L'astronautica, la scienza della navigazione spaziale, si avvale dei risultati di molte discipline, quali la fisica, l'astronomia, la matematica, la chimica, la biologia, la medicina, l'elettronica e la meteorologia. Le sonde spaziali, con o senza uomini a bordo, hanno fornito e forniscono una fonte quasi inesauribile di dati scientifici sulla natura e sull'origine del sistema solare e dell'universo. I satelliti orbitanti, ormai divenuti indispensabili per le telecomunicazioni, per effettuare previsioni meteorologiche precise e per la navigazione, vengono utilizzati anche per il riconoscimento di risorse minerali sulla superficie terrestre.
 | Lo Sputnik 1, un satellite lungo 58 cm, fu il primo lanciato in orbita intorno alla Terra: il lancio venne effettuato dall'Unione Sovietica il 4 ottobre 1957. Il nome "Sputnik" significa "compagno di viaggio della Terra". Il satellite restò nello spazio 57 giorni, orbitando con un periodo di 96,2 minuti e trasmise molte informazioni sull'atmosfera. |
Lo Sputnik 1 conteneva strumenti che per 21 giorni consecutivi trasmisero dati riguardo ai raggi cosmici e alle meteoriti e fornirono informazioni sulle condizioni di densità e di temperatura dei gas che compongono l'alta atmosfera. Quando, dopo 57 giorni, il satellite rientrò nell'atmosfera terrestre venne distrutto dal calore sviluppato per effetto dei fenomeni di attrito.
Il secondo satellite artificiale, lo Sputnik 2, venne lanciato il 3 novembre 1957 con a bordo una cagnetta di nome Laika, che permise di effettuare i primi studi sugli effetti del volo in orbita su organismi viventi. Lo Sputnik 2 rientrò nell'atmosfera terrestre e si distrusse dopo 162 giorni di volo.
Il 31 gennaio 1958, mentre lo Sputnik 2 era ancora in orbita, gli Stati Uniti lanciarono il loro primo satellite, l'Explorer 1. La sonda, un cilindro di 15 cm di diametro, lungo 203 cm e del peso di 14 kg, effettuò per 112 giorni precise misure dei raggi cosmici e di micrometeoriti; fornì inoltre i primi dati da satellite che condussero alla scoperta delle fasce di radiazione di Van Allen.
Nel gennaio 1958 venne fondata la NASA (National Aeronautics and Space Administration), agenzia governativa statunitense, responsabile della pianificazione, della gestione e del controllo di tutte le attività organizzate dagli Stati Uniti in campo aeronautico e spaziale, a eccezione di quelle a carattere strettamente militare. Nel corso dei vent'anni che seguirono furono lanciati oltre 1600 satelliti di vario tipo, la maggior parte in orbita terrestre. Dodici uomini hanno camminato sulla superficie lunare e sono tornati sulla Terra.
Il 17 marzo 1958 gli Stati Uniti posero in orbita il Vanguard 2, che per oltre sei anni trasmise segnali utilizzando l'energia solare; lo studio preciso delle variazioni della sua traiettoria fornì preziosi dati sulla forma del nostro pianeta. Il Vanguard 2 fu seguito dall'Explorer 3, lanciato il 26 marzo 1958, e dallo Sputnik 3 sovietico, lanciato il 15 maggio. Quest'ultimo, del peso di 1327 kg, misurò la radiazione solare, i raggi cosmici, il campo magnetico terrestre e altri fenomeni astronomici, finché la sua orbita decadde nell'aprile del 1960.
La Luna fu l'obiettivo di molte missioni spaziali, tuttavia i primi tentativi di inviare nello spazio sonde lunari non ebbero successo. La sonda sovietica Lunik 2, lanciata il 12 settembre 1959, cadde sulla Luna dopo 36 ore, e pochi mesi dopo il Pioneer 4 degli Stati Uniti sfiorò la superficie del nostro satellite. Da quel momento vennero effettuati numerosi lanci, con risultati diversi. Le prime fotografie della faccia lunare nascosta furono scattate dalla sonda Lunik 3, che venne lanciata dall'Unione Sovietica il 4 ottobre 1959. Uno dei successi più eclatanti fu la missione del Ranger 7, lanciato dagli USA il 28 luglio 1964: prima di cadere sull'emisfero della Luna rivolto verso il nostro pianeta, il satellite trasmise 4316 immagini della superficie lunare, riprese da una quota variabile tra i 1800 km e i 300 m, dando all'umanità le prime fotografie ravvicinate. Il 31 gennaio 1966 l'Urss lanciò il Lunik 9, che effettuò il primo atterraggio morbido. A questa missione, il 30 maggio fece seguito il lancio del Surveyor 1, che atterrò sulla superficie lunare e trasmise alla Terra 11.150 immagini ravvicinate del nostro satellite naturale.
Nel 1966 e nel 1967 le sonde trasportate dalla navicella statunitense Lunar Orbiter orbitarono attorno alla Luna, inviando a Terra migliaia di fotografie che vennero in seguito utilizzate per scegliere i luoghi per l'allunaggio dell'Apollo.
Negli stessi anni due progetti lunari di un certo rilievo furono portati avanti dall'Unione Sovietica. La sonda Lunik 16, lanciata il 12 settembre 1970, si posò sulla Luna e stivò circa 113 g di suolo lunare poi analizzati a terra. La Lunik 17, lanciata il 10 novembre 1970, depositò sulla superficie del satellite un veicolo automatico di esplorazione denominato Lunokhod 1, dotato di una telecamera e alimentato a batterie solari. Nel corso di dieci giorni lunari il veicolo, controllato dalla Terra, percorse 10,5 km, effettuando riprese televisive e misurazioni scientifiche. Nel 1973 la Lunik 21, con il Lunokhod 2, ripeté la stessa esperienza.
Nel 1990 venne lanciato nello spazio dalla navetta Discovery il telescopio spaziale Hubble: presentava un difetto nelle apparecchiature ottiche che fu riparato in orbita dagli astronauti dell'Endeavour, nel dicembre del 1993. Tuttavia anche prima della riparazione questo strumento fornì delle immagini eccezionali.
I satelliti applicativi sono stati sviluppati per applicazioni particolari e si dividono in quattro grandi classi: satelliti per telecomunicazioni, meteorologici, per lo studio delle risorse terrestri e per la navigazione.
Una grande quantità di satelliti venne realizzata quando si resero disponibili vettori di lancio e strumenti di misura più affidabili. Ciò permise di effettuare studi accurati del Sole, delle altre stelle, della Terra e degli altri corpi celesti e di raccogliere dati che non potevano essere ottenuti dalla superficie terrestre a causa degli effetti schermanti dell'atmosfera.
Oltre che per le missioni lunari, furono progettate sonde per l'esplorazione di alcuni pianeti del sistema solare; anche molti satelliti orbitanti furono adibiti allo studio degli altri pianeti del sistema solare e delle comete.
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Un anno dopo il successo dei primi satelliti artificiali, sia gli Stati Uniti sia l'Unione Sovietica svilupparono dei programmi mirati a portare l'uomo nello spazio. Le missioni con equipaggio umano furono precedute da esperimenti che impiegavano navicelle con a bordo animali per studiare l'effetto dell'assenza di peso su esseri viventi.
Il 12 aprile 1961 l'Unione Sovietica raggiunse l'obiettivo del volo orbitale umano con la missione della navicella Vostok 1, che trasportava il cosmonauta Yurij A. Gagarin. Durante il volo, durato 1 ora e 48 minuti, egli raggiunse un apogeo di 327 km e un perigeo di 180 km, atterrando poi con successo in Siberia.
Nei due anni seguenti vennero lanciate altre cinque Vostok per altrettante missioni di esplorazione dello spazio; l'ultima di esse compì 48 orbite attorno alla Terra pilotata dalla cosmonauta Valentina Tereškova (nella foto).
Contemporaneamente gli Stati Uniti svilupparono il programma Mercury per sperimentare le condizioni di volo in orbita. Il 5 maggio 1961 Alan B. Shepard, Jr. effettuò una traiettoria balistica a bordo della navicella Freedom 7, compiendo un volo suborbitale di 15 minuti. Una missione simile venne ripetuta il 21 luglio da Virgil I. Grissom. Il 20 febbraio 1962 John H. Glenn, Jr. compì tre orbite attorno alla Terra, sempre con la Freedom 7. Nel medesimo periodo si svolsero altri tre voli Mercury, pilotati da M. Scott Carpenter, Walter M. Schirra e Leroy Gordon Cooper. La navicella Voskhod, un'evoluzione della Vostok, fu progettata dall'Urss per ospitare due o tre cosmonauti. Il 12 ottobre 1964 Vladimir M. Komarov, Boris B. Yegorov e Konstantin P. Feoktistov effettuarono un volo di 15 orbite a bordo della Voskhod 1. La Voskhod 2 venne lanciata il 18 marzo dell'anno successivo con un equipaggio formato dagli astronauti Pavel I. Belyayev e Aleksei A. Leonov; durante la missione Leonov effettuò la prima "passeggiata" nello spazio, cioè la prima attività extraveicolare, uscendo dalla navicella e rimanendovi attaccato tramite un cavo.
La navicella statunitense Gemini venne progettata dagli Usa per sperimentare la tecnologia richiesta per raggiungere la Luna e per verificare le possibilità di manovra nello spazio di veicoli in grado di ospitare un equipaggio composto da più di un astronauta. Nel maggio del 1961 venne istituito il programma Apollo, con l'obiettivo di portare un uomo sul suolo lunare e farlo ritornare a Terra. Questo progetto produsse un'ampia serie di voli pilotati e nel corso degli anni successivi vennero effettuate circa dieci missioni nell'ambito del progetto Gemini.
Durante il volo della Gemini 4, Edward H. White effettuò un'attività extraveicolare per 21 minuti, utilizzando un dispositivo pressurizzato a getti di gas. Nel dicembre 1965 le Gemini 6 e 7 si avvicinarono l'una all'altra fino a una distanza inferiore al metro. La prima di esse atterrò dopo un volo di circa 20 ore, con i cosmonauti Schirra e Thomas P. Stafford. La Gemini 7, il cui equipaggio era formato da Frank Borman e James A. Lovell, Jr., rimase invece in orbita per 334 ore, fornendo importanti dati medici sulla permanenza dell'uomo nello spazio e verificando l'affidabilità del sistema di propulsione a idrogeno e ossigeno. Nel corso dei voli delle Gemini 10, 11 e 12 vennero effettuati avvicinamenti e agganci ripetuti a un veicolo bersaglio messo preventivamente in orbita.
L'anno 1967 fu segnato da tragici incidenti per entrambe le nazioni che si proponevano il traguardo dell'esplorazione della superficie lunare. Il 27 gennaio, durante un test della navicella Apollo a Cape Kennedy, si sviluppò un incendio nel modulo di comando; a causa dell'atmosfera interna pressurizzata con ossigeno puro, le fiamme divamparono all'istante e i tre astronauti Grissom, White e Roger B. Chaffee persero la vita. Il programma Apollo venne ritardato di oltre un anno per rivedere il progetto del veicolo e i materiali utilizzati. Il 23 aprile dello stesso anno venne lanciato nello spazio dall'Urss il cosmonauta Komarov a bordo della Soyuz, una nuova navicella sovietica che poteva ospitare tre astronauti ed era dotata di un modulo di lavoro separato, accessibile attraverso un portello. Un incidente mortale si verificò purtroppo durante il rientro nell'atmosfera terrestre, quando i cordoni per l'apertura del paracadute di atterraggio si attorcigliarono.
Nell'ottobre del 1968 venne lanciato il primo Apollo con equipaggio. Gli astronauti Schirra, R. Walter Cunningham e Donn F. Eisele effettuarono 163 orbite durante le quali controllarono le prestazioni della navicella, scattarono numerose fotografie della Terra e trasmisero immagini televisive. Nel dicembre del 1968 l'Apollo 8, che portava a bordo gli astronauti Borman, Lovell e William A. Anders, compì dieci giri intorno alla Luna, quindi atterrò regolarmente. Lo sgancio, l'avvicinamento e il riaggancio del modulo lunare vennero provati nel corso delle 151 orbite terrestri dell'Apollo 9, con gli astronauti James A. McDivitt, David R. Scott e Russell L. Schweickart. L'Apollo 10 effettuò una prova generale di allunaggio, durante la quale gli astronauti Stafford e Cernan si trasferirono dal modulo di comando al Lem e scesero fino a circa 16 km dalla superficie lunare. Durante l'operazione essi provarono l'avvicinamento e il riaggancio del Lem, quindi si trasferirono di nuovo nel modulo di comando, nel frattempo affidato all'astronauta Young. Con questa missione il progetto Apollo era pronto per portare l'uomo sulla Luna.
Nello stesso periodo l'Unione Sovietica lanciò la Zond, una navicella senza equipaggio che effettuò numerose riprese e alcuni importanti esperimenti biologici. Nell'ottobre del 1968 l'astronauta Georgi T. Beregovoi effettuò una missione di 60 orbite con la Soyuz 3, e nel gennaio dell'anno successivo le Soyuz 4 e 5 si incontrarono in orbita; mentre le due navicelle erano attaccate, i cosmonauti Aleksei S. Yeliseyev e Ievgeny V. Khrunov, utilizzando delle tute spaziali, si trasferirono dalla Soyuz 5 alla Soyuz 4, che era pilotata da Vladimir A. Shatalov. Nell'ottobre del 1969, le Soyuz 6, 7 e 8, lanciate a un giorno di distanza l'una dall'altra, si incontrarono in orbita senza però agganciarsi. Nel giugno del 1970 la Soyuz 9, con un equipaggio di due cosmonauti, effettuò un volo record di quasi 18 giorni.
Nel 1969 fu raggiunto l'obiettivo di effettuare lo sbarco sulla Luna. Il volo storico dell'Apollo 11 iniziò il 16 luglio. Dopo essere entrati in orbita lunare, Edwin E. Aldrin, Jr. e Neil A. Armstrong si trasferirono nel Lem, il modulo per l'allunaggio, mentre il modulo di comando era affidato al pilota Michael Collins. Il modulo lunare toccò la superficie del satellite il 20 luglio, nei pressi del margine del Mare della Tranquillità e poche ore dopo Armstrong mise piede sul suolo lunare, con le parole: "Questo è un piccolo passo per un uomo, ma un balzo gigante per l'umanità". L'astronauta venne raggiunto da Aldrin e insieme camminarono due ore sulla superficie della Luna, sperimentando una forza di gravità pari a un sesto di quella terrestre; raccolsero 21 kg di campioni del suolo, scattarono fotografie e installarono un apparato sperimentale per l'analisi del vento solare, un riflettore laser e un laboratorio per misure sismiche; issarono quindi una bandiera statunitense e comunicarono, via satellite, con il presidente Usa Richard Nixon, mentre milioni di persone seguivano in diretta la trasmissione. Armstrong e Aldrin lasciarono il nostro satellite utilizzando lo stadio superiore del Lem e sfruttando quello inferiore come rampa di lancio. Il modulo di risalita venne abbandonato dopo l'aggancio con il modulo di comando e i due astronauti si trasferirono di nuovo nella navicella. Il volo di ritorno dell'Apollo 11 non presentò inconvenienti e la navicella ammarò il 24 luglio nell'oceano Pacifico, vicino alle 
Hawaii, dove venne facilmente recuperata. Benché la possibilità di contaminazione da parte di organismi viventi lunari fosse remota, gli astronauti indossarono indumenti isolanti prima di lasciare la navicella e vennero sottoposti a un periodo di quarantena; i controlli medici non evidenziarono alcun problema di salute. La successiva missione di allunaggio iniziò il 14 novembre 1969, quando venne lanciato l'Apollo 12 con a bordo gli astronauti Charles Conrad Jr., Richard F. Gordon Jr. e Alan L. Bean. Dopo l'entrata in orbita lunare, Conrad e Bean si trasferirono nel Lem, quindi sbarcarono sulla superficie del satellite ad appena 180 m dal luogo dove due anni prima si era posata la sonda Surveyor 3. I due astronauti esplorarono la zona circostante in due fasi, ciascuna di circa quattro ore, durante le quali essi effettuarono esperimenti scientifici, scattarono numerose fotografie, prelevarono campioni del suolo lunare e raccolsero alcuni pezzi del Surveyor 3 perché fossero esaminati sulla Terra. Dopo il decollo dalla Luna e il rendez-vous con il modulo di comando pilotato da Gordon, ammararono felicemente il 24 novembre.
Il successo dell'Apollo 12, che presentava caratteristiche tecniche notevolmente migliori rispetto all'Apollo 11, in particolare per quanto riguardava la precisione nello sbarco, indusse a stabilire per l'Apollo 13 un sito di allunaggio più irregolare. L'11 aprile 1970 venne lanciato l'Apollo 13, con a bordo gli astronauti Lovell, Fred W. Haise, Jr. e John L. Swigert, Jr. Una grave avaria durante il volo, prodotta dalla rottura di un serbatoio di ossigeno, costrinse gli astronauti a cancellare il piano di allunaggio. Utilizzando l'energia e i sistemi di sopravvivenza del Lem, essi girarono attorno alla Luna e ammararono nell'oceano Pacifico meridionale, a sud di Pago Pago, il 17 aprile.
La missione fallita dell'Apollo 13 venne portata a compimento dall'equipaggio dell'Apollo 14, lanciato il 31 gennaio 1971, dopo alcune modifiche apportate alla navicella per evitare l'inconveniente occorso alla precedente. Gli astronauti Shepard, ormai veterano dello spazio, ed Edgar D. Mitchell allunarono con il Lem, mentre Stuart A. Roosa rimase nel modulo di comando in orbita lunare. Shepard e Mitchell esplorarono per oltre nove ore un'area che si credeva contenesse alcune delle rocce più vecchie mai studiate, raccogliendo circa 43 kg di campioni geologici e predisponendo delle apparecchiature per esperimenti scientifici. Il 9 febbraio 1971 gli astronauti tornarono sulla Terra senza incidenti.
L'Apollo 15 venne lanciato il 26 luglio 1971, con a bordo il comandante Scott, il pilota del Lem James B. Irwin e il pilota del modulo di comando Alfred M. Worden. Scott e Irwin rimasero 2 giorni e 18 ore sulla superficie lunare ai margini del mare Imbrium, in prossimità della scarpata profonda 366 m di Hadley e degli Appennini lunari, una delle catene più alte. Nel corso della loro esplorazione, gli astronauti percorsero più di 28,2 km nella zona del monte Hadley, servendosi di un rover elettrico a quattro ruote. Prepararono inoltre una complessa serie di strumenti scientifici e raccolsero circa 91 kg di rocce, tra cui un frammento di circa 4,6 miliardi di anni che venne ritenuto un costituente della crosta cristallina originale del satellite. Una telecamera lasciata al suolo riprese la partenza di Scott e Irwin dalla superficie della Luna; prima che l'equipaggio lasciasse l'orbita lunare per ritornare verso la Terra, venne lanciato un "subsatellite" di 35,6 kg, progettato per trasmettere dati sui campi gravitazionale, magnetico e di alta energia dell'ambiente lunare. Nel corso del viaggio di ritorno, Worden fece una passeggiata spaziale di 16 minuti quando la navicella si trovava a circa 315.400 km dalla Terra. Gli astronauti dell'Apollo 15 ammararono senza incidenti il 7 agosto, circa 530 km a nord delle Hawaii. Il 16 aprile 1972 gli astronauti Young, Charles Moss Duke, Jr. e Thomas Kenneth Mattingly vennero lanciati verso la Luna a bordo dell'Apollo 16, per esplorare le colline di Cartesio e le pianure di Cayley. Il 20 aprile, mentre Mattingly li attendeva in orbita, gli altri due astronauti effettuarono l'allunaggio nell'area prevista, dove rimasero 20 ore e 14 minuti, eseguendo numerosi esperimenti, percorrendo circa 26,6 km con il rover e prelevando oltre 97 kg di campioni di rocce. Le missioni verso la Luna programmate dagli Stati Uniti si conclusero con il volo dell'Apollo 17, tra il 6 e il 19 dicembre 1972. Nel corso della missione di 13 giorni, l'astronauta Cernan e il geologo Harrison H. Schmitt rimasero 22 ore sul suolo lunare, percorsero 35 km con il rover ed esplorarono la regione della valle di Taurus-Littrow, mentre al comandante Ronald E. Evans era affidato il modulo di comando.
La Salyut e lo Skylab furono le prime navicelle progettate come stazioni spaziali, perché orbitassero attorno alla Terra per lunghi periodi con alternanza di equipaggi. A bordo di tali stazioni possono essere condotti esperimenti nuovi e osservazioni astronomiche estremamente precise. La stazione spaziale sovietica Salyut 1, del peso di 18.600 kg, venne lanciata il 19 aprile 1971. Tre giorni dopo fu agganciata dalla Soyuz 10, ma per ragioni ignote i cosmonauti si sganciarono e tornarono sulla Terra senza essere entrati nella stazione. Nel giugno dello stesso anno la Soyuz 11 si agganciò alla Salyut 1, e i tre uomini di equipaggio vi rimasero per la durata record di 24 giorni, durante i quali vennero condotti moltissimi esperimenti sulle risorse del nostro pianeta. Durante il viaggio di ritorno si verificò un guasto e i tre cosmonauti Georgi T. Dobrovolsky, Vladislav N. Volkov e Viktor I. Patsayev (che non indossavono tute spaziali) vennero trovati senza vita dopo l'atterraggio, vittime della fuga dell'aria attraverso una valvola. Il programma spaziale sovietico subì un lungo ritardo. La Salyut 2 venne lanciata nell'aprile del 1973, ma andò fuori controllo e perse alcune sezioni in orbita. Il programma sovietico proseguì con le Salyut 3 (giugno 1974), 4 (dicembre 1974), 5 (giugno 1976), 6 (settembre 1977) e 7 (aprile 1982). Le ultime due stazioni vennero visitate da numerosi equipaggi internazionali, composti da cosmonauti cubani, francesi e indiani. Una delle missioni più interessanti della serie Salyut/Soyuz fu compiuta nel 1984, quando i cosmonauti Leonid Kizim, Vladimir Solovyov e Oleg Atkov rimasero 237 giorni a bordo della Salyut 7 prima di fare ritorno sulla Terra. La Salyut 7 è tuttora in orbita ma non è operativa.
La stazione spaziale Mir, destinata a succedere alla serie Salyut, venne lanciata il 19 febbraio 1986. Descritta dai sovietici come il nucleo centrale della prima stazione spaziale abitata permanentemente, essa ha sei portelloni di aggancio e può ospitare due cosmonauti. Nel 1987 Yurij Romanenko rimase 326 giorni a bordo della Mir, segnando il record di volo spaziale più lungo. Il 12 aprile 1987 venne realizzato l'aggancio tra la Mir e il Kvant, un modulo per esperimenti di astrofisica, pesante complessivamente circa 18.000 kg, che portava a bordo quattro telescopi per rilevare i raggi X emessi durante l'esplosione di una supernova nella Grande Nube di Magellano. Negli anni 1987-88 i cosmonauti sovietici Vladimir Titov e Musa Manarov stabilirono il nuovo record di permanenza nello spazio con 366 giorni.
Il programma di stazioni spaziali statunitense ebbe inizio il 25 maggio 1973 con il lancio dello Skylab da un vettore Saturno 5; la stazione, che pesava circa 88.900 kg, servì come laboratorio orbitante e venne utilizzata per studi astronomici sul Sole, per studi medici sull'effetto dell'ambiente spaziale sugli uomini dell'equipaggio, per osservazioni intensive e multispettrali della Terra e per vari esperimenti scientifici e tecnologici, come la crescita di cristalli metallici in assenza di gravità. Lo Skylab venne danneggiato durante il lancio ma venne rapidamente riparato dall'equipaggio, composto dagli astronauti Conrad, Joseph P. Kerwin e Paul J. Weitz, i quali complessivamente rimasero nello spazio per circa 28 giorni. Con le due missioni che seguirono, il progetto Skylab ebbe completo successo; vennero impiegate oltre 740 ore in osservazioni solari e vennero raccolte 175.000 immagini del Sole e 64.000 della superficie terrestre. L'11 luglio 1979, durante la sua orbita numero 34.981, lo Skylab precipitò a Terra, spargendo frammenti su un'area scarsamente popolata dell'Australia e sull'oceano Indiano. Il governo statunitense, la Russia, il Canada, il Giappone e i 13 stati europei membri dell'Agenzia spaziale europea stanno attualmente progettando una stazione spaziale permanente da assemblare nello spazio, chiamata Alpha, che dovrebbe essere completata nel 2002.
All'inizio degli anni Ottanta, lo scopo principale del programma statunitense era la realizzazione di un veicolo spaziale riutilizzabile più volte; lo Space Shuttle divenne quindi il maggiore progetto di ricerca. Lo Shuttle, un'astronave multiuso pilotata, venne progettato per trasportare un equipaggio costituito da sette persone e un carico massimo di circa 30 tonnellate. La parte superiore della navetta ospita l'equipaggio e può essere riutilizzata fino a 100 volte prima di essere guidata nel rientro attraverso l'atmosfera terrestre. Per le sue caratteristiche di flessibilità, per la possibilità di trasportare, posizionare in orbita ed eventualmete riparare in loco i satelliti, lo Shuttle rappresenta un passo decisivo nell'esplorazione dello spazio.
La prima missione dello Space Shuttle, pilotato da John W. Young e Robert Crippen a bordo della navetta Columbia, iniziò il 12 aprile 1981; si trattava di un volo di prova senza carico. Durante la prima missione operativa, tra l'11 e il 16 novembre 1982, gli astronauti del Columbia trasportarono due satelliti commerciali per comunicazioni. Tra le successive operazioni particolarmente significative vi sono il nono volo (tra il 28 novembre e l'8 dicembre 1983), che trasportava il primo Spacelab dell'Agenzia spaziale europea; l'undicesimo (7-13 aprile 1984), durante il quale un satellite venne recuperato, riparato e rilanciato in orbita; il quattordicesimo (8-14 novembre 1984), quando due satelliti in avaria vennero recuperati e riportati sulla Terra.
Malgrado questi successi, lo Shuttle ha fallito i programmi di lancio previsti. Il 28 gennaio 1986 si verificò inoltre il più tragico incidente nella storia delle esplorazioni dello spazio. Il Challenger si disintegrò circa un minuto dopo il lancio a causa dell'avaria di una guarnizione in uno dei razzi a carburante solido; il razzo entrò in collisione con il serbatoio principale a idrogeno e ossigeno liquidi, provocando un'esplosione quasi istantanea e la distruzione dell'intera navetta. Nel disastro morirono sette astronauti: il comandante Francis R. Scobee, il pilota Michael J. Smith, gli specialisti di missione Judith A. Resnik, Ellison S. Onizuka e Ronald E. McNair, lo specialista del carico utile Gregory B. Jarvis e Christa McAuliffe. Quest'ultima era stata selezionata l'anno precedente per rappresentare il primo passeggero non specialista del programma Shuttle. La tragedia provocò un'immediata sospensione dei lanci per permettere un'analisi e una riprogettazione di tutti i sistemi. Il programma di lanci dello Shuttle riprese il 29 settembre 1988, con il volo della navetta Discovery con cinque astronauti a bordo. Nel corso di questa missione, venne messo in orbita un satellite per comunicazioni della NASA e vennero svolti molti esperimenti. Il successo di questa missione incoraggiò la ripresa della piena attività.
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In ottobre 1998 John Herschell Glenn (Cambridge, Ohio, 1921) è tornato di nuovo nello spazio (dopo 36 anni dalla sua prima esperienza) nell'ambito della missione più recente del Discovery: la Nasa l'ha selezionato quale esperto e soprattutto per verificare gli effetti dell'assenza di peso e di altri elementi legati al volo nello spazio sull'organismo di una persona anziana. 
John Glenn è stato il primo astronauta americano (20 febbraio 1962) a compiere un'orbita intorno alla Terra nello spazio, a bordo della navicella Mercury-Friendship 7. Il volo di tre orbite coprì approssimativamente 130.000 km e durò 4 ore e 55 minuti. La missione che l'ha visto protagonista nel 1998 è stata coronata da pieno successo.
Con il contrattempo del telescopio spaziale (ha dovuto essere riparato nello spazio per inconvenienti all'apparato ottico) e anche per la mancanza di possibilità di rifornimento di idrogeno, il programma Space Shuttle non riuscirà probabilmente a raggiungere gli obiettivi prefissati per gli anni Novanta. Oltre alla stazione spaziale abitata, un altro risultato da raggiungere prima della fine del secolo era la costruzione dell'X-30, progettato per modificare radicalmente i voli spaziali utilizzando potenti motori propri per raggiungere l'orbita. Programmi più ambiziosi, come l'installazione di una base lunare o l'esplorazione umana di Marte, richiederanno molti anni per essere realizzati. Un progetto attuale che vanta numerose prospettive è invece l'esplorazione del Sole, iniziata alla fine del 1995 con il lancio del SOHO (Solar and Heliospheric Observatory), frutto della collaborazione tra l'ESA (European Space Agency) e la NASA. A differenza delle sonde precedenti posizionate su orbite terrestri, il veicolo spaziale è in orbita intorno al Sole e può pertanto compiere con continuità osservazioni dirette, e rilevare preziosi dettagli sui cicli di attività e sulle caratteristiche del campo magnetico del Sole.
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