發展空天飛機的主要目的是想降低空天之間的運輸費用。其途徑歸納起來主要有三條：一是充分利用大氣層中的氧，以減少飛行器攜帶的氧化劑，從而減輕起飛重量；二是整個飛行器全部重複使用，除消耗推進劑外不拋棄任何部件；三是水平起飛，水平降落，簡化起飛（發射）和降落（返迴）所需的場地設施和操作程式，減少維修費用。
但是，經過幾年的研究分析，科學家們發規，過去的估計過於樂觀。實際上。上述三條途徑知易而行難。需要解決的關鍵技術難度決非短時間內能突破，這些關鍵技術有：新發動機，因為，空天飛機的飛行範圍為從大氣層內到大氣層外，速度從0到m=25，如此大的跨度和工作環境變化是現有的所有單一型別的發動機都不可能勝任的，從而也就使為空天飛機研製全新的發動機成為整個專案的關鍵。
眾所周知，噴氣式發動機需要在大氣層中吸入空氣，無需攜帶氧化劑，但無法在大氣層外工作，且實用速度較小；而火箭發動機自帶氧化劑，可以工作在大氣層內外，使用速度範圍較廣，但攜帶的氧化劑較笨重，比衝小。設想的空天飛機的動力一般為采用超音速燃燒衝壓發動機 火箭發動機或渦輪噴氣 衝壓噴氣 火箭發動機的組合動力方式。但超燃衝壓發動機的研製上存在相當多的技術問題，而多種發動機的組合方式又使結構變得過於複雜和不可靠。
核反應堆會產生很多高速移動的離子， 這些高能粒子移動速度非常快，從而可以使用磁場來控製它們的噴射方向。這和離子火箭的原理相似，從飛機尾部噴射出高速移動的離子，從而使飛機產生反衝運動。這種方法的優點是推動比異常大，無需攜帶任何介質，持續性強。
氣動分析，太空梭返迴再入大氣層的空氣動力學問題，曾經耗費了科學家們多年的心血，作了約10萬小時的風洞試驗。空天飛機的空氣動力學問題比太空梭複雜得多。因為飛機速度變化大，馬赫數從0變化到25；飛行高度變化大，從地麵到幾百公裏高的外層空間；返迴再入大氣層時下行時間長，太空梭隻有十幾分鍾，空天飛機則為l～2小時。
解決空氣動力學問題的基本手段是風洞。就連美國暫時也不具備馬赫數可以跨越這樣大範圍的試驗風洞。即使有了風洞還需要作上百萬小時的試驗，那意味著就是晝夜不停地試驗，也需要花費100多年的時間。於是，隻能求助於計算機，用計算方法來解決，而對那維爾斯托克斯方程的求解尚存在許多理論上和計算速度上的問題。
研製空天飛機最關鍵技術是動力裝置。它的動力裝置必須能在極廣的範圍內工作，即從起飛時速度為零一直加速到入軌時速度（高達25馬赫數）的飛行範圍內能有效地工作。它應具備兩種功能：一是火箭發動機，用於大氣層外的推進；一是吸氣式發動機，用於大氣層內的推進。吸氣式發動機要在大馬赫數條件下工作。利用衝壓作用對空氣進行壓縮液化。為本身提供液燃料。單一型別的發動機是無法同時完成這兩個任務的，在研製一種多迴圈工作製的組合發動機，但技術難度很大。可以說，發動機研製成功與否，將決定空天飛機的命運。
一體設計，空天飛機裏安裝了空氣渦輪發動機、衝壓發動機和火箭發動機三類發動機。空氣渦輪噴氣發動機可以使空天飛機水平起飛。當時速超過2400公裏時，就使用衝壓發動機，它使空天飛機在離地麵60公裏的大氣層內以每小時近3萬公裏的速度飛行。如果再用火箭發動機加速，空天飛機就衝出大氣層，像太空梭一樣，直接進入太空
當空天飛機以6倍於音速以上的速度在大氣層中飛行時，空氣阻力將急劇上升，所以其外形必須高度流線化。亞音速飛機常采用的翼吊式發動機已不能使用.需要將發動機與機身合並，以構成高度流線化的整體外形。即讓前機身容納發動機吸入空氣的進氣道，讓後機身容納發動機排氣的噴管。這就叫做“發動機與機身一體化”。
在一體化設計中，最複雜的是要使進氣道與排氣噴管的幾何形狀，能隨飛行速度的變化而變化，以便調節進氣量，使發動機在低速時能產生額定推力，而在高速時又可降低耗油量，還要保證進氣道有足夠的剛度和耐高溫效能，以使它在返迴再入大氣層的過程中，能經受住高速氣流和氣動力熱的作用，這樣纔不致發生明顯變形，纔可多次重複使用。
結構材料，空天飛機需要多次出入大氣層，每次都會由於與空氣的劇烈摩擦而產生大量氣動加熱，特別是以高超音速返迴再入大氣層時，氣動加熱會使其表麵達到極高的溫度。機頭處溫度約為1800c，機翼和尾翼前緣溫度約為1460c，機身下表麵約為980c，上表麵約為760c。因此，必須有一個重量輕、效能好、能重複使用的防熱係統。
空天飛機的結構材料要求很高。在飛行時，它頭部和機翼前緣的表麵溫度可達2760c。這樣，像太空梭上的防熱瓦塊式外衣，就不再適用了。科學家們研製了一種新型複合材料來代替，並且在一些特殊部位采用新型冷卻裝置，避免了高溫的傷害。
空天飛機在起飛上升階段要經受發動機的衝擊力、振動、空氣動力等的作用，在返迴再入階段要經受顫振、抖振、起落架擺振等的作用。在這種情況下，防熱係統既要保持良好的氣動外形，又要能長期重複使用，維護方便，所以其技術難度是相當大的。
太空梭，由於受氣動加熱的時間短，表麵覆蓋氧化矽防熱瓦即可達到滿意的防熱效果，但對空天飛機則遠遠不夠。如果單靠增加防熱層厚度來解決問題，則將使重量大大增加，而且防熱層還不能被燒壞，否則會影響重複使用。一個較簡單的解決辦法是在機頭、機翼前緣等區域性高溫區，使用傳熱效率特別高的吸熱管來吸熱，以便把熱量轉移到溫度較低的部位。更好的辦法是采用主動式冷卻防熱係統，也就是把機體結構與防熱係統一體化，即把機體結構設計成夾層式或管道式，讓推進劑在夾層內或管道內流動，使它吸走空氣對結構外表麵摩擦所生成的熱量。
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