轨道器
即航天飞机本身，它是整个系统的核心部分。轨道器是整个系统中惟一可以载人的、真正在地球轨道上飞行的部件，它很像一架大型的三角翼飞机。它的全长37.24m，起落架放下时高17.27m；三角形后掠机翼的最大翼展23.97m；不带有效载荷时质量68t，飞行结束后，携带有效载荷着陆的轨道器质量可达87t。它所经历的飞行过程及其环境比现代飞机要恶劣得多，它既要有适于在大气层中作高超音速、超音速、亚音速和水平着陆的气动外形，又要有承受再人大气层时高温气动加热的防热系统。因此，它是整个航天飞机系统中，设计最困难，结构最复杂，遇到的问题最多的部分。
轨道器由前、中、尾三段机身组成。前段结构可分为头锥和乘员舱两部分，头锥处于航天飞机的最前端，具有良好的气动外形和防热系统，前段的核心部分是处于正常气压下的乘员舱。这个乘员舱又可分为三层：最上层是驾驶台，有4个座位，中层是生活舱，下层是仪器设备舱。乘员舱为航天员提供宽敞的空间，航天员在舱内可穿普通地面服装工作和生活。一般情况下舱内可容纳4~7人，紧急情况下也可容纳10人。
航天飞机的中段主要是有效载荷舱。这是一个长18m，直径4.5m，容积300m3的大型货舱，一次可携带质量达29t多的有效载荷，舱内可以装载各种卫星、空间实验室、大型天文望远镜和各种深空探测器等。为了在轨道上施放所携带的有效载荷或回收轨道上运行的有效载荷，舱内设有一或二个自动操作的遥控机械手和电视装置。机械手是一根很细的长杆，在地面上它几乎不能承受自身的重量，但是在失重条件下的宇宙空间，却可以迅速而灵活地载卸10t多的有效载荷。航天飞机中段机身除了提供货舱结构之外，也是前、后段机身的承载结构。
航天飞机的后段比较复杂，主要装有三台主发动机，尾段还装有两台轨道机动发动机和反作用控制系统。在主发动机熄火后，轨道机动发动机为航天飞机提供进入轨道、进行变轨机动和对接机动飞行以及返回时脱离轨道所需要的推力。反作用控制系统用来保持航天飞机的飞行稳定和姿态变换。除了动力装置系统之外，尾段还有升降副翼、襟翼、垂直尾翼、方向舵和减速板等气动控制部件。
航天飞机是如何诞生的
用运载火箭发射载人飞船，都是一次性使用，很不经济。如何让它们重复使用，是必然的逻辑发展。
美国在顺利执行“阿波罗”载人登月计划的鼓舞下，也满腔热情地投入可重复使用的航天运输系统的研制，作为“天空实验室”航天站的往返运输系统，并以此取名为“Space Shuttle”，即“太空穿梭机”。我国著名科学家钱学森根据“航天”的定义，将其转译为“航天飞机”。
航天飞机的设想是美好的，但实施起来却非常困难。美国人设想了许多方案，都难以达到预想的完美程度。要从地面起飞，最好是像飞机那样充分利用空气动力，这样就要有机翼，就要水平起飞。所以最早设想的一种方案，像是一架笨重的飞机，比B-52巨型轰炸机还大。因为它必须有足够的推进剂，使其加速到宇宙速度，巨大的燃料就把它的身体撑起来了。让这样的庞然大物飞起来，并进入太空轨道，技术难度太大。
后来推出一种方案，将一架庞大的飞机分成两架，让大的驮载小的。大飞机在地球大气层中飞行，它可以只带燃料，而利用空气中的氧气燃烧，这样它就可以大大瘦身了。在达到一定速度后，小飞机启动火箭发动机进入轨道，所以被称为“轨道器”。不过，这种轨道器的运载能力有限。
1971年，美国洛克威尔公司推出一种新的两级方案，将轨道器加长加大了。这种方案实施起来技术难度很大，成本也很高。1972年，美国格鲁曼公司提出一种新方案，放弃了全部重复使用的想法，将质量最大的、起飞时使用的推进剂装在一个外挂燃料箱中，用完后扔掉。同时，再设两枚固体火箭帮助起飞，完成任务后分离。当然，这样一来就必须垂直发射了。这个方案成本较低，经完善后就是现在的航天飞机。
虽然是部分重复使用，但研制起来技术难度仍然很大。直到“天空实验室”1979年7月坠毁时，也没有等到航天飞机的出现。1981年4月12日，航天飞机才第一次轨道试飞成功。
航天飞机与普通飞机的区别
由于航天飞机是垂直起飞、水平着陆的，所以它在发射时与普通飞机完全不同，而在返回时则基本类似，但一般要借助降落伞减速。虽然航天飞机在外形和返回的方式上与一般的航空飞机很相似，但它们之间有许多不同，前者要复杂得多。例如，航天飞机在大气层外飞行，使用火箭发动机，所以氧化剂也要自身携带；航天飞机返回时要再入大气层，因而防热技术非常复杂。
航天飞机是第一次把航天与航空技术高度有机结合起来的创举。它由起飞到入轨的上升段运用了火箭垂直起飞技术，在太空轨道飞行段运用了航天器技术，在再入大气层的滑翔飞行和水平着陆段运用了航空飞机技术。
航天记录
美国航天飞机创造了许多航天新纪录。航天飞机首航指令长约翰·杨6次飞上太空，是当时世界上参加航天次数最多的宇航员。1983年6月18日女宇航员莎丽·赖德（SallyK·Ride）乘挑战者号上天飞行，名列美国妇女航天的榜首。1983年8月30日，挑战者号把美国第一个黑人宇航员布鲁福德（GuionS·Bluford）送上太空飞行。1984年2月3日乘挑战者号上天的麦坎德利斯（B·McCandless），成为世界上第一位不系安全带到太空行走的宇航员。1984年4月6日挑战者号上天后，宇航员首次抓获和修理轨道上的卫星成功。1984年10月5日参加挑战者号飞行的莎丽文（KathrynD·Sullivan）成为美国第一位到太空行走的女宇航员。1985年1月24日发现号升空，首次执行秘密的军事任务。1985年4月29日，第一位华裔宇航员王赣骏（Tayler Wang）乘挑战者号上天参加科学实验活动。1985年11月26日，亚特兰蒂斯载宇航员上天第一次进行搭载空间站试验。1992年5月7日奋进号首次飞行，宇航员在太空第一次用手工操作抢救回收卫星成功。7月31日亚特兰蒂斯号上天，首次进行绳系卫星发电试验。9月12日奋进号将第一位黑人女宇航员，第一位日本记者和第一对宇航员夫妇载入太空飞行。
最后的飞行
2010年初，NASA正式决定将日渐老化的航天飞机全部退役。按计划在2010年秋天退役之前它们仅剩5次飞行任务。也就是说，除非NASA需要多几个月的时间完成剩余的任务，或者奥巴马总统选择延长航天飞机项目的寿命来减小美国载人航天飞行能力的缝隙，否则航天飞机将在2010年秋季停飞。
2010年2月，“奋进号”航天飞机升空，拉开了2010年航天飞机退役飞行的序幕，为空间站安装了“宁静”号节点舱和一个便于宇航员对地球、其他天体及航天器进行全景观测的观测台。
3月，“发现”号正矗立在肯尼迪航天中心的39A发射架上，预定于4月5日发射。在此次太空任务中，这艘航天飞机将搭载一个多功能后勤舱进入空间站。这个后勤舱基本上就是一个大型储藏室，里面装的是用于空间站实验室的科学研究架。按照计划，宇航员将在此次任务中进行3次太空行走，完成更换氨水箱，取回空间站外部的日本实验舱以及更换陀螺仪等工作。
5月，“亚特兰蒂斯”号航天飞机将执行一项为期12天的任务，向空间站运送集成货舱以及俄罗斯制造的迷你研究舱。迷你研究舱将安装在空间站曙光舱底部端口。此外，迷你研究舱也将搭载美国货物。
此次任务中，宇航员将进行3次太空行走，在空间站外部安装备用零部件，其中包括六块备用电池、一个用于Ku波段天线的桁架总成以及为加拿大机械臂准备的零部件。散热器、气闸、欧洲机械臂、俄罗斯多功能实验舱等部件也将搭乘“亚特兰蒂斯”号进入空间站。
7月，“奋进”号航天飞机将重返太空，执行一项为期10天的任务，向空间站运送一系列备用零件，其中包括两个S波段通信天线、一个高压气罐、为加拿大机械臂准备的额外零部件以及微流星体碎片防护盾。由于在空间站周围或附近飞行的太空垃圾数量增多，安装这种防护盾显得非常重要。
9月，“发现”号将执行航天飞机退役前的最后一次飞行任务，为期9天。此次任务中，“发现”号将向空间站运送4号快速后勤运输装置以及其它零部件。这将是航天飞机的第134次飞行同时也是第36次飞往空间站的任务。后勤运输装置有助于提高空间站的货物储存空间。
美国航天飞机首次飞行
1981年4月12日，在卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心聚集着上百万人，参观第一架航天飞机哥伦比亚号航天飞机发射。宇航员翰·杨（JohnW·Young）和克里平（Robert L·Crippen）揭开了航天史上新的一页。