总述
航天飞机是一种可以重复使用、往返于地面和高度在数百公里以下的近地轨道之间的兼有运载器和航天器双重功能的飞行器。
航天飞机集火箭，卫星和飞机的技术特点于一身，它能像火箭那样垂直发射进入空间轨道，又能像卫星那样在太空轨道飞行，还能像飞机那样再入大气层滑翔着陆，随着科学技术的发展，航天飞机已成为发射火箭卫星上天的重要载体。
目前世界上航天飞机已经研制成功并投入运行的国家只有美国和苏联，苏联的航天飞机与美国的航天机基本上相似。美国航天器自1981年首次发射成功至今已成功完成了100多次空间飞行任务。
航天飞机是人类有史以来建造的最复杂的机器，强大的运载能力使其成为独一无二的航天器。正是在航天飞机强大运载能力支持下，人类才有可能一步步修建国际空间站——这个世界上最大的太空轨道实验室，为人类未来登陆月球、奔向火星乃至更广阔的宇宙空间铺平了道路。
航天飞机航天飞机是世界上唯一的可重复使用的航天运载器。20世纪70～80年代，美国、苏联、法国和日本等国相继开始研制航天飞机，但由于技术和资金等原因，到目前只有美国研制的航天飞机投入使用。
航天飞机比火箭、卫星和飞船具有更多的优点和更多的用途，在军事上有着发射、维修、回收卫星，侦察与监视地面军事目标，指挥和控制地面军事力量，组装与维修空间军事设施，拦截与摧毁卫星、导弹等应用潜力。
航天飞机曾在空间捕获一颗未能进入同步轨道的国际通信卫星6号，进行修理后，又把它送入同步轨道。它还发射过并三次整修哈勃空间望远镜。航天飞机通常可乘7人，飞行时间一般在2周以下，最长可达28天。
航天飞机的可靠性还是非常高，自1986年1月挑战者号发射失败后一直到2002年4月为止已成功飞行过110次。2005年7月26日任务STS-114——哥伦比亚号解体意外后首次返回太空。
组成部分
航天飞机是一种垂直起飞、水平降落的载人航天器，它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储箱三大部分组成。
外部燃料箱
外表为铁锈颜色，主要由前部液氧箱、后部液氢箱以及连接前后两箱的箱间段组成。外部燃料箱负责为航天飞机的3台主发动机提供燃料。外部燃料箱是航天飞机三大模块中唯一不能重复使用的部分，发射后约8.5分钟，燃料耗尽，外部燃料箱便被坠入到大洋中。
外燃料箱有三个主要部件，它们分别是：氧燃料箱、氢燃料箱和燃料箱，氧燃料箱位于航天飞机的前部，氢燃料箱位于航天飞机的后不，而燃料箱位于航天飞机的中部；后者将两个推进燃料箱连在一起，仪表和燃料处理设备也在中间箱里，同时，它也为固体火箭助推器前端提供附着结构。
外燃料箱的皮肤由执保护系统覆盖。热保护系统是一层2.5厘米（1英寸）厚的聚氨酯泡沫涂料，作用是将推进剂维持在一个可接受的温度，保护皮肤表面不会因为与大气摩擦产生的高温损坏，也将表面结冰的可能性降至最低。氢燃料箱的体积是氧燃料箱的2.5倍，但完全灌满燃料后，其重量只有后者的三分之一，这是因为液态氧的密度是液态氢的16倍。
外燃料箱包括一个推进剂输出系统，将推进推输送到轨道器的发动机里；一个加压与通风系统，负责调控燃料箱的压力；环境调节系统，负责调控温度，补充中间燃料箱区域的大气；还有一个电子系统，负责分配电力、仪表信号，提供闪电保护。
一对固体火箭助推器
这对火箭助推器中装有助推燃料，平行安装在外部燃料箱的两侧，为航天飞机垂直起飞和飞出大气层进入轨道，提供额外推力。在发射后的头两分钟内，与航天飞机的主发动机一同工作，到达一定高度后，与航天飞机分离，前锥段里降落伞系统启动，使其降落在大西洋上，可回收重复使用。
轨道器
即航天飞机本身，它是整个系统的核心部分。轨道器是整个系统中惟一可以载人的、真正在地球轨道上飞行的部件，它很像一架大型的三角翼飞机。
轨道器全长37.24米，起落架放下时高17.27米；三角形后掠机翼的最大翼展23.97米；不带有效载荷时质量68吨，飞行结束后，携带有效载荷着陆的轨道器质量可达87吨。它所经历的飞行过程及其环境比现代飞机要恶劣得多，它既要有适于在大气层中作高超音速、超音速、亚音速和水平着陆的气动外形，又要有承受再人大气层时高温气动加热的防热系统。因此，它是整个航天飞机系统中，设计最困难，结构最复杂，遇到的问题最多的部分。
轨道器由前、中、尾三段机身组成。前段结构可分为头锥和乘员舱两部分，头锥处于航天飞机的最前端，具有良好的气动外形和防热系统，前段的核心部分是处于正常气压下的乘员舱。这个乘员舱又可分为三层：最上层是驾驶台，有4个座位，中层是生活舱，下层是仪器设备舱。
乘员舱为航天员提供宽敞的空间，航天员在舱内可穿普通地面服装工作和生活。一般情况下舱内可容纳4～7人，紧急情况下也可容纳10人。
航天飞机的中段主要是有效载荷舱。这是一个长18米，直径4.5米，容积300立方米的大型货舱，一次可携带质量达29吨多的有效载荷，舱内可以装载各种卫星、空间实验室、大型天文望远镜和各种深空探测器等。
为了在轨道上施放所携带的有效载荷或回收轨道上运行的有效载荷，舱内设有一或二个自动操作的遥控机械手和电视装置。机械手是一根很细的长杆，在地面上它几乎不能承受自身的重量，但是在失重条件下的宇宙空间，却可以迅速而灵活地载卸10t多的有效载荷。
航天飞机中段机身除了提供货舱结构之外，也是前、后段机身的承载结构。
航天飞机的后段比较复杂，主要装有三台主发动机，尾段还装有两台轨道机动发动机和反作用控制系统。在主发动机熄火后，轨道机动发动机为航天飞机提供进入轨道、进行变轨机动和对接机动飞行以及返回时脱离轨道所需要的推力。
反作用控制系统用来保持航天飞机的飞行稳定和姿态变换。除了动力装置系统之外，尾段还有升降副翼、襟翼、垂直尾翼、方向舵和减速板等气动控制部件。
航天飞机主发动机
航天飞机主发动机是航天飞机的重要部件，它与固体燃料火箭助推器联接在一起的三个主发动机在最初上升阶段为轨道飞行器提供推力，使之脱离地球引力。在发射后，主发动机继续运作8.5分钟左右，这段期间是航天飞机用动力推动飞行。
在航天飞机加速时，主发动机会燃烧掉50万加仑的液态推进剂，这些推进剂由巨大的橙色外挂燃料箱提供，主发动机燃烧液氢和液氧，而液氢是世界上第二最冷的液体，温度在零下华氏423度（摄氏零下252.8度）。当固体燃料火箭被抛开后，主发动机提供的推力将航天飞机的速度在6分钟里从每小时4828千米提高到每小时27358千米以上并进入飞行轨道。
发动机一开始排放的是氢和氧合成的水汽。主发动机在分阶段燃烧周期内使用高能推进剂产生推力，推进剂的一部分在双重预烧器里消耗掉，产生高压热气，推动涡轮泵。燃烧是在主燃烧室完成的，主发动机燃烧室里的温度可达到华氏6000度（摄氏3315.6度）。每个航天飞机的主发动机使用的液氧/液氢比例是6比1，产生水平推力179097千克、垂直推力213188千克。
发动机产生的推力可在65%至109%的范围内调节，这样，点火发动和初始上升阶段可以有更大的推力，而在最后的上升阶段减少推力，将加速度限制在3克以下。在上升阶段，发动机的万向接头（平衡架）可提供倾斜、偏航和滚动控制。
飞行原理
航天飞机由轨道飞行器、固体火箭助推器和外挂贮箱3大部分组成，航天飞机起飞的动力源自两台巨大的集束式助推器和3台液体推进剂。在这些起飞动力装置中，中心部分是一个外形像一架三角翼滑翔机的轨道飞行器，它垂直发射，是航天飞机飞行时必不可少的配件，它在进入地球大气层后像普通飞机那样下滑着陆。
航天飞机在起飞时，利用外挂贮箱内的液氢推进剂作为主发动机的动力，贮箱随着推进剂的使用完毕而投弃，另外，航天飞机还依据轨道飞行器顺利飞行；一般情况下，航天飞机的轨道飞行器可使用次数在100次以上，它有一个巨大的货仓，可以作为卫星及其他材料的存储点；大规模的太空作业时，还可将外挂贮箱带入轨道，作为航天站的核心部分。
飞行高度在1000千米以下是航天飞机近地轨道的飞行高度，向国际空间站运送宇航员和各种建设用部件和补养是目前航天飞机的主要任务，因为航天飞机的运载能力比较大，所以航天飞机往往采用多级组合形式，在需要高轨道运行有效载荷的时候，还可以由航天飞机将其送上近地轨道后再从这个轨道发射，使其进入高轨道，以完成最终任务。
美国航天飞机介绍
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。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。
经过5年时间，1977年2月研制出一架创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，参加试飞的是宇航员海斯和富勒顿两人。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。
其他国家航天飞机计划
苏俄航天飞机
1988年11月16日莫斯科时间清晨6时整，苏联的暴风雪号航天飞机从拜科努尔航天中心首次发射升空，47分钟后进入距地面250千米的圆形轨道。它绕地球飞行两圈，在太空遨游3小时后，按预定计划于9时25分安全返航，准确降落在离发射地点12千米外的混凝土跑道上，完成了一次无人驾驶的试验飞行。
暴风雪号航天飞机大小与普通大型客机相差无几，外形同美国航天飞机极其相仿，机翼呈三角形。机长36米，高16米，翼展24米，机身直径5.6米，起飞重量105吨，返回后着陆重量为82吨。它有一个长18.3米，直径4.7米的大型货舱，能将30吨货物送上近地轨道，将20吨货物运回地面。头部有一容积70立方米的乘员座舱，可乘10人。
科学家们认为，这次完全靠地面控制中心遥控机上的电脑系统，在无人驾驶的条件下自动返航并准确降落在狭长跑道上，其难度比1981年美国航天飞机有人驾驶试飞大得多。
首先，暴风雪号的主发动机不是装在航天飞机尾部，而是安装在能源号火箭上，这样就大大减轻了航天飞机的入轨重量，同时腾出位置安装小型机动飞行发动机和减速制动伞。
其次，暴风雪号着陆时，可用尾部的小型发动机做有动力的机动飞行，安全准确地降落在狭长跑道上，万一着陆失败，还可以将航天飞机升起来进行第二次着陆，从而提高了可靠性。而美国航天飞机靠无动力滑翔着陆只能一次成功。
第三，暴风雪号能象普通飞机那样借助副翼，操纵舵和空气制动器来控制在大气层内滑行，还准备有减速制动伞，在降落滑跑过程中当速度减慢到50千米/小时自动弹出，使航天飞机在较短距离内停下来。
暴风雪号首航成功，标志着苏联航天活动跨入一个新的阶段，为建立更加完善的天地往返运输系统辅平了道路。原计划一年后进行载人飞行，但由于机上系统的安全可靠尚未得到充分保证，加之其后政治和经济等方面的原因，载人飞行的时间便推迟了。
欧洲国家的航天飞机计划
在其他国家也存在着航天飞机的计划，英国曾经设计一种航天飞机，其外形很独特，外形和一枚运载火箭一样大小，英国人取名为“霍托”，是无人驾驶的航天飞机，用于运输。它既能垂直发射，也能使用当时和法国联合研制的协和超音速飞机的跑道起飞。
而另外法国人也构想过一种小型的航天飞机其外形和美国的航天飞机外形一样只不过外形比美国的航天飞机更小，只有一对小型引擎，由法国研制的“阿尔丽娜”型火箭发射。
中国的航天飞机计划
我国的航天飞机研制计划最早提出于80年代中期，构想起于发展天军的战略，最早将其归属于863计划子项目编号204的航天附属项目中，是一个由宇宙飞船到航天飞机的渐进构想。当时，美国航天飞机成功首飞取得了巨大的轰动，所以我国国内主导意见是上航天飞机项目，宇宙飞船当时根本排不上号。
在整整争论了三年后，1992年中国载人航天计划工程正式制定，提出了研制和运行以空间站为核心的载人航天系统，而天地往返系统确定为宇宙飞船，即后来的神舟系列宇宙飞船。当年力主宇宙飞船方案的航天专家王希季院士回想道：“如果中国当时研制航天飞机，那么现在载人计划（神舟飞船）恐怕早就下马了。
航天技术是“863计划”《高技术研究发展计划纲要》七大领域中的第二领域，主题项目是：大型运载火箭及天地往返运输系统、载人空间站系统及其应用。
“863计划”出台后，航天领域成立了两个专家组，一是大型运载火箭及天地往返运输系统，代号863-204；二是载人空间站系统及其应用，代号863-205.1987年，在原国防科工委的组织下，组建了“863计划航天技术专家委员会”和主题项目专家组，对发展我国载人航天技术的总体方案和具体途径进行全面论证。
“863-204”专家组在1987年4月发布《关于大型运载火箭及天地往返运输系统的概念研究和可行性论证》的招标通知，以招标方式选择在技术方面有优势的单位，按要求各自论证载人航天方案。
在不到2个月的时间里，各竞标单位提出了11种技术方案。“863-204”专家组筛选出6种方案，要求他们在1988年6月底前，完成技术可行性论证报告，以便参加高层专家的评审。虽然1987年的方案距今已有22年之久，但是我们今天翻看它们，仍然不得不为我国科学家的大胆和卓识油生敬意。
方案一：航天部五院508所提出的载人飞船方案。
方案二：航天部一院一部提出的天骄一号小型航天飞机方案。它与方案三的长城一号航天飞机接近，所不同的是轨道器不带主动力，返回时利用自身结构滑翔着陆。
方案三：航天部上海航天局805所与航空部604所共同提出的长城一号航天飞机方案。它垂直起飞，水平降落，部分重复使用，轨道器带主动力可自主飞行。
方案四：航天部北京11所提出的V-2两级火箭飞机的方案。它像火箭一样垂直起飞，如飞机一样水平着陆，以火箭发动机为动力，可完全重复使用。
方案五：航空部601所提出的H-2空天飞机方案。它可以像飞机一样水平起飞和降落，使用吸气式涡喷组合发动机，可完全重复使用。
方案六：航空部611所对法国正在研究的赫尔墨斯小型航天飞机的综合分析，论证方认为法国搞的航天飞机在政治、经济、技术背景与我国有相似之处，其总体技术与航天部一院一部提出的天骄一号小型航天飞机方案类似，是航天飞机诸方案中最省力、省时的方案。
在综合考虑了自身的技术基础和经济能力后，1990年5月，“863-2”专家委员会最终确定了“投资较小，风险也小，把握较大”的飞船方案，即利用我国现有的长征2E运载火箭发射一次性使用的宇宙飞船，作为突破我国载人航天的第一步；在2010年或稍后再建成载人空间站大系统。