第一架供设计验证和滑翔试验用的航天飞机轨道器“企业”号于1976年9月17日交付。1979年3月24日，首架用于轨道飞行的“哥伦比亚”号完成了装配，并空运到肯尼迪航天中心。1981，年4月12日，正值加加林首次进入太空20周年纪念日，“哥伦比亚”号发射升空。担任首次飞行任务的是约翰·杨和罗伯特·克里平，主要目的是验证轨道器轨道飞行能力、稳定与操纵特性、再入与着陆特性，同时还在轨试验了后货舱门的开闭特性以及机上惯性基准的建立。航天飞机的首次飞行从当地时间4月12日上午7时开始，到14日东部时间13时20分结束，历时54小时23分，绕地球36圈，最后在加利福尼亚州爱德华兹空军基地安全降落。大约有100万人从世界各地赶到卡纳维拉尔角观看了这次发射，其中包括英国女王伊丽莎白二世、首次登月的阿姆斯特朗等。美国电视台现场直播了这次发射，因此全球大约有5亿多人观看了当时发射的盛况。
美国航天飞机经过试验和投入使用后，证明了它在技术上是成功的，能够执行以往航天器和火箭不能完成的任务，如在轨回收、修理和发射卫星，实现了部分可重复使用等。但它的发射成本极高，甚至大大超过了运载火箭。“挑战者”号失事后，航天飞机不再承担民用载荷发射任务，只用于空间科学实验或发射大型军用载荷和深空探测器。截止1996年10月，美国航天飞机已飞行了79次。
空间天文学已取得的成就
航天技术促使空间天文学的诞生，使天文观测发生了革命。空间天文学就是利用轨道上的多用或专用天文卫星或发射星际探测器，进行天文观测研究。这样会带来许多优点：不受大气层影响，观测仪器接收到的恒星光或行星反射光更强、光谱更宽，从而可以“看”得更清楚、更远；不受地面人造光、风雨阴晴和黑天的干扰，可观测的时间更长；可以就近或登陆进行行星探测。
对太阳的观测和研究工作开展得最早。上世纪60年代前苏联和美国都研制和发射了专门探测太阳的卫星和探测器。上世纪70年代国际合作进行太阳探测达到高潮。上世纪80年代末美国和西欧合作，开创了一项立体研究太阳的“尤利西斯太阳探测计划”，取得了巨大成就。月球探测也进行的相当充分。前苏联于1959年1月2日发射了“月球”1号探测器。9月26日发射的“月球”2号成为第一个击中月球的人造物体。而10月4日发射的“月球”3号则第一次观察到月球神秘的背面。1964年7月28日美国发射的“徘徊者”7号到达月球表面，发回了4300张清晰的月面照片。尔后美国又发射了“徘徊者”8号和9号探测器，也取得了高度成功。前苏联于1966年1月31日发射的“月球”9号终于实现在月面上软着陆。3月31日发射的“月球”10号则成为第一颗人造月球卫星，对月球及周围环境进行了长时间的观测，获得了大量宝贵的科学资料。
近地行星包括金星、火星和水星。美国1962年发射的“水手”2号发现金星没有磁场和辐射带。1965年11月16日，前苏联发射“金星”3号探测器并于1966年3月1日首次击中金星，成为第一个到达另一个行星的人造物体。1967年1月12日，前苏联发射的“金星”4号探测器取得极大成功。它在距金星45000千米的地方释放了一个下降舱，它发回了距离金星表面只有25千米高时的探测数据。前苏联于1970年8月17日发射的“金星”7号探测器成功地于12月15日首次实现在金星表面软着陆。它第一次获得了金星表面的数据：温度为475℃，压力为75～105个大气压。美国发射的“麦哲伦”号金星探测器于1990年对金星表面进行了详细的测绘，测绘之细致甚至超过了地球。
对火星的探测活动始于上世纪60年代前期，至上世纪70年代时达到了高峰。1971年，美苏共发射了5个大型火星探测器。美国“水手”9号成为第一颗人造火星卫星。这个探测器获得了大量关于火星的资料，发回了7000多张火星和其卫星的照片。美国于1975年8～9月发射了两个“海盗”号火星探测器，实现了在火星表面的软着陆。它们发回了不少探测数据和照片。各种观测资料表明，火星上不存在任何生命，也不具有生命发育和生长的基本条件。在上世纪80年代末新一轮行星探测中，火星是最主要的探索目标。1988年前苏联发射了两个火星探测器：“火卫一”1号和“火卫一”2号。美国于1992年发射了“火星观测者”探测器，开始了火星探测计划三部曲的第一步。1996年俄罗斯发射了“火星96”探测器。遗憾的是这几个探测器都在飞行过程中因故障丢失、失去联系或坠回地球了。1996年12月，美国向火星发射了“火星探路者”飞船。该飞船在抵达火星后将对火星进行全面的拍摄。美国航空航天局还计划于2010年实现载人飞船登陆火星的计划。
美国于1973年发射的“水手”10号也许是惟一一个水星探测器。它于1974年3月29日接近水星，对它进行了就近观测。尔后，它又两次探测了水星。由于水星离太阳最近，它的表面环境十分恶劣，上面的温度最高可达510℃，而被日面却低到-210℃。
就近观测几大外行星如木星、土星、海王星、天王星和冥王星要比近地行星困难得多。1972年3月3日，美国发射了第一个外行星使者：“先驱者”10号探测器。1973年4月6日又发射子“先驱者”11号探测器。它们都就近考察了木星和土星。1977年8月20日和9月5日，“旅行者”2号和“旅行者”1号探测器先后发射。“旅行者”1号后来居上，于1979年和1980年就近探测了木星和土星。“旅行者”2号探测器于1979年掠过木星，1981年8月20日靠近土星。它们拍下了许多非常完美的木星大气和旋涡照片。“旅行者”1号和2号探测器获得了许多新发现：木星有厚约30千米、宽度约5800千米的光环；它有长达30000千米的极光，波及到土星磁场的范围；它共有16颗卫星；木星的卫星木卫一有8座喷发的火山；土星有光环数以千计，可谓环中有环；它有兆瓦级能量的强磁场、极强的射电辐射、多达18颗卫星等等。
1989年10月18日，美国航天飞机发射了先进的“伽利略”号木星探测器。它经过6年的漫长旅行于1995年12月7日进入木星轨道。在此之前释放的再入探测器于12月8日以每小时18万千米（50千米／秒）的速度冲入木星大气。这是第一个进入木星的人造物，它发回了最新的探测数据。轨道器分离后，将在木星及其卫星的作用下，交错穿插其间。这期间，它将绕木星运行11圈，对木星及其卫星进行为期两年的全面考察。
1986年1月，“旅行者”2号就近观察了天王星，发现天王星拥有15颗卫星。1989年8月25日，它逼近太阳系第八颗行星海王星，发现海王星有5条光环，还新发现了海王星的6颗卫星。“旅行者”2号探测器对海王星的卫星“海卫一”的考察更令科学家们激动不已：“海卫一”比过去所想像的更亮、更小、更冷，是太阳系中晕冷的一个天体，温度只有-240℃，上面有冰火山，曾喷发过甲烷等冰类物质。
对宇宙的观测研究进行得也相当广泛。各国在过去的年月里，已经发射了不少专用或多功能兼用的宇宙探测卫星和宇宙探测器。探测对象包括宇宙星系、各种射电源、类星体、新星和超新星、黑洞、星际分子、宇宙背景辐射等。在众多的宇宙观测研究和发射的探测器当中，影响最大，人们寄希望最大的是美国的“哈勃”太空望远镜计划和宇宙背景辐射探测器计划。由于航天飞机计划受挫造成的影响，这些计划直到90年代初才得以实施。宇宙背景辐射探测器和修理后的“哈勃”太空望远镜获得了一系列重大发现，包括确认黑洞的存在以及为宇宙大爆炸学说提供了新的证据。今后，通过对中子星、脉冲星、类星体和黑洞的观测，这两个空间天文台将能够更全面深入地研究宇宙起源、结构、组成和演化等难题。
未来航天技术面临的挑战
航天技术经过四五十年的发展，已进入全面收益阶段。目前，应用卫星在不断完善和扩大应用的范围；军用卫星在不断地更新换代；天文卫星和星际探测器在不断地发回有关宇宙的新信息；载人航天飞行在有条不紊地进行着；航天飞机和宇宙飞船经常性地往来于天地之间；国际“阿尔法”空间站已经建造……在更加遥远的将来，航天技术将朝着哪些方向发展，航天技术的未来将面临哪些挑战呢？
无论进行何种选择，航天技术的发展必须以解决人类面临的问题、造福于人类和增进人类知识财富三大目的为本。当前，人类面临着数不清的问题，工业化的发展使这些问题变得日益严重。航天时代以来，人们提出了种种解决上述问题的途径。有些也许可以作为航天未来发展的方向。
人口、生态和环境是当今世界的热点问题。1969年，美国物理学家奥尼尔提出了太空城和太空移民的设想。他认为，解决上述问题的最好的办法是在太空中建造一个个太空城，逐步把人类移居到地球周围的太空城中。太空城内建有一种适于植物生长的自然环境，上面有百草、树木、河流和湖泊。除了这些人工自然环境外，太空城内还有道路、居住区、娱乐区、商业区、工作区等等。人类移居太空后，让地球长时间按着自然力的作用进行重新改造，恢复过去的生机和良好的生态环境。经过几百年后，地球会在没有人类干预的情况下，轻装上阵，变得更加生机勃勃、动物成群、绿树成荫、风调雨顺、风和日丽、万象更新。如果有必要，人类还可以重返地球。
作为太空移民概念的扩大，20世纪70～80年代出现了大量建立月球基地甚至改造火星的设想。美国宇航局科学家于1991年7月8日就提出了这样一个设想。他们就改造火星的进程制定了大致的时间表：在完成初步探测后，到公元2014年，人类先遣队将率先登上火星。他们先进行考察工作，初步开辟赤道地区。再过15年后，1万名专家将登上火星。他们架起太阳光反射器、开办核化工厂、建立核电站煅烧火星矿石和乱石。这些工作都是为了大量产生二氧化碳，创造人工温室效应，使火星表面气温逐渐升高。
大约到2080年，火星的平均气温将达到-15℃，这时，天空将会出现云层；赤道附近的冻原植物也开始放出氧气；两极地区的冰和干冰开始融化。渐渐地，大气层变得更加浓厚、河流和湖泊慢慢形成，植物生长更加旺盛，氧气量更加充足。这个过程不断向良性方向发展：低等动物和植物越来越多，氧气越来越丰富，温度越来越高，涓涓细流汇成大海。到2130年，火星温度将升至10℃以上；大约到2170年，巨大的植物系统将足以使大气富含氧气。这时，火星上看到的景象是：蓝蓝的天空、碧绿的原野、清清的河流、茂密的森林，一切都是那么生机勃勃。到那时，人类终于把比萨哈拉大沙漠还恶劣百倍的火星改造成了第二个地球。
为解决能源问题，科学家们提出了卫星太阳能电站设想。20世纪70年代美国有多家公司深入研究了卫星电站问题。波音公司在太阳能卫星电站上所做的工作最多，也最细致。该公司设想的电站有两种形式：一是光电转换方案，另一种是勃莱顿热循环方案。每一种方案都以发出电力10GW的电功率为目标。第一种方案又包括使用硅光电池和砷化镓光电池两类。第二种方案同地面上的汽轮发电机很相似，它依靠巨大的空腔式吸热器吸收太阳辐射，吸收的热量使循环器中的液氦气化并达到上千度高温。氦气膨胀时，通过上部的涡轮并驱动其高速旋转。回流经冷却器进入压缩机。涡轮驱动压缩机和发电机，可产生10000伏交流电输出，经变压器升至33万伏后再以微波形式发送回地面。
在美国，还有科学家和有关部门研究在月球表面建设太阳能电站的问题。研究表明，在月球表面可以建造2万个太阳能电站，发电功率在2万GW以上，每年产生收益15万亿美元。这个数字相当于世界总产值的60％。它虽然初期投资很大，但以后运营成本及维护成本都很低，因此具有十分广阔的发展前景。
太空工业化是航天未来发展的又一大主题。太空工业化的含义十分宽泛，可以从太空加工、生产、制药、冶炼等扩展到太空信息产业、太空旅游业和太空能源，更远期的太空工业化还包括月球和行星资源开发。许多专家指出，太空工业化初级阶段完全可能在医药、光学玻璃、电子器件、磁性材料、工业工具、新型材料以及加工工艺等方面导致新的工业革命。