スペースシャトル（）は、かつてアメリカ航空宇宙局（NASA）が1981年から2011年にかけて135回打ち上げた再使用をコンセプトに含んだ有人宇宙船である。

もともと「再使用」というコンセプトが強調されていたが、出来上がったシステムは、軌道船（オービター）部分は繰り返し使用された一方、外部燃料タンクなどは基本的には使い捨てである。

概要 初飛行は1981年、2回目の飛行は1982年で、2011年7月の135回目の飛行を最後に退役した。

スペースシャトルは宇宙輸送システム（Space Transportation System、STS）あるいはスペースシャトル計画の一環としてもちいられた。STSの開発とシャトルの飛行は、基本的にアメリカの資金によって行われた。主な使用目的は、NASAのおかれた様々な政治的状況や起こしてしまったシャトルの事故も影響して、およそ10年ごとに大きく変遷してきた地球ドラマチック「さようならスペースシャトル 〜栄光と挫折の30年〜 」前編および後編。イギリスの放送局の制作した番組。日本ではNHKによる放送、前編2012年1月21日および後編1月28日（再放送、1月30日および2月6日）。が、数々の人工衛星や宇宙探査機の打ち上げ、宇宙空間における科学実験、国際宇宙ステーション （International Space Station、ISS）の建設などである。なおシャトルはNASAによってだけでなく、米国国防総省、欧州宇宙機関、ドイツ等の軌道上実験にも使用された。

シャトルは再使用型宇宙往還機であり、軌道船（Orbitor Vehicle、OV）、外部燃料タンク （External Tank、ET）、固体燃料補助ロケット（Solid Rocket Booster、SRB）の三つの部分によって構成されているShuttle Basics. NASA.。ETとSRBは上昇中に切り離され、OVのみが地球周回軌道に到達する。発射時には機体は通常のロケットと同じように垂直に打ち上げられるが、軌道船は水平に滑空して帰還・着陸し、再使用のために整備された。SRBはパラシュートで海に降下し、回収船で回収されて整備した後、推進剤を再充填して再利用された。

構造・飛行等の概略 thumb|250px|飛行の概略。打ち上げ、固体燃料補助ロケット (SRB) の切り離し、外部燃料タンク (ET) の切り離し、軌道上での作業、減速、大気圏再突入、着陸 の概念図 まずシャトルの構造および打ち上げ〜着陸の概略を説明する。

通常は5名から7名の飛行士が搭乗した。なお、最も初期の頃に行われた、STS-1からSTS-4の4回の試験飛行のように、機長と操縦士の2名だけでも飛行できた。

発射時のシャトルの構成は、おおまかに オレンジ色の外部燃料タンク（External Tank、ET）最初の打ち上げ（コロンビア号）の際は、外部燃料タンクも白色に塗装されていた。"NASA Takes Delivery of 100th Space Shuttle External Tank" . NASA, August 16, 1999. Quote: "…orange spray-on foam used to insulate…""Media Invited To See Shuttle External Fuel Tank Ship From Michoud". NASA, December 28, 2004. Quote: "The gigantic, rust-colored external tank…" 2本の白色で細長い固体燃料補助ロケット（Solid Rocket Boosters、SRB） 宇宙飛行士と貨物を搭載する軌道船 （Orbiter Vehicle、OV） の三つの部分から構成されていた。なお、上記に加えて、STSのために開発された、PAMとIUSと呼ばれる人工衛星打上げ用の2種類の固体ロケットを用いれば、搭載物をさらに高い軌道に運ぶこともできた。なお、シャトルには全体でおよそ250万個もの部品が使われており、人間がこれまでに製造した中で最も複雑な機械であると言われている（→#構造・メカニズム・諸元）。

シャトルは通常のロケットと同じように、発射台からは垂直に離陸する。その際の推力を生むのは2本のSRBおよび、（軌道船の後部に装着している）3基のメイン・エンジン（Space Shuttle Main Engine、SSME）であり、SSMEの推進剤（液体水素と液体酸素）は外部燃料タンクから供給される。上昇の手順はおおまかに、 SRBも含めてすべてのロケットが噴射される第一段階 SRBが役目を終えSSMEだけで推進する第二段階 のふたつに分かれていて、打上げからおよそ2分後に第二段階に移り、SRBは切り離され落下、パラシュートで海に着水し再使用のため船で回収される。機体（OVおよびET）はその後も上昇を続け、軌道に到達するとSSMEが燃焼を停止し、ETも役目を終えて切り離される。切り離され自由落下を始めたET（巨大なオレンジ色のタンク）は通常は大気圏に再突入して空気抵抗と熱によって消滅する。ただし、様々な用途に使用することは、構想としてはあった。

軌道船はその後さらに軌道操縦システム（Orbital Maneuvering System、OMS）を噴射することでミッションの目標としている軌道へと向かう。軌道上での姿勢は、姿勢制御システム（Reaction Control System、RCS）を噴射することで制御する。

シャトルが従来の宇宙船とは際だって異なった特徴の一つに、軌道船の胴体部分のほとんどを占めるほどの大きさの貨物搭載室を備えていることと、そこに大きな観音開きのドアがついていることである。これによって、飛行士や宇宙ステーションの建設資材などを、地球周回低軌道や大気圏上層部、さらには熱圏などに運ぶことができた。例えば、ハッブル宇宙望遠鏡のような大きなものを搭載し軌道に投入することや故障した衛星などがあれば、その軌道へ向かい、貨物室に回収して地球に持ち帰ったりすることもできた。

任務が終了すると、軌道船はOMSを逆噴射して速度を落とし大気圏に再突入した。降下している間、シャトルは大気の様々な層を通過し、主に空気抵抗を用いて機体の速度を極超音速状態から減速させる。大気圏下層部に到達し着陸態勢に入るとグライダーのように滑空飛行し、フライ・バイ・ワイヤ方式の操縦系統で油圧によって動翼を制御した。着陸の際には、長い滑走路が必要とされた。シャトルの形態は、帰還時に極超音速飛行および旅客機のような低速飛行の双方をしなければならない、という二律背反する要求を満たすために作られた妥協の産物であり、その結果として軌道船は着陸寸前には、普通の航空機には見られないような急激な降下（高い降下率）を経験することになる。

（→#飛行手順の詳細）

かさんだコストと危険性 当初は通常のロケットより一回あたりの飛行コストを安くできるという見込みでこの計画がスタートし製造されたが、実際の運用で発生した事故（コロンビア号空中分解事故など）に対する安全対策により、当初の予想より保守費用が大きくなっていき、結果的に使い捨てロケットよりもコストが高くなった（→#甘すぎた予測と膨らんだ費用と危険性）。

呼称の指す範囲 「スペースシャトル」という言葉は、一般にはOVの単体を指していることもある。シャトル（往復を繰り返すもの）という表現に合致しているのは基本的にオービタ部分であるし、形状という点でも、「シャトル」という用語の源となっている織物のシャトルと形が類似し連想させるのはオービタ単体であるからである。ただし技術的な観点、つまり宇宙飛行システム、飛行に必要な技術的な要素、という意味では、軌道船以外にも外部燃料タンク・固体燃料補助ロケットが結合されて、はじめてシャトルは完成状態となり飛行可能となるので、NASAのエンジニアなどは三つが合体した状態を「スペースシャトル」と呼ぶ。そして、紛らわしさを避けるために「オービタ」「SRB」「ET」などの呼称を用いて呼び分けている。

完成状態にする作業はスペースシャトル組立棟で行われる。なお、この建物は元々はシャトルのものではなく、アポロ計画のサターン5型ロケットを組み立てるために作られたものである。

「スペースシャトル」という用語で、スペースシャトルをコアとした計画全体（スペースシャトル計画）を指して用いられていることもある。

計画・設計・製造 計画の初期段階 thumb|180px|スペースシャトルの当初のコンセプト図の一部 シャトルの設計と製造は1970年代初頭に始まったが、その概念はそれより20年も前、1960年代のアポロ計画よりも早い段階に存在していたPlease refer to Space Shuttle design process.Please refer also to North American X-15#Design_and_development.。宇宙から宇宙船を水平に着陸させるという構想は1954年に国立航空諮問委員会（NACA）が描いていたもので、それは後にX-15航空工学実験調査機として実現することになった。NACAに対してこの提案を行ったのは、ヴァルター・ドルンベルガーである。

1957年、X-15をさらに発展させたXシリーズ宇宙往還機計画が提案された。宇宙飛行士ニール・アームストロングはX-15とX-20両方のテスト・パイロットに選抜されたが、X-20は計画されただけで実機が飛行することはなかったPlease refer to X-20 Dyna-Soar.。

X-20は実現されなかったが、同様のコンセプトを持つHL-10実験機は数年後に開発され、1966年1月にNASAの元へと届けられた。HLとは、「Horizontal Landing（水平着陸）」の意味であるPlease refer to Northrop HL-10.。

1960年代半ば、空軍は次世代宇宙輸送システムに関する一連の極秘調査計画を行い、「一部再使用型の宇宙船こそが最も安上がりな方法だ」と判断した。彼らの提案では、使い捨て型の宇宙船とロケット（クラスI）の開発に直ちに取りかかり、それに続いて一部再使用型（クラスII）の開発を続け、最終的には完全再使用型（クラスIII）に達するべきである、とされた。1967年、NASA長官ジョージ・ミューラー（George Mueller）は幹部80人を集め、将来的な選択肢に関する1日間の討論会を開催した。会議では、初期の頃の空軍のX-20計画を含む様々な提案がなされた。

1968年、NASAは地球と宇宙を往復することを目的とした「統合往還機（Integrated Launch and Re-entry Vehicle、ILRV）」の研究を開始し、同時に複数の企業に対してメイン・エンジン（SSME）の開発を競わせた。ヒューストンとハンツビルにあるNASAの事務局は共同で、宇宙に貨物を運ぶだけでなく大気圏を滑空して地球に帰還できるような宇宙船の設計を公募した。その中の一つに、巨大なロケットと小型の軌道船によって構成されたDC-3と呼ばれた案があったPlease refer to North_American_DC-3#History.。

1969年、ニクソン大統領はスペースシャトル計画を進行させることを正式に決定したPlease refer to Space_Shuttle_design_process#Decision-making_process.。

1973年8月、X-24Bが飛行に成功したことにより、大気圏に再突入した宇宙船が水平に着陸するのが可能であることが証明された。

開発・設計 thumb|140px|1975年に行われた模型を使用しての風洞試験。再突入で機体が高温の空気に包まれる状態を、イオンガスを吹きつけることで再現した。 スペースシャトルは、再使用することを目的に設計された宇宙船としては初めてのものである。シャトルは様々な搭載物を低軌道に運び、ISS（国際宇宙ステーション）の人員を交代させることができ、軌道船は地球を周回する人工衛星その他の物体を回収し地上に持ち帰ることもできるように設計された。各軌道船は「100回の飛行もしくは10年間の使用に耐えられるように」との考えで設計されたが、後にその期間は延長された。STS（宇宙輸送システム）の設計責任者は、マーキュリー計画、ジェミニ計画、アポロ計画などでも宇宙船の設計を担当したである。軌道船の大きさや形状を決定する際の最も重要な要素となったのは、当時計画されていた商業衛星や秘密衛星の最大のサイズのものを搭載できるようにすることと、極軌道から一周回で離脱するという空軍の秘密計画に対応できるような飛行範囲を持っていることである。衛星を宇宙空間に配置するための高い搭載能力が欲しいという国防総省の要求、および再使用できる機器を持つ宇宙船を開発することによって宇宙開発予算を削減したいというニクソン政権の要求の双方に応えるため、固体燃料補助ロケットと使い捨て型の燃料タンクの併用という方式が選択された。

耐熱タイル シャトル開発でひとつの大きな壁になったのが、大気圏に再突入時の熱からオービタを守り、繰り返し使用可能な熱シールドの開発である。オービタは機体を軽量にするために、基本的に航空機と同様のアルミニウムで出来ているが、アルミニウムはわずか200℃程度の温度で柔らかくなってしまい、大気圏再突入時に発生する1600℃以上の熱に耐える事は出来ない。そこで、1,260℃以下の部分へ断熱材として素材にシリカガラス繊維を用いた、再使用型高温用表面耐熱材（High-temperature Reusable Surface Insulation、HRSI（黒色））と 繊維質耐火性コンポジット耐熱材（Fibrous Refractory Composite Insulation、FRCI（灰色））- 体積の94%が空気という超軽量耐熱タイルが開発された。シリカは熱を伝える速度が非常に遅いので、それを用いた耐熱タイルを用いれば機体のアルミを護ることができる。だが、まだ問題があった。機体のアルミは熱で膨張するのに対し、耐熱タイルのほうはほとんど膨張しない為、そのまま接着しては温度上昇とともに耐熱タイルは剥がれて脱落してしまう。試行錯誤が繰り返された結果、機体と耐熱タイルの間にフェルトをはさむ事で機体とタイルの膨張率の違いを受け止める方法が浮上した。これは特殊なフェルトではなく、カウボーイハットなどに用いられるごく普通のフェルトである。機体とフェルトと耐熱タイルの接着についても、アメリカの家庭にありふれた浴槽の防水コーキング用のゴムが接着剤として用いられた。耐熱タイルはHRSI 20,548枚とFRCI 2,945枚が、オービタの曲面を覆うため、部分ごとに形状の異なるものがジグソーパズルのように機体に貼り付けられた。1600℃以上が想定される部分には、強化炭素複合材（Reinforced Carbon Carbon、RCC（灰色））が開発され利用された。

素材選択や接着方法の開発が難航した耐熱タイルは、やはりスペースシャトルの弱点のひとつとなり、繰り返される飛行で何度も脱落を経験している。安全確保のため、帰還後に毎回タイルひとつひとつの状況や履歴を記録しつつ手作業で検査・修復しなければならず、シャトルの不安要因のひとつとしてつきまとうことになった。

製造 飛行可能な機体は6機製造された。1号機エンタープライズは宇宙に行けるようには作られてはおらず、もっぱら滑空試験のためのみに使用された。実用化されたのは、コロンビア、チャレンジャー、ディスカバリー、アトランティス、エンデバーの5機である。当初はエンタープライズも進入着陸試験が終了した後に実用機として改造される予定だったが、構造試験のために製造されたSTA-099をチャレンジャー（OV-099）に改造したほうが安上がりだと判断された。チャレンジャーは1986年、発射から73秒後に爆発事故を起こして機体が失われたため、機体構造の予備品として残っていたものを集めて新たにエンデバーが製作された。コロンビアは2003年に空中分解事故を起こして消滅した。 thumb|center|400px|シャトル5機。このうちの2機が事故で失われることになった。

甘すぎた予測と膨らんだ費用と危険性 スペースシャトル計画の始まりの段階で、NASAの関係者には「一回の飛行あたり1200万ドルほどのコストで飛ばすことができる」などと主張する者もいて、そうした甘い見込みのもとに計画は進んでしまった。

シャトルを繰り返し安全に飛ばすため、再使用する機体の部品は飛行のたびに徹底的な検査が行われたが、シャトルを構成する膨大な数の部品の検査にかかる費用は巨額のものとなった。

エンデバーの製作にかかった費用は約17-18億ドルで、シャトルの一回の飛行にかかる費用は2002年の時点では約4億5,000万ドルだった。だが、コロンビアの事故以降は安全対策のコストが上昇し、2007年には1回の飛行につき約10億ドルを要するようになったhttp://www.nasa.gov/centers/kennedy/about/information/shuttle_faq.html。

スペースシャトルには技術的な困難だけでなく、官僚主義に侵されたNASAという巨大組織の抱える問題も影響した。チャレンジャー号の事故は予測・回避できた可能性が高かったにもかかわらず、NASAの幹部は「事故は起きないだろう」と充分な対策を行わず、米国が行った宇宙飛行中の事故では初の死者を出している。コロンビア号の事故においても、発射時の映像を確認した職員によって上昇中に剥離した断熱材がオービタに衝突した可能性が指摘されたものの、NASA幹部は提供された情報を軽視したという経緯がある。

政治学者のロジャー・A・ピールケ・Jr.（Roger A. Pielke.Jr.）は、2008年度初頭までにシャトル計画にかかった費用は総額で1,700億ドル（2008年度換算）ほどと算定した。これによれば打ち上げ一回あたりのコストは15億ドルということになる The Rise and Fall of the Space Shuttle, Book Review: Final Countdown: NASA and the End of the Space Shuttle Program by Pat Duggins, American Scientist, 2008, Vol. 96, No. 5, p. 32.。

最終的には、スペースシャトルの計135回の打ち上げで2090億ドルもの費用がかかっていた。

構造・メカニズム・諸元 軌道船 thumb|left|300px|軌道船透視図 thumb|left|300px|軌道船透視図

軌道船は多くの航空機と似たような形状をしており、主翼は内側が81°、外側が45°の後退角を持った二重デルタ翼で、垂直尾翼の後退角は50°である。主翼の後端には4枚の動翼が取りつけられている。垂直尾翼後端には空力ブレーキも兼ねた方向舵が設置されていて、降下と着陸の際に高揚力装置（フラップ）とともに作動して機体を制御する。

胴体部分のほとんどは直径4.6m、長さ18mの貨物搭載室が占めていて、観音開きの保護ドアによって覆われている。搭載物は通常は機体が水平の状態にあるときに格納され、その後機体とともに発射台上に垂直に設置される。無重力の宇宙空間では、搭載物は飛行士が操縦するロボットアームや船外活動によって放出される。搭載物自体が持っているロケットによって、さらに高い軌道へと投入されることもある。

thumb|upright|中央に見えるのが軌道船の3基のメイン・エンジン。その両脇にある2基の小さいロケットは軌道操縦システム。さらにその上にあるのが垂直尾翼。 機体の後端には、メイン・エンジンが三角状に配置されている。エンジンのノズルは上下方向に10.5°、左右方向に8.5°傾けることが可能で、上昇中に推力の向きを変えて機体の進行方向を制御する。軌道船の機体構造は主にアルミニウム合金によって作られているが、エンジン部分の支持構造にはチタニウム合金が使用されている。

軌道船は飛行目的に応じて、軌道実験室（スペースラブ、スペースハブ）、搭載物をより高い軌道に投入するためのロケット（慣性上段ロケット（IUS）、ペイロード・アシスト・モジュール（PAM））、軌道滞在期間延長機器（EDO（Extended Duration Orbiter）キット）、カナダ・アームなど様々な追加機器を搭載することができる。

製造された機体の中で実際に宇宙に行くことができたのは、OV-099チャレンジャー号、OV-102コロンビア号、OV-103ディスカバリー号、OV-104アトランティス号、OV-105エンデバー号の5機である。

オービタに加えられた主な機器の画像

外部燃料タンク

外部燃料タンク（ET）の主な機能は、軌道船のメイン・エンジンに燃料の液体水素と酸化剤の液体酸素を供給すると同時に、2本のSRBと軌道船を接続し、全体を支える骨組みとなることである。ETはシャトルの中では唯一再使用されない部分で、飛行のたびに投棄されているが、軌道に投入して（宇宙ステーションに接続するなどして）利用することは構想としては検討されていたNASA-CR-195281, "Utilization of the external tanks of the space transportation system". NASA, August 23–27, 1982.STS External Tank Station . astronautix.com。

固体燃料補助ロケット

固体燃料補助ロケット（SRB）は2基合計で発射時に必要とされる推力の83%、約1,250万ニュートン（1,276.8トン）を発生しColumbia Accident Investigation Board Report, Vol II, Appendix D.7 . NASA, October 2003.、打上げから2分後、高度約15万フィート（46km）に達したところで切り離され、パラシュートで海に着水して回収される。外殻は厚さ13mmの鋼鉄でできている。SRBは何度も再使用されるもので、一例を挙げれば2009年に試験発射されたアレスI-Xロケットは、過去48回のシャトルの飛行で使用されたSRBの部品を寄せ集めて作られたものであり、その中には1981年の初飛行（STS-1）で使われたものも含まれていたNASA Ares I First Stage Motor to be Tested August 25. NASA, July 20, 2009.。

飛行制御系統 シャトルはコンピュータ制御されたフライ・バイ・ワイヤ方式のデジタル飛行制御システムを採用した、初期のころの機種の一つである。これは飛行士が操作する操縦桿やペダルと、機体の操縦翼面や姿勢制御システムの間に機械的なリンクや油圧系統などが一切存在しないということを意味する。飛行士が入力した操作は電気信号に変換され、電線（ワイヤ）を介して操縦装置に伝えられる。

フライ・バイ・ワイヤ方式の最大の懸念は信頼性の問題であり、シャトルのコンピューターシステムについては多くの研究開発が行われた。シャトルは IBM製の5台のAP-101と呼ばれる、それぞれ独立して冗長性を持ち、組み込みシステムを構成する32ビット汎用コンピューターを使用している。このうち4台は主飛行電子ソフトウェアシステム（Primary Avionics Software System、PASS）という特製のソフトウェアで稼働し、残りの1台はこれとは別の、バックアップ飛行システム（Backup Flight System、BFS）というソフトを使用している。これらを総称して「データ処理システム（Data Processing System、DPS）」と呼ぶ。

シャトル用DPS設計の到達目標は、フェイルセーフを達成して信頼性を向上させることだった。DPSは、もし5台のコンピューターのうち1台が故障してもミッションを継続することができ、2台が故障しても安全に着陸できるように設計されている。

4台の汎用コンピューターは、相互に監視し合いながら稼働している。もし1台が他と違う指令を出した場合は、3台が「投票」を行い、違う指令を出している1台を機体の制御から除外する。残りの3台のうち1台がまたもや違う指令を出した場合は、残った2台が投票をしてその1台を除外する。極めて稀な場合だが、もし4台の「主張」が2対2に別れた場合は、どちらか一方のグループが無作為に選ばれる。

BFS（バックアップ飛行システム）は5台のコンピューターの中で独立して開発されたソフトで、4台のメインシステムが故障した時にのみ稼働する。BFSが開発されたのは、メインシステムはハードウェア的には冗長性を持たせているものの全く同じソフトで稼働しているため、もし何らかのエラーが発生した時には4台すべてが故障してしまう可能性があるからである。埋め込み式アビオニクスソフトは、一般の商用ソフトとは全く違う環境のもとで開発されている。コードラインの数は商用ソフトに比べればごく限られたもので、変更がなされることは滅多になく、広範な試験が行われ、ほんのわずかなコンピューターコードのために開発要員や試験要員も含めて多くの人員が関わっている。しかし、どんなに万全を尽くしても故障というのは常に起こりうるものであり、そのような不測の事態に備えてBFSは用意された。シャトルが退役するまでの間、実際にBFSが操縦を引き継ぐような事態が発生することは一度もなかった。

シャトルのコンピューターのソフトウェアは、PL/Iに似たHAL/Sと呼ばれる高級プログラミング言語で書かれている。これはリアルタイム組み込みシステム環境のために、特別に設計されたものである。

IBM製AP-101コンピューターは、もともと1台あたり約424KBの磁気コアメモリを持ち、CPUは毎秒40万回の計算を行うことができた。ハードディスクはなく、ソフトは磁気テープカートリッジからロードした。

1990年、AP-101はAP-101Sという上位機種に置きかえられた。記憶容量はこれまでの2.5倍の約1MBに、演算速度は3倍の毎秒120万回に向上し、さらに記憶装置は磁気コアメモリからバックアップ電池つきの半導体メモリに改良された。

1983年11月から、シャトルにはGRiD Compassという、最初期に作られたラップトップパソコンを使用していた。GRiD Compassは8,000ドル程度（1ドル240円当時で192万円と非常に高価）だったが、当時その重量や大きさに比して不釣り合いなほどの性能を発揮し、NASAはその重要な顧客の一つだった。なお、GRiD Compassは飛行制御系統には関係せず、シャトルの飛行軌跡を2周回分表示させるのに使用された。その後は、1993年12月のThinkPad 750C以来、歴代のIBM ThinkPad（ThinkPad 755Cが使われ、2002年のエンデバーでのミッションではThinkPad 760Eが）用いられた。

thumb|100px|シャトル計画の標章

機体の塗装と標章 操縦室の窓と貨物搭載室ドアの間の機体側面には、軌道船の名称が書かれている。搭載室ドア後部の下側には、NASAの標章と「United States」の文字および星条旗が描かれている。国旗は右側主翼にももう一つある。文字に使用されている書体はHelveticaである。

改良 シャトルは1970年代に開発された宇宙船であるため、その当時から安全面における性能や信頼性を向上させるべく多くの改良や改造が施されてきた。 thumb|STS-101の操縦席。アトランティス号でグラスコックピットが初めて採用された。