航天飞机是可以重复使用、往返于地球和太空近地轨道之间，运送人员和货物的飞行器。它可以把维修太空望远镜的人员运送到太空上去，还可以顺便为在月球上辛勤劳动的宇航人员送点慰问品等等。
航天飞机通常设计成火箭推进的飞机，返回地面时能像飞机那样下滑和着陆。航天飞机的出现为人类自由进出太空提供了很好的工具，是航天史上的一个重要里程碑。但现在使用的航天飞机也有许多不足之处。
1986年，就在“挑战者”号航天飞机爆炸事故发生数周之后，当时美国总统里根就宣布了要开发新型航天器的计划。30年后，这种新式的航天飞机将在大气层边缘处飞行，估计它从美国华盛顿飞到日本东京只需要2个小时。它的飞行速度将是声速的25倍，能够十分轻易地进入或离开飞行轨道。它不再需要像以前那样携带庞大的外部燃料箱和助推器，这样的话，它的安全系数将得到大大的提高。
到2002年9月，新一届美国政府又宣布了一项取代航天飞机的计划。一方面是在10年之内开发出一种“轨道太空飞机”，与前美国总统里根的“国家航天飞机”计划不同的是，它将使用常规的运载技术：另外一个方面就是进行全新的系统设计研究，但并没有对何时能研制出这样一套新系统设定严格的时间限制。
但在2003年2月1日美国“哥伦比亚”号航天飞机再次失事坠毁之后，这些计划再一次发生了变化。人们期待在未来，航天飞机应该更像是普通的飞机。
由于有了“哥伦比亚”号航天飞机的失败教训，航天飞机在大气层中的可操纵性，以及它重新进入大气层时，能否忍受高温就理所当然成了关键性的问题。
30年后，航天飞机的外形更会像是一个长了翅膀的砖块。它生硬的外形会在重返大气层时产生强大的冲击波，这有助于机身免受周围大气层摩擦的破坏：而如果它们的外形和飞行方式类似于高性能喷气式飞机，那么其机翼前沿的温度将远远高于目前大约1600℃的水平。针对这些，科学家们正在研究一种新型的复合陶瓷材料，这种材料可以忍受将近28000℃的高温，但目前这种材料还比较脆弱，而且很笨重，要想真正将它们用到外形圆滑的航天飞机上，还有很多的研发工作要做。
然而科学家们遇到的技术障碍还远远不止这些，如何让航天飞机安全进入轨道才是首要的难题。为了克服地球引力的作用，航天飞机必须加速到每小时4万千米以上的速度。
要想飞得快，首先就要解决重量上的问题。数十年来，工程人员们绞尽脑汁，力图解决飞行器的重量问题。由于燃料占了助动火箭重量的绝大部分，最好的解决方法就是使用一种重量轻、效率超高的推进剂。
新一代的航天飞机不会再携带大量的液态氧，而是在超音速状态下在大气层中随时吸收氧气，再进行压缩，然后使用一个特殊的气缸，与航天飞机自身携带的液态氢进行燃烧。在加速到声速的若干倍之后，飞机将会竖直向上升入轨道。这种新颖的发动机设计称为“超音速中压式喷气发动机”。
除了减轻燃料携带量以外，减轻航天飞机自身的重量也是一个可行的途径。20世纪末期，美国科学家们就设计出了能够以“单级推进方式”进入轨道的轻型航天飞机。
这种航天飞机是用石墨和环氧树脂复合材料做成的，重量只是常规航天飞机的一半还不到。但是在1999年进行的试验中，用这种材料做成的氢燃料箱壁发生了破裂。在已经花费了10多亿美元的经费以后，人们只能被迫放弃了这一计划。