空天飞机的飞翔规模从大气层内到大气层外，速度从0到25倍音速，如此大的跨度和作业环境改变是现在一切单一类型的发动机都不或许担任的，为空天飞机研发全新的发动机成为整个项目的要害。
喷气式发动机需求在大气层中吸入空气，无需带着氧化剂，但无法在大气层外作业；而火箭发动机自带氧化剂，能够作业在大气层表里，运用速度规模较广，但带着的氧化剂较粗笨。现在想象的空天飞机动力一般都会选用超音速焚烧冲压发动机+火箭发动机或涡轮喷气+冲压喷气+火箭发动机的组合动力方法。但超燃冲压发动机在研发上存在相当多的技术问题，而多种发动机的组合方法又使结构变得过于杂乱和不可靠。
航天飞机回来再入大气层的空气动力学问题，曾耗费了科学家们多年的汗水，做了约10万小时的风洞实验。空天飞机的空气动力学问题比航天飞机杂乱得多。因为飞机速度改变大，马赫数从0改变到25倍音速；飞翔高度改变大，从地上到几百公里高的外层空间；回来再入大气层时下行时刻长，航天飞机只要十几分钟，空天飞机则为l—2小时。
处理空气动力学问题的根本手法是风洞。现在，就连美国也不具备马赫数能够跨过这样大规模的实验风洞。即便有了风洞还需求做上百万小时的实验，那意味着即便昼夜不停地实验，也要耗费100多年的时刻。所以，只能求助于核算机，用核算方法来处理许多理论上和速度上的问题。
空天飞机里安装了空气涡轮发动机、冲压发动机和火箭发动机三类发动机。空气涡轮喷气发动机能够使空天飞机水平起飞。当时速超越2400公里时，就运用冲压发动机，它使空天飞机在离地上60公里的大气层内以每小时近3万公里的速度飞翔。假如再用火箭发动机加快，空天飞机就冲出大气层，像航天飞机相同，当即进入太空。
当空天飞机以6倍于音速以上的速度在大气层中飞翔时，空气阻力将急剧上升，需求把发动机与机身兼并，以构成高度流线化的全体外形。即让前机身包容发动机吸人空气的进气道，让后机身包容发动机排气的喷管。这就叫做“发动机与机身一体化”。
在一体化规划中，最杂乱的是要使进气道与排气喷管的几许形状，能随飞翔速度的改变而改变，以便调理进气量，使发动机在低速时能发生额外推力，而在高速时又可下降耗油量，还要确保进气道有满足的刚度和耐高温功能，以使它在回来再入大气层的过程中，能饱尝住高速气流和气动力热的效果，这样才不致发生显着变形，才可屡次重复运用。
空天飞机需求屡次出人大气层，每次都会因为与空气的剧烈冲突而发生很多气动加热，特别是以高超音速回来再入大气层时，气动加热会使其外表到达极高的温度。机头处温度约为1800℃，机翼和尾翼前缘温度约为1460℃，机身下外表约为980℃，上外表约为760℃。因而，必须有一个重量轻、功能好、能重复运用的防热体系。
空天飞机的结构资料要求很高。在飞翔时，它头部和机翼前缘的外表温度可达2760℃。这样，像航天飞机上的防热瓦块式外衣，就不再适用了。科学家们研发了一种新式复合资料来替代，并且在一些特别部位选用新式冷却设备，避免了高温的损伤。
