航天飛機是把通常的火箭、宇宙飛船和飛機的技術結合起來的一種新型運載工具，它最主要的特點是能夠像客貨運班機一樣，在宇宙航行中往返使用多次。關於航天飛機的研製工作雖然遲至70年代才大力展開，但早在50多年前，一批先驅者已認識到了它的優越性，並做了大量工作。
20世紀初，在齊奧爾科夫斯基、哥達德和奧伯茨為“一次性火箭”奠定理論基礎並進行實驗的同時，對於宇航工具就存在著一種截然不同的設想：運載工具不僅要飛離地球，而且要能回到地球，即可以重複使用。雖然可多次使用的運載工具有很多優越性，但卻僅僅留在紙面上，首先付諸實施並獲得巨大成就的還是一次性使用的火箭。這是因為可多次使用的運載器的研製要困難得多。此外，多次使用這個優點，對於兵器技術沒有什麼吸引力，因為在軍事上這並不十分重要。但利用可重複使用運載器飛向空間的想法卻從來沒有放棄過。
60年代至70年代，由於使用一次性火箭耗費太大，於是人們迫切要求研製可多次使用的廉價運載工具。到60年代末，人類已經掌握了洲際導彈、載人登月和大型噴氣客機等技術，研製航天飛機的技術條件成熟了。美國在1968年就開始了航天飛機方案的討論，先後提出了許多方案。1970年7月正式開始研製，具體方案經過多次修改，到1976年2月才基本確定下來，這就是“哥倫比亞”航天飛機方案。“哥倫比亞”航天飛機主要包括三部分：軌道器、助推火箭和推進劑外貯箱。總長度為56米，機重2000噸。軌道器是航天飛機的主體，可以載人和有效載荷。軌道分前、中、後三段，前段乘人，中段可以容納人造衛星和各種儀器設備，後段裝有三臺使用液體燃料的主發動機，推力為510噸。兩個固體燃料助推火箭重580噸，推力為1315噸。
推進劑外貯箱內前後兩個貯箱分別裝液氫和液氧，為軌道器的主發動機提供燃料。“哥倫比亞”號的整個飛行過程可分為上升、軌道飛行和返回三個階段。發射時助推火箭和主發動機同時點火，航天飛機垂直起飛，當飛到50千米高時，助推火箭熄火，同軌道器自動分離。在快要進入繞地球運行的軌道時，主發動機熄火。接著由兩臺發動機提供推力，使軌道器進入地球軌道，至此上升階段結束，軌道器繞地球開始無動力飛行，乘員執行各種任務。任務完成後開始返回階段。
機動發動機再次點火，進行制動減速，使軌道器脫離運行軌道，重新進入大氣層，在大氣中摩擦減速。這時軌道器變成了一架重型滑翔機，機翼成了決定性的器件，使它完成最後著陸階段的滑翔飛行。在機場著陸時的速度為每小時341～346千米。1981年4月12日，美國航天飛機“哥倫比亞”號載著兩名宇航員首次試飛，經過54個半小時的飛行，繞地球36周後於14日安全著陸。繼第一次試飛成功之後，“哥倫比亞”號航天飛機又成功地進行了三次試飛，對系統的各種性能進行全面的試驗。1982年11月11日，“哥倫比亞”號航天飛機正式開航。
它攜帶宇航員成功地在空間將兩顆衛星發射到預定的地球同步軌道位置上，從而開創了商業性空間運輸的新紀元。繼“哥倫比亞”號之後，1983年美國第二架航天飛機“挑戰者”號也試飛成功。航天飛機的出現是航天事業中的一場革命，航天飛機和大型空間站將是航天新時代的標誌。
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