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力，进入更高的运行轨道。
有时候，轨道器还需要进行卫星抢救和修理工作，航天员可根据具体情况，决定是在太空中进行修理工作，还是将此放入载荷舱送回地球。但不论哪种方式，几乎都需要航天员通过气闸舱进行舱外活动。气闸舱在轨道器中的安装位置不是一成不变的，可以装在中舱内也可以装在有效载荷舱内。执行舱外任务时，航天员从中舱进入气闸舱，关闭通往座舱的密封舱门，然后换上航天服，启动一发动机，将气闸舱内的空气慢慢抽出。待空气抽尽时，打开通向有效载荷舱的舱门，进入太空环境。气闸舱的设计一般只容许2个航天员出舱活动，但在1992年5月，由于任务的需要，航天员们灵活掌握，进行了3人的舱外活动。
进行舱外的卫星救援任务看上去令人激动，但航天员们切身感受到执行这一任务的具有相当的难度。首先在太空中的行动并不容易，想象一下在游泳池中的行动，舱外的任何一个动作都比这要困难得多。最重要的是航天员要时刻注意不要让卫星上的任何边缘将自己的航天服划破。
为了协助舱外航天员的活动，工程师们在有效载荷舱内安装了一个机械手臂。像人的手臂一样该机械臂具有“肩关节”和“肘关节”，“肩关节”在有效载荷舱口的左舷内壁上，“肘关节”连接了机械臂的上臂和下臂，完全展开时机械臂长米。不使用时收放在有效载荷舱内的左舷。在机械臂的末端是一个空心的圆柱，当航天员需要机械臂“抓握”物体时，通过飞行舱后部的仪器控制机械臂移动，把物体的一部分放入圆筒，再利用圆筒外壳的三根导线将物体固定。有时航天员也将自己连到机械臂末端，把机械臂作为自己的活动平台。
航天飞机在太空中最重要的一项任务是进行科学实验，但可惜的是航天飞机的机组座舱空间非常狭小，不足以放下大量的科研设备。为此欧洲航天局为NASA设计了可以放入有效载荷舱的太空实验室（SpaceLab）。
太空实验室长约米，直径4米。一条增压通道将太空实验室的前端与轨道舱的中舱连接，航天员可直接进入实验室。实验室的内部四周堆放着各类实验仪器和设备。实验室的后面还装有一个或几个底座，该底座提供了安装科学仪器的平台，这些仪器往往需要直接暴露在太空中。包括研究天文现象的仪器，各种高清晰度的照相机等。在不同的飞行任务中根据需要，可以只携带实验室，或只携带底座，或两者都带。在太空实验室内航天员获得了足够的空间进行各类科学实验。由于太空引力的作用非常微弱，所以这些试验可以取得大量在地球上不可能获得的试验数据。
1998年以后，航天飞机又增加了一项重要使命，进行国际空间站的建设任务。自此航天飞机成为了空间建设的“工程车”。
航天飞机的飞行过程：返回地球
航天员执行完太空任务后，开始准备返回地球。首先要将座舱内的所有物品收好，重新安上座椅，关闭有效载荷舱门，然后穿上压力服。做好这些之后，驾驶员就开始操纵轨道器进行返回机动，使轨道器落入返回轨道。
在返回的过程中，航天飞机要高速经过稠密的大气层，由于分子碰撞产生的高温，会严重的影响轨道器的安全，因此轨道器的机身外面覆盖有一层防热瓦。这些瓦片的大小一般都在15厘米×15厘米到20厘米×20厘米之间，厚度在1～9厘米之间，摸起来的手感介于陶瓷和普通的粉笔之间，用手就可以轻易的折断。根据轨道器返回途中表面不同区域收到的气动热不同，防热瓦共有4种。
轨道器的头锥部和机翼前缘是返回时温度最高的部位，可达1260～1650摄氏度，采用了碳碳复合材料。机身下表面的区域再入温度为370～1260摄氏度，覆盖了2万余块高温可重复使用防热瓦，这些黑色的防热瓦使整个机身的下面成为黑色。机翼的上表面和机身头部的侧面及立尾表面使用低温可重复使用防热材料，可抵御370～650摄氏度的温度，这些瓦片的表面涂有白色涂层，以使其具有要求的光学性能。剩下的区域受热温度都低于370摄氏度，包括有效载荷舱门，机身中后部两侧和机翼上表面内侧，只覆盖一层柔性可重复使用绝热层。
哥伦比亚
“他们作出了无畏的牺牲，把他们的生命和毕生的精力全都奉献给了这个国家和全人类。”
——哥伦比亚号航天飞机机长里尔·赫斯本德在太空中为纪念挑战者号航天飞机失事17周年发表的讲话。
2003年2月1日对美国人来说又是一个黑暗、悲痛的日子。哥伦比亚号航天飞机爆炸的画面反复出现在家家户户的电视屏幕上，这次事故是继挑战者号事故的又一惨剧。事故征兆最早出现在美国东部时间上午8时53分，航天飞机左机翼上的温度感应器首先失灵，5分钟后左侧主起落架上的轮胎气压表也不再显示数据。这时NASA的休斯敦地面控制中心技术人员向航天飞机紧急喊话。可几秒钟之后，与航天飞机的所有通讯无故中断，此时控制中心一下子陷入了骇人的寂静。几分钟之后得克萨斯州、路易斯安那州的居民听到轰隆的爆炸声从天际传来；哥伦比亚号的碎块在天空中划出了道道白烟。
事后地面人员的发现，机组人员在飞机开始散架前的最后关头，依然试图通过手动驾驶来挽救不幸进入了“螺旋状态翻滚前进”的航天飞机，但一切努力均以失败告终。“哥伦比亚”号左侧机翼最先脱落，然后是尾翼，接着货舱轰然解体。最后，载有7名航天员的驾驶舱在继续坚持向前飞行了一段时间，终因承受不住巨大压力而四分五裂。
事故发生后，在戴维营赶回白宫的美国总统布什用低沉抑郁的声音直截了当对美国人民说：“这是一个带来可怕消息和无比悲伤的日子。”从最初的震撼中清醒过来后，美国立刻组织了专门的事故调查小组，对事故进行调查。虽然目前事故的原因还没有完全确定，但是从对民间的调查结果和各国对事件的反映来看，这次事故并不会阻止人类继续进行太空探索的梦想。
轨道器在返回的过程中完全没有动力可使用，因此在大气层内只有借助机翼产生的升力来进行滑翔，这也是轨道器机翼惟一的用处。驾驶员必须精确的操纵轨道器，将其引导到跑道上，如果出现任何疏忽没有对准跑道，是不会有第二次机会让其着陆的。事实上返回的过程并不比起飞的过程容易或更加安全，飞机驾驶员都知道着陆的难度原大于起飞的难度。任何不慎都会造成机会人亡的悲剧。
为了让轨道器尽快的减速，驾驶员在滑翔过程中会做数个S形转弯以降低速度。在着陆前约3分钟时可以听到两声巨响，这是轨道器以超音速穿过空气时产生的声爆。尽管驾驶员已经做了机动来降低速度，但在落地的瞬间，轨道器仍具有每小时300多千米的速度，因为其着陆速度要高于飞机的着陆速度，所以航天飞机的着落跑道比一般飞机的跑道要长。肯尼迪航天中心内航天飞机的着陆跑道长度达到千米，而通常我们见到的机场跑道长度在3千米左右。
各国航天飞机
美国的航天飞机计划从技术角度考虑，无疑代表了航天技术的一个新时代。在整个航天飞机的研制过程中，美国获得了大量全新的技术成果。随着美国航天飞机的上天，80年代初期，航天领域掀起了航天飞机发展的热潮。很多国家提出了自己的航天飞机计划。比如苏联的暴风雪（Buran）号航天飞机计划，欧洲空间局的赫尔墨斯（Hermes）航天飞机计划，英国的霍托尔（HOTOL）空天飞机计划，德国的桑格尔（Saenger）空天飞机计划，日本的希望（HOPE）航天飞机计划。但从美国开展航天飞机计划的过程中可以看到，航天飞机的研制成功一方面是技术上的突破，另一方面也需要投入大量的资金，而稳定的资金投入往往是更主要的决定因素。由于这两个原因使得航天飞机计划的开展具有一定的难度，所以各国的航天飞机计划不是无限期的滞后，就是因为经济、技术原因被取消。
空天飞机是航空航天飞机的简称。它既可以在大气层内飞行，也能在太空中飞行。其动力装置是一种混合配置的动力装置，由空气喷气发动机和火箭发动机两大部分组成，空气喷气发动机在前，火箭发动机在后，串联成一体，为空天飞机提供动力。空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，火箭发动机开始工作，燃烧自身携带的推进剂。降落时，两个发动机的工作顺序同起飞时相反。
苏联的暴风雪号航天飞机在这些计划中取得成果是最好的。1988年11月15日，由一枚能源（Energiya）号运载火箭将暴风雪号航天飞机送入了250千米高的预定圆形轨道。此次飞行是不载人自动轨道飞行，这显示出了很高的计算机和控制技术，令美国人大吃一惊。实际上暴风雪号航天飞机在设计中，或多或少的借鉴了美国人的技术，同时在很多方面进行了创新。
暴风雪航天飞机与能源号运载火箭是相互独立的，无需在轨道器上外挂贮箱。这样轨道器仅仅就是火箭的有效载荷，大大的降低了事故率。由于能源号运载火箭提供了进入轨道的全部动力，所以轨道器上没有主发动机，只有两个小型入轨发动机。这使得轨道器的有效空间大大增加，提高了对有效载荷的运载能力。在轨道器的尾部还装有两台小型发动机，在返回时提供动力，实现了有动力的滑翔，加上暴风雪号还可以像普通飞机那样借助副翼、舵面和减速板控制飞行，使得返回着陆时具有更大的横向机动能力。据称暴风雪在紧急情况下还可进行二次着陆。
这些技术使得苏联的航天飞机技术实质上已经超过了美国，但1989年以后，苏联内部局势动荡，经济受到极大冲击，航天飞机载人计划也一拖再拖。随着1991年苏联的解体，更使得航天飞机计划举步维艰，俄罗斯虽然没有放弃这个计划，可仍没有具体的飞行计划出台。
美国航天飞机与暴风雪航天飞机的对比
挑战者号 暴风雪号
长米 长米
翼展米 翼展米
高度米 高度米
1972年开始研制 1976年开始研制
1981年4月12日首次轨道飞行 1988年11月15日首次轨道飞行
截至1983年花费178亿美元 截至1991年1月花费164亿卢布
空间站的发展：重要一步
开展载人航天事业的最终目的不是创造辉煌和连篇不断地谱写光彩夺目的史诗，而是全面、深刻地开发和利用宇宙资源。为实现这一目的，一方面必须发展一种通向太空的经济高效的常规运输手段，另一方面就是要建立永久性航天基地。空间站就是向这种永久性的航天基地发展的过渡形式。
空间站的发展
20世纪60年代中期随着航天技术的发展，美苏都开始意识到太空不应只是各自炫耀实力，增加政治资本的地方，如何合理的利用太空资源，开展应用型的研究成为美苏都在考虑的问题。从这时起人类对太空的开发才逐渐的回到了它的本质。
科学家们开始的意识到太空环境给科学研究提供了极好的条件。在航天器内独有的“微重力”环境，可以使我们从一个全新的视角来研究分析许多实验现象——也许这更接近事物的本质。如果充分的这个条件，可能会使太空医学、地球学、基础生物学、物理科学和太空制造等多方面取得突飞猛进的发展。已有的飞船虽然能提供一个研究的平台，但只是短期的，为了研究可以深入，必须有一种长期进行试验的平台，这个平台也就是空间站。
如果从发展看载人飞船或者航天飞机，最终只是一种运输手段。用它们进行科学研究是非常不经济的，因为这些航天器的一个最基本的要求就是必须具备很高的可靠性，以保证在发射和返回过程中航天员的安全。同时，还要配备应急救生系统，以便在发生不测时，携带航天员逃离危险区，然后安全着陆。空间站将这些要求剥去，在很大程度上就降低了整个系统的复杂性，不仅设计、制造上要简化很多，降低了成本，也节省了很多空间，实现了太空研究或生活与太空运输明确的功能划分。
同时空间站可以设计成有人和无人两种工作模式，这样许多试验只需航天员调试好仪器设备便离站，以后定期检查即可，这样就减少了使用成本。而且只要在空间站上安装对接装置，就可不断的扩充空间站