太空飛機是一種能夠像飛機一樣在地球/大氣層中飛行和滑翔，并能像航天器一樣在外太空進行機動的飛行器。要做到這一點，太空飛機必須同時具備飛機和航天器的特征。軌道上的航天飛機往往更類似于傳統的航天器，而亞軌道上的航天飛機則更類似于固定翼飛機。迄今為止，所有的太空飛機都是以火箭為動力，但隨后作為無動力的滑翔機降落。

有四種類型的航天飛機已經成功發射到軌道上，重新進入地球大氣層并著陸：美國航天飛機、俄羅斯Buran、美國X-37和中國CSSHQ。截至2019年，所有過去、現在和計劃中的軌道飛行器都在一個單獨的火箭上垂直發射，另一個是追夢者，正在美國開發中。軌道航天飛行是在高速度下進行的，軌道動能通常比亞軌道軌跡至少大50倍。因此，在再入大氣層時需要大量的熱屏蔽，因為這種動能是以熱的形式流出的。還有許多太空飛機被提出，但沒有一個達到飛行狀態。

至少有兩架以火箭為動力的亞軌道飛機在火箭飛越卡曼線之前，已經從空中的運載飛機水平發射到亞軌道空間飛行：X-15和SpaceShipOne。

太空飛機必須像傳統的航天器一樣在空間運行，但也必須像飛機一樣能夠在大氣中飛行。這些要求提高了太空飛機設計的復雜性、風險、干質量和成本。下面的章節將大量引用美國航天飛機，作為xxx、最致命、最復雜、最昂貴、飛行次數最多和xxx的載人軌道航天飛機，但其他設計也已成功飛行。

到達軌道所需的飛行軌跡導致重大空氣動力負荷、振動和加速度，所有這些都必須由飛行器結構來承受。

如果運載火箭出現災難性故障，傳統的太空艙航天器會被發射逃生系統推進到安全地帶。航天飛機太大太重，這種方法不可行，導致了一些可能或可能無法生存的中止模式。無論如何，挑戰者號的災難表明，航天飛機在上升過程中缺乏生存能力。

一旦進入軌道，航天飛機必須由太陽能電池板和電池或燃料電池提供動力，在太空中進行機動，保持熱平衡，確定方向，并進行通信。在軌的熱和輻射環境帶來了額外的壓力。這是在完成航天飛機發射時要完成的任務之外，如衛星部署或科學實驗。

航天飛機使用專用發動機來完成軌道機動。這些發動機使用了有毒的高聚物推進劑，需要特別的處理預防措施。各種氣體，包括用于加壓的氦氣和用于生命支持的氮氣，都在高壓下儲存在復合包裹的壓力容器中。

軌道航天器再入地球大氣層時必須甩掉大量的速度，導致極端的加熱。例如，航天飛機的熱保護系統（TPS）保護軌道飛行器的內部結構，其表面溫度高達1,650°C（3,000°F），遠遠高于鋼鐵的熔點。亞軌道航天飛機飛行的能量軌跡較低，對航天器熱保護系統的壓力沒有那么大。

哥倫比亞號航天飛機的災難就是TPS故障的直接結果。

空氣動力控制面必須被激活。起落架必須以額外的質量為代價。

噴氣式軌道空天飛機必須飛行所謂的 "壓抑軌跡"，這使飛行器在大氣層的高空高超音速飛行系統中飛行很長一段時間。

這種環境引起了高動態壓力、高溫和高熱流負荷，特別是在航天飛機的前緣表面，要求外表面由先進的材料構成和/或使用主動冷卻。

航天飛機是一個已退役的、部分可重復使用的低地球軌道航天器系統，由美國國家航空和航天局（NASA）在1981至2011年間作為航天飛機計劃的一部分運行。它的官方項目名稱是空間運輸系統（STS），取自1969年的一個可重復使用的航天器系統計劃，它是xxx被資助開發的項目。四次軌道測試飛行中的xxx次（STS-1）發生在1981年，導致1982年開始的運營飛行（STS-5）。