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2760℃。這樣，像航天飛機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，在返回再入階段要經受顫振、科振、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。
前的航天飛機，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、機翼前緣等局部高溫區，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。
為了滿足空天飛機的防熱要求，目前正在研究用快速固化粉末冶金工藝製造純度很高、質量很輕的耐高溫合金。美國已研製出高速固化鈦硼合金，它在高溫下的強度可達到目前使用的鈦合金在室溫下的強度，這種合金適宜用來製造機身內層結構骨架。
機頭與機翼等溫度最高的部位，要求采用碳複合材料，這種複合材料表麵有碳化矽塗層，重量輕，耐高溫性能好。此外，還需要研究金屬基複合材料，例如碳化矽纖維增強的鈦複合材料等。這種材料應該兼有碳化矽的耐高溫性能，又具有鈦合金的高強度特性。
空天飛機技術難度大，所需投資多，研製周期長，所以將來進入全尺寸樣機研製，勢必也會象空間站那樣采取國際合作的方式。
空天飛機發展的基本動因
航天飛機普通化與普通飛機航天化的空天飛機研製，其實是航空航天技術、衛星技術發展和航空航天軍事競爭的結果，同時也有航天市場需求的牽引作用。
航空航天技術的發展推動空天技術融合。過去，當航天工業中使用的鈦合金應用到飛機上時，飛機的強度（包括抗摩擦、抗高溫、抗過載負荷等）大增，從而使飛機飛行高度、速度、靈活性和飛行距離都大為提高。
當前，隨著航天火箭發動機安全可靠性的增強，以及航天生命維持係統、航天新材料等的日益成熟完善，使飛機可以利用航空航天二元動力方式、航天密閉艙和生命維持係統來製造。美國的極超音速X－43A無人機可以視為一種火箭，而俄羅斯擁有的高度靈活變軌戰略導彈，也可以視為一種無人機。
衛星小型化，為高性能飛機作為衛星發射平台、起到第一級“可返回式火箭”的作用奠定了基礎。現在，輕型衛星已越來越成為主流，因為電子技術的快速發展，使計算機體積和重量大為減少。據統計，21世紀初，100~300千克級衛星的發射數量減少了35%；相比之下，計劃發射的1~100千克級衛星的數量增加了68%；到2010~2015年，重量為1~100千克的衛星最終將成為主流。
同時，由於新技術的快速發展，在軌衛星的使用壽命增加，所需發射的運載火箭數量減少，現有的固定式發射係統從商業角度講是極不合算的。換言之，以空天飛機為手段的近地太空航空航天係統，其未來商業潛力十分巨大，可能在10~15年後排擠純航空係統的地位。
空天飛機的意義
商業價值
隨著航天活動規模的擴大，估計在21世紀，僅美國送入軌道的總重量達9萬噸，因此，每年的運輸量將猛增到數萬噸。但是，目前最先進的航天運輸工具——美國現在的航天飛機，運送每千克有效載荷進入地球軌道的費用達11607美元（1986年美元值）。因此，大幅度降低航天運輸費用，已成為開展大規模航天活動的關鍵問題之一。
據目前估計，空天飛機的運輸費用至少可降到目前航天飛機的1／10，甚至可降到1％。此外，用空天飛機發射、維修和回收衛星，不需要規模龐大、設備複雜的航天發射場和長達一兩個月的發射前準備，也不受發射窗口的限製。它完成一次飛行任務後，經一周的維護就能再次起飛，能適應頻繁發射的需要，它的投入使用，將使人類可以方便地進入空間，“登天”就不再成為難事了。
提高飛機的飛行速度一直是航空界努力的目標。從50年代起美國就開始探索和研究高超音速飛行，30多年來，時起時落，一直沒有取得重大突破。空天飛機的研製將帶來航空技術的新飛躍，將使航空技術從超音速飛行躍入高超音速飛行的時代，無疑，將會進一步推動航空工業的發展。空天飛機作為一種高超音速運輸機，具有推進效率高、耗油低、載客（貨）量大、飛行時間短等優點，是實現全球範圍空運的一種經濟而有效的工具。
軍事價值
空天飛機還具有重要的軍事價值，可作為戰略轟炸機、戰略偵察機和遠程截擊機使用，這對進一步發揮戰略空軍的作用具有重要意義。空天飛機最高時速3萬公裏，可在海拔200公裏的繞地軌道飛行。
美國正開發新型的航空航天飛機，在有人駕駛時，能在常規機場水平起飛和著陸；還可在大氣層內飛行，此時飛行馬赫數為5，從美國的紐約飛往東京隻需2小時；也可作地球大氣層外的軌道飛行，此時的飛行速度為25倍音速，僅需90分鍾就能繞地球一周。除作常規的民航機外，它還可代替現有的航天飛機作軌道飛行。據估計，使用高超音速航空航天飛機可使民航機的速度增加6倍，而航天飛行器的發射費用減少90%。
1986年2月，美國總統在國情谘文講話中，把航空航天飛機稱作新的“東方快車”，要求它在本世紀末投入使用。這種航空航天飛機是航空航天技術一體化的體現，能在常規飛機跑道上起飛和著陸，自由方便地往返大氣層的一種新型飛行器。其起飛重量不到第一代航天飛機總重的1/5（約500噸），而運載能力則提高兩倍多（達60噸以上），這樣就可大幅度降低航天運輸費用。