在30～100公里高空的飞行速度为12～25倍音速，并直接加速进入地球轨道，成为航天飞行器，返回大气层后，像飞机一样在机场着陆。在此之前，航空和航天是两个不同的技术领域，由飞机和航天飞行器分别在大气层内、外活动，航空运输系统是重复使用的，航天运载系统一般是不能重复使用的。而空天飞机能够达到完全重复使用和大幅度降低航天运输费用的目的。
空天飞机还具有重要的军事价值，可作为战略轰炸机、战略侦察机和远程截击机使用，这对进一步发挥战略空军的作用具有重要意义。
美国正开发新型的航空航天飞机，在有人驾驶时，能在常规机场水平起飞和着陆；还可在大气层内飞行，此时飞行马赫数为5，从美国的纽约飞往东京只需2小时；也可作地球大气层外的轨道飞行，此时的飞行速度为25倍音速，仅需90分钟就能绕地球一周。除作常规的民航机外，它还可代替现有的航天飞机作轨道飞行。据估计，使用高超音速航空航天飞机可使民航机的速度增加6倍，而航天飞行器的发射费用减少90%。1986年2月，美国总统在国情咨文讲话中，把航空航天飞机称作新的“东方快车”，要求它在本世纪末投入使用。这种航空航天飞机是航空航天技术一体化的体现，能在常规飞机跑道上起飞和着陆，自由方便地往返大气层的一种新型飞行器。其起飞重量不到第一代航天飞机总重的1/5（约500吨），而运载能力则提高两倍多（达60吨以上），这样就可大幅度降低航天运输费用。
在军事上，这种空天飞机既可作为全球高超音速运输、洲际轰炸和战略侦察，又可作为航天运载工具或太空兵器，有可能成为一般轰炸机、战斗机和导弹所“不可比拟”的攻击和防御力量。美国拟议中的空天飞机方案主要有两种：一种是拟用作跨太平洋飞行的高超音速运输机，称“东方快车”，能以5～6倍音速在3万米的高度作巡航飞行，只需两小时可从美国杜勒斯机场飞至日本东京；另一种为“跨大气层飞行器”，可作轨道飞行（飞入地球低轨道的速度为25倍音速），也可在次轨道作气动力机动，然后在回升到轨道上以轨道速度航行。美国从1982年开始实施空天飞机这一长远发展计划，总费用预计为数十亿至200亿美元，由美国国防部和国家航空航天局联合进行技术研究。为了解决在大气层中持续高超音速飞行的问题，1985年以前在氢燃料的空气涡轮冲压发动机和超音速燃烧冲压发动机技术研究方面，已有所突破。从1986年至1988年，集中进行这类发动机的方案论证工作，并加速发展机体设计、动力装置等关键技术，在1988年后着手研制一架试验样机，于l992年至1995年期间进行飞行试验。它既是一种反应快、费用较低的跨大气层飞行的运输机，也是一种装备有计算机和先进探测设备的侦察飞行器，还可能是一种廉价、灵活并可重复使用的太空发射平台。在未来太空战中，既可以当作航空兵参加战斗，也可以参加天军行列，出现在太空战场上，与大空“敌人”厮杀。它是比航天飞机更为灵活、战斗力更强的一种大空武器。
当然，在国际军力对比极不平衡的情况下，无论是从效用性、时效性和应用范围来看，还是从制造和使用的成本角度来说，纯粹空天飞机的未来角色，主要还在于战略威慑和执行特殊任务，不可能像普通军用飞机一样批量生产和成建制列装。而具备空天飞机特征的第六代战斗机，则更具有实际意义。因此，就目前而言，不少国家都把注意力放在发展高性能飞机执行航天任务上。