航天飞机的用途很广泛。它能发射各种卫星，即在起飞前将卫星装入货舱内，当进入地球轨道后用机械装置将卫星抓起。航天飞机可以在一般的大型飞机场上起落，起飞时空气喷气发动机先工作，这样可以充分利用大气中的氧，节省大量的氧化剂。飞到高空后，空气喷气发动机熄火，火箭喷气发动机开始工作，燃烧自身携带的燃料剂和氧化剂。降落时，两个发动机的工作顺序同起飞时相反。
航天飞机上装有各种科学仪器和设备，从而成为一个太空实验室。科学家们可以在这里进行各种科学研究和试验，他们可以利用太空的特殊条件，来完成地面上不易实现的科学试验。航天飞机作为空间运输工具可以完成多种军事任务：实施外层空间与地面之间的军事运输；施放、修理和回收卫星；为在外层空间的航天器加注燃料、更换零件、补充材料、回收和更换磁带和胶卷，这种再供给可以成倍地延长航天器在空间的工作寿命；在空间部署各种天基航天兵器、军用空间站；在空间组装大型军事设施（如永久性空间站）；建立空间指挥所；实施空间侦察与观测；实施反卫星、反导弹作战，拦截与摧毁敌方卫星、导弹及飞船等；从空间袭击地面重要目标等。航天飞机的军事潜力极其巨大。
航天飞机集火箭、卫星和飞机的技术特点于一身、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，是一种新型的多功能航天飞行器。
二、潜力无穷的空天飞机
航空与航天两大技术存在不可分离的联系和很强的互补性。因为无论什么航天器进出太空，都必须穿越大气层与空气打交道，后者显然属于航空技术范畴。航空与航天紧密联系的必然结果，就导致了人们对一种既能在大气层内飞行，又能在大气层外航行、水平起飞、水平降落的新型飞行器的构想，这就是“航空航天飞机”，简称“空天飞机”。
空天飞机是一种兼具高超音速运输机功能和天地往返运输系统功能的可重复使用的有翼飞行器。它既能从机场跑道起飞，能以高超音速穿越大气层进入宇宙空间，完成航天任务后再人大气层，在机场水平着陆，经过简单的维修后，短期内又可重返蓝天，可重复使用几十到几百次。
空天飞机具有一般飞机和航天器所没有的优越性：首先，与普通运输机相比，它能够以更高速度在大气层上层或近宇宙空间机动飞行，大大缩短了远距离运输的时间。例如，德国“桑格尔”空天飞机由法兰克福经洛杉矶至东京仅需3小时15分，美国“新东方快车”由华盛顿至北京仅需2小时，而由欧洲飞到澳大利亚只要1小时。其次，与以往的一次性使用飞船和多次部分重复使用航天飞机相比，空天飞机在重复性使用、机场水平起降能力、灵活机动性、可维修性、复飞间隔时间、发射操作费用等方面均有显著改进。所以，空天飞机有着非常广阔的发展前景。它不仅可以进行全球性的高超音速运输，而且可以像航天飞机那样，去执行各项航天任务。
1、关键技术
发展空天飞机的初衷是想降低空天之间的运输费用。其途径归纳起来主要有三条：一是充分利用大气层中的氧，以减少飞行器携带的氧化剂，从面减轻起飞重量；二是整个飞行器全部重复使用，除消耗推进剂外不抛弃任何部件；三是水平起飞，水平降落，简化起飞（发射）和降落（返回）所需的场地设施和操作程序，减少维修费用。经过多年的研究分析，科学家们发规，过去的估计过于乐观。实际上。上述三条途径知易而行难。需要解决的关键技术难度决非短时间内能突破，这些关键技术有：
（1）吸气式发动机。空天飞机的飞行范围为从大气层内到大气层外，速度从0到M数25，如此大的跨度和工作环境变化是目前现有的所有单一类型的发动机都不可能胜任的，从而也就使为空天飞机研制全新的发动机成为整个项目的关键。众所周知，喷气式发动机需要在大气层中吸人空气，无需携带氧化剂，但无法在大气层外工作，且实用速度较小；而火箭发动机自带氧化剂，可以工作在大气层内外，使用速度范围较广，但携带的氧化剂较笨重，比冲小。目前设想的空天飞机的动力一般为采用超音速燃烧（简称超燃）冲压发动机+火箭发动机或涡轮喷气+冲压喷气+火箭发动机的组合动力方式。但超燃冲压发动机的研制上存在相当多的技术问题，而多种发动机的组合方式又使结构变得过于复杂和不可靠。
（2）计算空气动力学分析。航天飞机返回再人大气层的空气动力学问题，曾经耗费了科学家们多年的心血，作了约10万小时的风洞试验。空天飞机的空气动力学问题比航天飞机复杂得多。因为飞机速度变化大，马赫数从0变化到25；飞行高度变化大，从地面到几百千米高的外层空间；返回再人大气层时下行时间长，航天飞机只有十几分钟，空天飞机则为1~2小时。解决空气动力学问题的基本手段是风洞。目前，就连美国也不具备马赫数可以跨越这样大范围的试验风洞。即使有了风洞还需要作上百万小时的试验，那意味着就是昼夜不停地试验，也需要花费100多年的时间。于是，只能求助于计算机，用计算方法来解决。目前，对于如此复杂的计算在理论上和计算速度上都存在很多的问题。
（3）发动机和机身一体化设计。当空天飞机以6倍音速以上的速度在大气层中飞行时，空气阻力将急剧上升，所以其外形必须高度流线化。亚音速飞机常采用的翼吊式发动机已不能使用，需要将发动机与机身合并，以构成高度流线化的整体外形。即让前机身容纳发动机吸人空气的进气道，让后机身容纳发动机排气的喷管。这就叫做“发动机与机身一体化”。在一体化设计中，最复杂的是要使进气道与排气喷管的几何形状，能随飞行速度的变化而变化，以便调节进气量，使发动机在低速时能产生额定推力，而在高速时又可降低耗油量，还要保证进气道有足够的刚度和耐高温性能，以使它在返回再人大气层的过程中，能经受住高速气流和气动加热的作用，这样才不致发生明显变形，才可多次重复使用。
（4）防热结构与材料。空天飞机需要多次出人大气层，每次都会由于与空气的剧烈摩擦而产生大量气动加热，特别是以高超音速返回再人大气层时，气动加热会使其表面达到极高的温度。机头处温度约为1800摄氏度，机翼和尾翼前缘温度约为1j460摄氏度，机身下表面约为980摄氏度，上表面约为760摄氏度。因此，必须有一个重量轻、性能好、能重复使用的防热系统。空天飞机在起飞上升阶段要经受发动机的冲击力、振动、空气动力等的作用，在返回再人阶段要经受颤振、起落架摆振等的作用。在这种情况下，防热系统既要保持良好的气动外形，又要能长期重复使用，维护方便，所以其技术难度是相当大的。
目前的航天飞机，由于受气动加热的时间短，表面覆盖氧化硅防热瓦可达到比较可行的防热效果，但对空天飞机远远不够。如果单靠增加防热层厚度来解决问题，则将使重量大大增加，而且防热层还不能被烧坏，否则会影响重复使用。一个较简单的解决办法是在机头、机翼前缘等局部高温区，使用传热效率特别高的吸热管来吸热，以便把热量转移到温度较低的部位。更好的办法是采用主动式冷却防热系统，也就是把机体结构与防热系统一体化，即把机体结构设计成夹层式或管道式，让推进剂在夹层内或管道内流动，使它吸走空气对结构外表面摩擦所生成的热量。
为了满足空天飞机的防热要求，目前正在研究用快速固化粉末冶金工艺制造纯度很高、质量很轻的耐高温合金。美国已研制出高速固化钛硼合金，它在高温下的强度可达到目前使用的钛合金在室温下的强度，这种合金适宜用来制造机身内层结构骨架。机头与机翼等温度最高的部位，要求采用碳复合材料，这种复合材料表面有碳化硅涂层，重量轻，耐高温性能好。
（5）飞行员的救生系统。空天飞机是个技术高度复杂的系统，一旦发生技术故障威胁飞行员生命安全时，必须有可靠的救生系统救助飞行员逃生。美国航天飞机已经发生两次机毁人亡的悲惨事故，其他危及安全的技术问题也屡有发生。因此，空天飞机的飞行员救生系统也就成为关键技术之一。
2、天飞机的军事价值
（1）确保军事资源快速廉价地进入太空。空天飞机与目前使用的一次性使用运载火箭、飞船和部分重复使用航天飞机相比，在重复使用性、发射操作费用、可维修性和周转时间、灵活机动性等方面都有革命性的改变。
（2）可作为空间武器发射平台。在未来天战中，空天飞机可作为各种武器弹药，包括动能武器和高能激光武器、微波武器等的发射平台，对敌方陆、海、空、天重要目标进行攻击，对战争的胜负可起到至关重要的作用。
（3）反卫星与反导。空天飞机能利用自身的探测设备，发现敌方卫星与导弹，对其进行跟踪和干扰，使其失灵或将其摧毁；或将它“俘虏”，窃取它已获得的情报，或将它送人错误轨道，或干脆将其带回地面。
（4）可作快速运输机。空天飞机飞行速度极快，从普通机场起飞，可在一小时之内达到全球任何地方，能对全球范围发生的地区冲突迅速作出反应，或对敌方发动突然袭击等。
（5）可作战时空间预备指挥所。空天飞机能像载人空间站那样能在轨长期停留，又配备了先进的指挥控制系统，一旦战时需要，可以直接承担起作战指挥控制任务。
（6）侦察监视与预警。空天飞机可利用其携带的照相侦察、电子侦察等设备对陆、海、空、天目标进行侦察与监视，对导弹发射等进行预警。与各种侦察卫星相比，空天飞机具有更大的灵活机动性，综合侦察能力更强，实时性更好。
未来的空间作战飞行器可依靠自身的动力系统或由航天飞机送入轨道，能执行多种任务，如作为动能与定向能武器平台或侦察监视平台，部署、修理或破坏、回收军用小卫星等。其轨道机动能力很强，在轨道上可停留数周、数月乃至一年，并可随时应召返回地面，具有很强的的战术应用能力。
三、航天史上的惨剧——航空飞机事故
挑战者号航天飞机是美国航空太空总署旗下正式使用的第二架航天飞机。它于1983年4月4日至4月9日进行了首次飞行。绕地球80圈，航程达330万公里，整个发射和着陆过程都很顺利。轨道飞行期间，宇航员充分试验这架航天飞机的各个系统，还施放了一颗大型跟踪与数据中继卫星，进行了9年来的第一次舱外空间行走，试验了新型宇宙服。此外，还做了一系列空间医学和科学试验。除了“挑战者”号施放的那颗巨大的通信卫星由于卫星本身火箭的原因未能达到预定的同步轨道之外，整个飞行获得成功。
1986年1月28日，美国挑战者号航天飞机载7名宇航员，进行它的第10次飞行。这一天早晨，成千上万名参观者聚集到肯尼迪航天中心，等待一睹挑战者号腾飞的壮观景象。上午11时38分，在人们目送之下，竖立在发射架上的挑战者号点火升空，直飞天穹，看台上一片欢腾。7秒钟时，飞机翻转，16秒钟时，机身背向下，底朝上完成转变角度；24秒时，主发动机推力降至预定功率的94%，42秒时，主发动机按计划减低到预定功率的65%，以免航天飞机穿过高空湍流区时由于外壳过热而使飞机解体。这时，一切正常，航速已达每秒677米，高度已达8000米；52秒时，地面指挥中心通知指令长斯科比将发动机恢复全速。59秒时，高度10000米，航天飞机接近音障，遇上极大的空气压力，主发动机已加速到104%，火箭助推器已燃烧了将近45万公斤固体燃料。此时，地面控制中心和航天飞机上的电子计算机荧光屏幕上显示的各种数据都未见任何异常。65秒时斯科比向地面报告：“主发动机已加大”，这是地面测控中心收听到的斯科比的最后一句报告词。但航天飞机飞到73秒时，空中突然传来一声闷响，只见价值12亿美元的挑战者号顷刻之间爆裂成一团桔红色火球，碎片拖着火焰和白烟四散飘飞，坠落到大西洋。7名机组人员全部遇难，造成了世界航天史上最大的惨剧。这是美国进行25次载人航天飞行中首次发生在空中的大灾难。“挑战者”号的爆炸，使美国举国震惊，华盛顿和其他各地均下半旗致哀。当时的中华人民共和国主席李先念于第二天打电报给美国总统里根，对美国航天飞机内7名宇航员不幸遇难表示哀悼。
人类生活的地球，被厚度约160公里的大气层包围着。在大气层内的飞行，称为航空；飞出大气层以外称为航天。世界上掌握载入航天技术的国家很少，当时已经研制成功航天飞机并投入使用的，仅有美国一家。