航天飛機(Space Shuttle，又稱為太空梭或太空穿梭機)是可重複使用的、往返於太空、宇宙和地面之間的航天器，結合了飛機與航天器的性質。
航天飛機是一種有人駕駛可重複使用的航天器，它既能像火箭一樣垂直起飛，像太空飛船一樣在軌道上運行，又能像飛機一樣水平著陸。
航天飛機一般可乘坐7名航天員，其中有3名機組人員，4名科學技術專家。航天飛機在軌道上運行時，可完成釋放衛星、回收及維修衛星、進行各種微重力科學實驗等多種任務。
飛機設計
航天飛機
航天飛機是一種為穿越大氣層和太空的界線(高度100公里的卡門線)而設計的火箭動力飛機。它是一種有翼、可重複使用的航天器，由輔助的運載火箭發射脫離大氣層，作為往返於地球與外層空間的交通工具，航天飛機結合了飛機與航天器的性質，像有翅膀的太空船，外形像飛機。航天飛機的翼在回到地球時提供空氣剎車作用，以及在降跑道時提供升力。航天飛機升入太空時跟其他單次使用的載具一樣，是用火箭動力垂直升入。因為機翼的關係，航天飛機的有效載荷比例較低。設計者希望以重複使用性來彌補這個缺點。
航天飛機除了可以在天地間運載人員和貨物之外，憑著它本身的容積大、可多人乘載和有效載荷量大的特點，還能在太空進行大量的科學實驗和空間研究工作。它可以把人造衛星從地面帶到太空去釋放，或把在太空失效的或毀壞的無人航天器，如低軌道衛星等人造天體修好，再投入使用，甚至可以把歐空局研製的"空間實驗室"裝進艙內，進行各項科研工作。
航天飛機的飛行過程大致有上升、軌道飛行、返回三個階段。起飛命令下達後，航天飛機在助推火箭的推動下垂直上升，直至進入預定軌道，完成上升。進入軌道後，航天飛機的主發動機熄火，由兩臺小型火箭發動機控制飛行。到達預定地點後，航天飛機開始工作。航天飛機完成任務後，便開始重新啟動發動機，向著地球飛行。進入大氣層後，航天飛機速度開始放慢，並像普通滑翔機一樣滑翔著陸。
飛機的組成
航天飛機實際上是一個由軌道器、外貯箱和固體助推
火箭助推器
器組成的往返航天器系統，但人們通常把其中的軌道器稱作為航天飛機。
(1)軌道器:軌道器是航天飛機的核心部分，是整個航天飛機系統中唯一可載人、可重複使用的部分。
(2)固體助推器:固體助推器的作用是助推，用於補充主發動機推力的不足。以供再用。
(3)外貯箱:航天飛機的主發動機是液體火箭發動機，推進劑是液體燃料液態氧和液態氫。液體推進劑不裝在航天飛機上，而是裝在一個獨立的可以拋棄的外貯箱裡面。採用這種結構形式，可以減少航天飛機軌道器的尺寸和重量，否則航天飛機的軌道器非常龐大。
美國研製過5種型號的航天飛機:哥倫比亞號航天飛機、挑戰者號航天飛機、發現號航天飛機、亞特蘭蒂斯號航天飛機和奮進號航天飛機。
前蘇聯研製過暴風雪號航天飛機，1991年對暴風雪號航天飛機成功地進行了無人軌道試飛，其後，由於蘇聯1991年解體，計劃終止。
組成部分
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基本組成部分
航天飛機的構造
航天飛機是一種藉助外掛助推器垂直起飛、自身可以水平降落的載人航天器，它以火箭發動機為動力發射到太空，能在軌道上運行，且可以往返於地球表面和近地軌道之間，可部分重複使用的航天器。它由軌道器、固體燃料助推火箭和外儲箱三大部分組成。
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外部燃料箱
外表為鐵鏽顏色，主要由前部液氧箱、後部液氫箱以及連接前後兩箱的箱間段組成。外部燃料箱負責為航天飛機的3臺主發動機提供燃料。外部燃料箱是航天飛機三大模塊中唯一不能重複使用的部分，發射後約8.5分鐘，燃料耗盡，外部燃料箱便被墜入到大洋中。
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火箭助推器
這對火箭助推器中裝有助推燃料，平行安裝在外部燃料箱的兩側，為航天飛機垂直起飛和飛出大氣層進入軌道，提供額外推力。在發射後的頭兩分鐘內，與航天飛機的主發動機一同工作，到達一定高度後，與航天飛機分離，前錐段裡降落傘系統啟動，使其降落在大西洋上，可回收重複使用。
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軌道器
即航天飛機本身，它是整個系統的核心部分。軌道器是整個系統中惟一可以載人的、真正在地球軌道上飛行的部件，它很像一架大型的三角翼飛機。它的全長37.24m，起落架放下時高17.27m;三角形後掠機翼的最大翼展23.97m;不帶有效載荷時質量68t，飛行結束後，攜帶有效載荷著陸的軌道器質量可達87t 。它所經歷的飛行過程及其環境比現代飛機要惡劣得多，它既要有適於在大氣層中作高超音速、超音速、亞音速和水平著陸的氣動外形，又要有承受載人大氣層時高溫氣動加熱的防熱系統。因此，它是整個航天飛機系統中，設計最困難，結構最複雜，遇到的問題最多的部分。
軌道器由前、中、尾三段機身組成。前段結構可分為頭錐和乘員艙兩部分，
航天飛機發射
頭錐處於航天飛機的最前端，具有良好的氣動外形和防熱系統，前段的核心部分是處於正常氣 壓下的乘員艙。這個乘員艙又可分為三層:最上層是駕駛臺，有4個座位，中層是生活艙，下層是儀器設備艙。乘員艙為航天員提供寬敞的空間，航天員在艙內可穿普通地面服裝工作和生活。一般情況下艙內可容納4~7人，緊急情況下也可容納10人。
航天飛機的中段主要是有效載荷艙。這是一個長18m ，直徑4.5m，容積300m3的大型貨艙，一次可攜帶質量達29t 多的有效載荷，艙內可以裝載各種衛星、空間實驗室、大型天文望遠鏡和各種深空探測器等。為了在軌道上施放所攜帶的有效載荷或回收軌道上運行的有效載荷，艙內設有一或二個自動操作的遙控機械手和電視裝置。機械手是一根很細的長杆，在地面上它幾乎不能承受自身的重量，但是在失重條件下的宇宙空間，卻可以迅速而靈活地載卸10t多的有效載荷。航天飛機中段機身除了提供貨艙結構之外，也是前、後段機身的承載結構。
航天飛機的後段比較複雜，主要裝有三臺主發動機，尾段還裝有兩臺軌道機動發動機和反作用控制系統。在主發動機熄火後，軌道機動發動機為航天飛機提供進入軌道、進行變軌機動和對接機動飛行以及返回時脫離軌道所需要的推力。反作用控制系統用來保持航天飛機的飛行穩定和姿態變換。除了動力裝置系統之外，尾段還有升降副翼、襟翼、垂直尾翼、方向舵和減速板等氣動控制部件。
誕生歷史
航天飛機
1969年4月，美國宇航局提出建造一種可重複使用的航天運載工具的計劃。1972年1月，美國正式把研製航天飛機空間運輸系統列入計劃，確定了航天飛機的設計方案，即由可回收重複使用的固體火箭助推器，不回收的兩個外掛燃料貯箱和可多次使用的軌道器三個部分組成。經過5年時間，1977年2月研製出一架企業號航天飛機軌道器，由波音747飛機馱著進行了機載試驗。1977年6月18日，首次載人用飛機背上天空試飛，參加試飛的是宇航員海斯(C·F·Haise)和富勒頓(G·Fullerton)兩人。8月12日，載人在飛機上飛行試驗圓滿完成。又經過4年，第一架載人航天飛機終於出現在太空舞臺，這是航天技術發展史上的又一個里程碑。
雖然世界上也有許多國家都陸續進行過航天飛機的開發，但只有美國與前蘇聯實際成功發射並回收過這種交通工具。但由於蘇聯瓦解，相關的設備由哈薩克接收後，受限於沒有足夠經費維持運作使得整個太空計劃停擺，因此全世界僅有美國的航天飛機機隊可以實際使用並執行任務。
另外,太空遊客也是航天員。乘坐飛船或者航天飛機上天的人都是航天員，也就是說這些人在上天前都已經具備了航天員的要求。在飛天之前，這些普通人都是經過嚴格的身體檢查和長時間的正規的航天員培訓，經考核合格的只是"太空遊客"所承擔的太空飛行任務不同，他是作為航天載荷任務專家參與飛行的，他與駕駛員、工程師的任務不同，所以對身體的要求相對低一些。航天飛機升空時的重量比火箭大許多，所以加速度較小，一般是3G(火箭是4-4.5G)。
航天記錄
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20世紀
從1981年至1993年底，美國一共有5架航天飛機進行了79次飛行，其中哥倫比亞號航天飛機15次，挑戰者號10次，發現號17次，亞特蘭蒂斯號12次，奮進號25次。每次載宇航員2至8名，飛行時間從2天到14天。在12年中，已有301人次參加航天飛機飛行，其中包括18名女宇航員。航天飛機的59次飛行中，在太空施放衛星50多顆，載2座空間站到太空軌道，發射了3個宇宙探測器，1個空間望遠鏡和1個γ射線探測器，進行了衛星空間回收和空間修理，開展了一系列科學實驗活動，取得了豐碩的探測實驗成果。美國航天飛機創造了許多航天新紀錄。航天飛機首航指令長約翰·楊6次飛上太空，是當時世界上參加航天次數最多的宇航員。
1981年4月12日，第一架航天飛機哥倫比亞號航天飛機發射，宇航員翰·楊(John W·Young)和克里平(Robert L·Crippen)揭開了航天史上新的一頁。
1983年6月18日女宇航員莎麗·賴德(Sally K·Ride)乘挑戰者號上天飛行，名列美國婦女航天的榜首。
1983年8月30日，"挑戰者"號航天飛機首次實現黑夜發射，6天后又在黑夜降落，宇航員隊伍中的布拉福德是第一位"登天"的黑人。
1984年2月3日乘挑戰者號上天的麥坎德利斯(B·McCandless)，成為世界上第一位不繫安全帶到太空行走的宇航員,此後宇航員"太空漫步"成為航天飛機任務中經常出現的畫面。
1984年4月6日挑戰者號上天后，宇航員首次抓獲和修理軌道上的衛星成功。
1984年10月5日，又是"挑戰者"號，首次搭載了7名宇航員升空，其中女宇航員凱瑟琳·蘇利文成為第一位太空行走的美國女性，從此航天飛機經常運送7名宇航員。
1985年1月24日發現號升空，首次執行秘密的軍事任務。
1985年4月29日，第一位華裔宇航員王贛駿(Taylor Wang)乘挑戰者號上天參加科學實驗活動。
1985年11月26日，亞特蘭蒂斯載宇航員上天第一次進行搭載空間站試驗。
1986年1月28日，"挑戰者"號在發射升空時由於O型密封圈脫落導致一連串反應，並在發射升空72秒時爆炸解體墜毀。造成7名宇航員喪生，才有了里根總統那次著名的演講《真正的英雄》。
1988年9月28日，"發現"號在航天飛機任務中止32個月後升空，5名宇航員釋放了一顆衛星，並完成了幾項科學實驗，這標誌著航天飛機項目再次走上正軌。
1990年4月24日，"發現"號航天飛機將"哈勃"太空望遠鏡送上軌道，人類有了觀察遙遠宇宙的"火眼金睛"。
1992年5月7日奮進號首次飛行，宇航員在太空第一次用手工操作搶救回收衛星成功。
1992年7月31日亞特蘭蒂斯號上天，首次進行繩系衛星發電試驗。
1992年9月12日，"奮進"號升空，這架航天飛機成為宇航員馬克·李和簡·戴維斯的"婚禮特快"，這兩位宇航員是第一對在太空締結良緣的夫婦。
1995年6月27日，"亞特蘭蒂斯"號發射，它實現了航天飛機和俄羅斯的"和平號"軌道空間站首次對接，美國和俄羅斯宇航員在外太空互相"串門"，新聞評論說"冷戰"已在地球之外結束。
1996年11月19日，"哥倫比亞"號發射，共飛423小時53分鐘，創造了航天飛機停留外太空時間最長的記錄。
1998年10月29日，"發現"號搭載著77歲的參議員約翰·格倫起飛。格倫是曾搭乘"水星"飛船升空並進行軌道飛行的美國首名宇航員，這次他又成為最高齡的"太空人"。
1999年7月23日，"哥倫比亞"號發射，這次指揮它的是艾琳·柯林斯，標誌著女性首次成為航天飛機的機長。
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21世紀
2003年2月1日，"哥倫比亞"號在返回地面過程中於空中解體，成為繼"挑戰者"之後的第二艘失事的航天飛機。
2005年8月9日，美國"發現"號航天飛機在 美國加利福尼亞州的愛德華茲空軍基地安全降落，結束了長達14天的太空之旅。這是自"哥倫比亞"號航天飛機失事後，美國航天飛機首次順利地重返太空，並且平安回家。
2006年17日，發現號航天飛機在佛羅里達州肯尼迪航天中心成功著陸。此次發現號順利完成國際空間站維修和建設任務，併為國際空間站送去一名宇航員。
2009年，美國東部時間5月11日下午2時左右，美國"亞特蘭蒂斯"號航天飛機從佛羅里達州肯尼迪航天中心發射升空，機上7名宇航員將對哈勃太空望遠鏡進行最後一次維護。美國西部時間24日8時39分，"亞特蘭蒂斯"號航天飛機載著7名宇航員安全降落在加利福尼亞州愛德華茲空軍基地，圓滿完成了對哈勃太空望遠鏡最後一次維護的飛行任務。
2009年7月15日(北京時間16日6時3分)，美國"奮進"號航天飛機從佛羅里達州肯尼迪航天中心成功升空，啟程前往國際空間站日本艙安裝最後一個組件。
2009年8月，美國東部時間28日23時59分(北京時間29日11時59分)，美國"發現"號航天飛機從佛羅里達州肯尼迪航天中心發射升空。"發現"號搭載7名宇航員，從肯尼迪航天中心發射升空前往國際空間站，運送數噸的補給和設備。此前，"發現"號的發射已三次被延遲。25日因為天氣狀況推遲，隨後於26和28日兩度推遲，主要原因是裝有液體氫的燃料箱閥門出現問題。
2009年9月美國東部時間11日晚間7時47分(北京時間12日上午7時47分)發現號開始點火進行變軌，於當天晚間8時53分(北京時間12日上午8時53分)在愛德華茲空軍基地安全著陸。
2010年美國東部時間4月5日早上6點21分(北京時間18時21分)，美國"發現號"航天飛機順利發射升空，攜帶7名宇航員前往國際空間站。此次"發現號"除載有4名男性宇航員外，還攜帶有3名女性宇航員，將在國際空間站與1名女性宇航員會合，創造史上上太空的女性宇航員人數最多的紀錄，達到4人。
2011年2月24日美國"發現"號航天飛機從佛羅里達州肯尼迪航天中心發射升空，前往國際空間站，服役近27年的"發現"號將最後一次執行飛行任務。
2011年7月21日美國"亞特蘭蒂斯"號航天飛機於美國東部時間21日晨5時57分(北京時間21日17時57分) 在佛羅里達州肯尼迪航天中心安全著陸，結束其"謝幕之旅"，這寓意著美國30年航天飛機時代宣告終結。
中國方案
中國在1988年提出過4種航天飛機方案和宇宙飛船方案，當年被譽為"五朵金花"，最後選擇了神舟系列宇宙飛船。我國的航天飛機研製計劃最早提出於1988年，構想起於發展天軍的戰略，最早將其歸屬於863計劃子項目編號204的航天附屬項目中，是一個由宇宙飛船到航天飛機的漸進構想。當時，美國航天飛機成功首飛取得了巨大的轟動，所以我國國內主導意見是上航天飛機項目，宇宙飛船當時根本排不上號。在整整爭論了三年後，1992年中國載人航天計劃工程正式制定，提出了研製和運行以空間站為核心的載人航天系統，而天地往返系統確定為宇宙飛船，即後來的神舟系列宇宙飛船。
航天技術是"863計劃"《高技術研究發展計劃綱要》七大領域中的第二領域，主題項目是:大型運載火箭及天地往返運輸系統、載人空間站系統及其應用。"863計劃"出臺後，航天領域成立了兩個專家組，一是大型運載火箭及天地往返運輸系統，代號863-204;二是載人空間站系統及其應用，代號863-205。1987年，在原國防科工委的組織下，組建了"863計劃航天技術專家委員會"和主題項目專家組，對發展我國載人航天技術的總體方案和具體途徑進行全面論證。
"863-204"專家組在1987年4月發佈《關於大型運載火箭及天地往返運輸系統的概念研究和可行性論證》的招標通知，以招標方式選擇在技術方面有優勢的單位，按要求各自論證載人航天方案。
在2個月的時間內，各競標單位提出了11種技術方案。"863-204"專家組篩選出6種方案，要求他們在1988年6月底前，完成技術可行性論證報告，以便參加高層專家的評審。
方案一:航天部五院508所提出的載人飛船方案。
方案二:航天部一院一部提出的天驕一號小型航天飛機方案。它與方案三的長城一號航天飛機接近，所不同的是軌道器不帶主動力，返回時利用自身結構滑翔著陸。
方案三:航天部上海航天局805所與航空部604所共同提出的長城一號航天飛機方案。它垂直起飛，水平降落，部分重複使用，軌道器帶主動力可自主飛行。
方案四:航天部北京11所提出的V-2兩級火箭飛機的方案。它像火箭一樣垂直起飛，如飛機一樣水平著陸，以火箭發動機為動力，可完全重複使用。
方案五:航空部601所提出的H-2空天飛機方案。它可以像飛機一樣水平起飛和降落，使用吸氣式渦噴組合發動機，可完全重複使用。
方案六:航空部611所對法國正在研究的赫爾墨斯小型航天飛機的綜合分析，論證方認為法國搞的航天飛機在政治、經濟、技術背景與我國有相似之處，其總體技術與航天部一院一部提出的天驕一號小型航天飛機方案類似，是航天飛機諸方案中最省力、省時的方案。611所正在與國外開展航空技術方面的合作，可以一併引進國外的有關技術。
在綜合考慮了自身的技術基礎和經濟能力後，1990年5月，"863-2"專家委員會最終確定了"投資較小，風險也小，把握較大"的飛船方案，即利用我國現有的長征2E運載火箭發射一次性使用的宇宙飛船，作為突破我國載人航天的第一步;在2010年或稍後再建成載人空間站大系統。
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