在軍事上，這種空天飛機既可作為全球高超音速運輸、洲際轟炸和戰略偵察，又可作為航天運載工具或太空兵器，有可能成為一般轟炸機、戰鬥機和導彈所“不可比擬”的攻擊和防禦力量。美國擬議中的空天飛機方案主要有兩種：一種是擬用作跨太平洋飛行的高超音速運輸機，稱“東方快車”，能以5～6倍音速在3萬米的高度作巡航飛行，隻需兩小時可從美國杜勒斯機場飛至日本東京；另一種為“跨大氣層飛行器”，可作軌道飛行（飛入地球低軌道的速度為25倍音速），也可在次軌道作氣動力機動，然後在回升到軌道上以軌道速度航行。
美國從1982年開始實施空天飛機這一長遠發展計劃，總費用預計為數十億至200億美元，由美國國防部和國家航空航天局聯合進行技術研究。為了解決在大氣層中持續高超音速飛行的問題，1985年以前在氫燃料的空氣渦輪衝壓發動機和超音速燃燒衝壓發動機技術研究方麵，已有所突破。
從1986年至1988年，集中進行這類發動機的方案論證工作，並加速發展機體設計、動力裝置等關鍵技術，在1988年後著手研製一架試驗樣機，於l992年至1995年期間進行飛行試驗。它既是一種反應快、費用較低的跨大氣層飛行的運輸機，也是一種裝備有計算機和先進探測設備的偵察飛行器，還可能是一種廉價、靈活並可重複使用的太空發射平台。
在未來太空戰中，既可以當作航空兵參加戰鬥，也可以參加天軍行列，在太空戰場上，空天飛機還可以摧毀敵人的航天器，俘獲敵人的衛星，與敵人的衛星展開廝殺，其威懾力堪比核武器；還可以為己方的部隊發射更多的軍用衛星，為己方部隊輸送大量的軍用物資和補給品。
甚至還能幫助己方部隊奪取電磁戰場上的絕對優勢及奪取製天權，並且切斷敵方的通訊，摧毀敵方的各種衛星，使敵方的衛星無法為敵方工作。它是比航天飛機更為靈活、速度更快、戰鬥力更強並且功能更多的一種新概念太空武器。
優點
空天飛機能自由往返於天地之間，凡是航天飛機能幹的事，它幾乎都能勝任。它可以把大的衛星送入地球軌道，一次投放多顆衛星更是它的拿手活兒；它能對在軌道上運行的衛星進行維修或回收，當然也可以對敵國的衛星實施破壞，甚至收為己有；它能向空間站運送或接回宇航員和各種物資；更重要的是它還能執行各種諸如攔截、偵察和轟炸等軍事任務，成為頗具威力的空天兵器。
空天飛機飛行速度很快，便於實現全球範圍內的快速客運，地球上任何兩個城市間的飛行時間都用不了2個小時。美國設計的一種空天飛機，乘客305人，可在32公裏高度和12萬公裏航程內巡航，其巡航速度高達5馬赫數。
盡管航天飛機比起一次使用的運載火箭前進了一大步，但仍有諸如故障頻繁，費用昂貴等許多不足。而空天飛機與航天飛機不同，它的地麵設施簡單，維護使用方便，操作費用低，在普通的大型機場上就能水平起飛和降落，具有一般航線班機的飛行頻率。
這種飛機的外型與大型客機相似，更多地具有飛機的優點。它以液氫為燃料，在大氣層飛行時，充分利用大氣中的氧氣。加之它可以上百次的重複使用，真正實現了高效能和低費用的優點。據估算，用它發射近地衛星費用隻有航天飛機的1／5，而發射地球同步衛星費用則可減少一半。這使空天飛機在即將到來的空間商務競爭中立於不敗之地。
缺點
空天飛機與航天飛機一樣，同樣也是有缺點的。雖然現在設想中的空天飛機似乎很完美無缺，但是結果與航天飛機還是一樣缺點多多。現在空天飛機有以下的缺點：研發門檻高；研製周期較長；成本及造價高；研製風險大；技術難度高。因此，空天飛機不適合剛起步的航天國家研發。
空天飛機的前景展望
目前具備研製空天飛機技術、條件的國家，主要有美國、俄羅斯、歐盟和日本。
美國的空天飛機研製計劃大家知道的比較多比如X-24、X-33、X-34、X-43等，實際上歐盟也在緊鑼密鼓地研究，歐洲航空航天局和英國政府在推行歐洲“雲霄塔”空天飛機計劃，並為它研製火箭基的吸氣式組合循環發動機。
法國主要是進行自主研製，在20世紀80年代曾研製過“赫爾墨斯”空天飛機，雖然計劃沒有進行下去，但積累了相當豐富的技術和經驗，此外法國在航天技術和超燃衝壓發動機等方麵都有很成熟的技術。
俄羅斯是老牌的航空航天技術強國，在空天飛機使用的超燃衝壓發動機方麵技術積累尤為雄厚，彩虹機械設計局在上世紀70、80年代就先後推出了“針”式、“彩虹”—2等驗證機計劃，對高超音速的空天飛行器進行預研。
而日本在20世紀80年代已經研製過類似航天飛機的H—2軌道飛行器，對空天飛機的相關技術進行過研究驗證，2002年更是決定終止以前研究多年的航天飛機計劃，開始全力研製使用循環組合發動機的空天飛機。
中國也要大力發展空天飛機技術，重視該技術的發展方向。要打破航空航天的條塊分割，形成航空航天技術的合力，來攻克空天飛機的技術難關。此外就要加快基礎技術研究和工程技術預研的力度，攻克氣動結構、耐熱材料、超燃衝壓發動機三大技術難點，為空天飛機研製打好基礎。
目前，空天飛機在動力、武器係統、具體作戰領域等方麵仍處於基礎技術的預先研究和摸索階段。包括美國，“獵鷹”計劃、X—37B、X—43，都還在進行技術驗證和工程機理研究，距離實戰應用還有一段曲折的道路要走。美國大張旗鼓的宣傳空天飛機研究計劃，不排除宣傳和展示實力的意圖。空天飛機目前應被看做一種潛在威脅，可能十年甚至更遠以後才有望成為現實，而我們不能忽視、也要加快研究的腳步。