- второй ступени - орбитального корабля (космического самолета) с тремя маршевыми кислородно-водородными двигателями, к которому крепился подвесной топливный бак. Топливный бак отделялся во время выхода орбитальной ступени в космос, разрушался и практически полностью сгорал в земной атмосфере, являясь единственным одноразовым элементом во всей системе «Спейс шаттл». Планировалось не менее чем стократное использование орбитального корабля. Кислородно-водородные двигатели рассчитывались на 55 полетов орбитальной ступени.
На стартовой позиции «Спейс шаттл» смотрелся весьма внушительно: его высота была 56,14 метров, средняя масса при старте 2045 тонн, из которых на полезный груз приходилось 29,5 тонн (полезный груз от общего веса всей космической системы составлял примерно 1,4 процента).
Твердотопливные ускорители имели длину 45,5 метра, диаметр 3,71 метров. Общая масса двух ускорителей - 1180 тонн. Они должны были отработать 123 секунды после запуска.
Внешний топливный бак имел внушительные габариты: длина - 47 метров, диаметр - 8,38 метра. Масса бака при старте - 756 тонн. В баке находилось 103 тонны горючего (жидкий водород) и 616 тонн окислителя (жидкий кислород).
Длина орбитальной ступени составляла 37,24 метра, размах крыла - 23,79 метра, высота 17,27 метра. «Сухой» вес аппарата - около 68,5 тонн, взлетный вес - от 85 до 114 тонн - в зависимости от программы полета и полезной нагрузки, посадочный вес с возвращаемым грузом на борту - 84,26 тонны. В качестве компонентов топлива на орбитальной ступени использовались: горючее – метилгидразин, окислитель - тетраоксид диазота.
Орбитальная ступень шаттла имела теплозащиту четырех типов. В самых теплонапряженных местах - носок фюзеляжа и передняя кромка крыла - расчётная температура составляла около 1430 є С. В этих местах применялся многослойный углерод-углеродный композитный материал. Нижняя поверхность орбитальной ступени, где нагрев при спуске в атмосфере с орбиты составляет от 650 до 1260 є С, покрывалась плитками из материала на основе кварцевого волокна. Верхняя и боковые поверхности «Спейс шаттла» - там, где температура составляет 315-650 є, защищались плитками низкотемпературной изоляции, а на всех остальных местах корпуса температура не превышала 370 є С - поэтому здесь использовался войлочный материал, покрытый силиконовой резиной.
Когда «Спейс шаттл» проектировался, считалось, что он при стартовой массе около 2000-2050 тонн будет выводить:
- на орбиту с наклонением 28,5 градусов полезную нагрузку массой 29,5 тонн,
- на орбиту высотой 500 километров и наклонением 55 градусов - 11 300 килограмм при запуске из Центра космических полетов им. Кеннеди на мысе Канаверал;
- на солнечно-синхронную орбиту - 14,5 тонн;
- на приполярную орбиту высотой 185 километров - 14,5 тонн при запуске с космодрома на базе ВВС Ванденберг в Калифорнии.
Возвращать на Землю с орбиты предполагалось полезный груз массой не менее 14,5 тонн.
По расчетам для обеспечения экономической эффективности «Спейс шаттла», он должен был стартовать около 55-60 в год.
Для выполнения орбитальных полетов ВВС США и НАСА были разработаны два вида одноразовых твердотопливных многоступенчатых буксиров - соответственно JUS и SSUS. Такое решение было принято, поскольку твердотопливные буксиры имели низкую стоимость изготовления. РДТТ были просты в эксплуатации и высоконадежны. Космические буксиры JUS и SSUS обеспечивали запуск полезных грузов массой 2,3 тонны на геостационарную орбиту, 2,72 тонны на 12-часовую орбиту и более 5 тонн на межпланетные траектории.
При выведении на околоземную орбиту «Спейс шаттл» фактически выполнял функции ракеты-носителя. При старте с Земли начинали работать три двигателя орбитальной ступени и два твердотопливных ускорителя. РДТТ обеспечивали дополнительную тягу на начальном участке траектории выведения. Топливо для работы кислородно-водородных двигателей во время полета заправлялось в подвесной топливный бак и полностью расходовалось в процессе выведения на орбиту. Управление полетом всей системы «Спейс шаттл» осуществлялось отклонением вектора тяги двигателей. На атмосферном участке полета космической системы для управления полетом использовалось дополнительно отклонение руля направления орбитальной ступени. Примерно на 125 секунде после старта с Земли при достижении высоты полета около 50 километров и скорости движения всей системы 1400 м/с происходило отделение твердотопливных ускорителей с помощью восьми небольших твердотопливных ракетных двигателей. Ускорители продолжали неуправляемый полет по баллистической траектории. На высоте около 7,6 километров раскрывались тормозные, а на высоте примерно 4,8 километров - основные парашюты. На 463 секунде после старта ускорители приводнялись в Атлантическом океане на расстоянии 250-260 километров от стартовой позиции космодрома на мысе Канаверал. Специальная эвакуационная группа вылавливала ускорители и буксировала к берегу. Затем проводился комплекс восстановительных работ для повторного использования их при будущих запусках «Спейс шаттла».
После отделения твердотопливных ускорителей три основных водородно-кислородных двигателя орбитальной ступени шаттла продолжали работать до достижения всей системой скорости, близкой к орбитальной. На 480 секунде полета подвесной топливный бак отделялся от крылатой орбитальной ступени. Спасение его программой полета «Спейс шаттла» не предусматривалось. В дальнейшем бак шаттла совершал неуправляемый полет. Он сходил с орбиты по баллистической траектории, падал, разрушаясь в плотных слоях земной атмосферы. Отдельные не разрушившиеся элементы бака достигали вод Тихого или Индийского океанов в заранее выбранных пустынных районах.
С помощью двигателей системы орбитального маневрирования, установленных на орбитальной ступени, давался дополнительный импульс по приращению скорости корабля. Шаттл выводился на опорную орбиту. Эти же двигатели орбитального маневрирования могли использоваться и при аварийном прекращении штатного полета на участке выведения «Спейс шаттла», и для его межорбитальных перемещений, и для сближения с космическими аппаратами и стыковки с орбитальными станциями, и для выдачи тормозного импульса при сходе с орбиты орбитальной ступени в ходе ее посадки на Землю. После торможения и маневрирования на атмосферном участке спуска орбитальная ступень совершала посадку на полосу стартово-посадочного комплекса или запасного аэродрома.
При полете экипаж состоял из 2-8 астронавтов (обычно в большинстве полетов было от 5 до 7 астронавтов) и размещался на верхней и средней палубах кабины орбитальной ступени. В кабине корабля располагались органы управления полетом, рабочие и спальные места астронавтов, кухня, кладовая, санитарный отсек, шлюзовая камера, посты управления операциями и полезной нагрузкой, другое оборудование. Общий герметизированный объем кабины – 75 кубических метров. Расчетные давление и температура на борту корабля соответственно 760 мм рт. ст. и 18,3 - 26,6 є С.
Полезный груз, выводимый орбитальной ступенью в космос, располагался в ее грузовом отсеке. Грузовой отсек имел размеры 18,3 х 4,6 метра и объем 339,8 кубических метра. После выведения на околоземную орбиту створки грузового отсека раскрывались. Вместе с ними поворачивались в рабочее положение радиаторы системы охлаждения на внутренней поверхности створок. Груз выводился в космос либо с помощью орбитальных буксиров, либо с помощью специальной трехзвеньевой «руки-манипулятора» длиной 15,3 метра, размещенной в самом грузовом отсеке.
При возникновении аварийной ситуации на участке выведения на орбиту «Спейс шаттла» рассматривалось несколько вариантов действия:
1) при первых четырех полетах «Спейс шаттла» предусматривалось катапультирование двух астронавтов в случае аварийной ситуации без спасения орбитальной ступени и полезной нагрузки. Однако катапультные кресла могли работать только на скоростях до 3 Мах и на высотах до 30 километров, а эти пределы покрывали лишь незначительный участок полета шаттла;