空天飞机的技术复杂，研制难度极大，其中最关键的是它的推进系统。目前，化学推进系统分两大类：吸气式发动机和火箭发动机。吸气式发动机只带燃料，需要吸取大气中的氧作为氧化剂，只能在大气层内工作。但由于不带氧化剂，每单位推力所消耗的推进剂量要比火箭发动机小得多，因而其比冲可高达1000～3000多秒。火箭发动机既带燃料，又带氧化剂，在大气层内外都能工作，所以迄今的所有航天运载器全部使用火箭发动机，但它的比冲不高，最多只有400多秒。显然，如果航天运载器在大气层内的飞行段能改用吸气式发动机，就能大大节省推进剂，从而减轻总重量，降低发射费用，提高运载效率。
但在目前的吸气式发动机中，涡轮喷气发动机最大只能达到3～3.5倍音速，远远不能满足航天发射的要求，为此需要研制一种新式的吸气发动机——“组合式超音速烧冲压式发动机”，但至今尚未完全成功。
推进系统的另一个难点是吸气式和火箭发动机如何最佳地配合工作。简单的方法是各发动机分别工作，但这样做结构重量大，性能较差。最好是各发动机能有机地组合在一起，形成一种多循环工作模式的混合式发动机。但研制难度极大。
空天飞机的研制还需要攻克其他许多技术难关。例如，空天飞机的机身、机翼和发动机系统应进行一体化的气动设计；空天飞机需要使用先进的耐高温材料，如高级钛合金材料，碳——一碳复合材料和高级金属基复合材料。多数空天飞机的研制计划尚处在概念研究和技术验证阶段，其发展前景要几年以后才能进一步明朗，而真正投入使用也许要到1020年以后。
21世纪的航天器
早在四五十年前，当人类航天技术刚处于萌芽时期，许多人就曾大胆预言，人类从此将走向宇宙发展的光辉路程，并憧憬着太空时代的来临。然而，时至今日，航天领域早已风光不再，它几乎成了人类期望过高和承诺无法兑现的象征。
人们发现，自己正处于一个信息时代，真正改变人类生活的是软件和微处理器芯片，而不是火箭和宇航学。空间活动在人类技术发展中仅仅扮演了一个次要的角色——支持作为地面光纤系统替代物的通信卫星。太空时代迟迟未能到来的原因，科学家们认为在于实现这个伟大梦想的花费实在太庞大。他们认为，从现在开始，一旦航天技术向着实际应用的目标发展，它在21世纪的情况将大为改观。
航天技术的实际应用之一是科学探测。美国喷气推进实验室计划于21世纪实施的两项太空探测使命是“冥王星快速探测飞行”和“凯珀快车”。前者将用于完成“旅行者”号行星探测器对太阳系外层行星近距离探测的任务，后者则用于探索“凯珀带”。凯珀带是海王星外侧轨道上的一个较小行星带。这两项航天计划可反映出21世纪航天器的发展方向。
21世纪的航天器，一是体积不断缩小。上述两项计划的构想均建立在航天设备小型化的基础之上。已设计出的新航天器样机的重量只有5公斤，但其功能完全可与现在重200多公斤的“旅行者号”探测器相媲美。所有硬件设备，无论是电子的、机械的、光学的，还是结构性元件，其体积都大大缩小，而灵敏度却显著提高。“凯珀快车”采用液态氙作为推进剂，将为诞生于20世纪50年代的航天技术带来突破性进展。
二是日益多样化的推进系统。科学家们为未来航天器设计的推进系统有核电推进器、太阳能电力推进器、激光推进器、太阳帆和电磁冲压加速器等。但太阳能电力推进系统被认为是最有希望的，它利用了低推力的离子喷射器。阳光照射太阳能电池产生电力，电流将一种惰性气体（如氙）离子化并将其加速，把正离子排出发动机以产生推力。这种推进系统在速度、效率和经济上都有强大的生命力，很可能作为一种通用发动机用于未来的航天器中。当然这并不意味着其他推进系统就不需要了。事实上，为了将航天器从地球送入太空，我们将使用化学火箭或其他发射器。核电推进系统类似于太阳能电力推进，只不过它是靠核反应堆产生动力，而不需要依靠阳光发电；激光推进器的动力来自地球上的某一高功率激光源，适用于快速点火发射；太阳帆是利用阳光压力推动，虽然起动慢，但无须燃料；电磁冲压加速器的发系统的最大优点是成本低。但无论如何，对远距离高速度的航天飞行来说，无论是载人还是载物，太阳能电力推进系统则是最好的选择。
三是空间站的发展。空间站是无人飞行器。21世纪，空间技术的发展将取决于廉价的航天设备。一艘吨级大型载人飞船需要2公顷面积的太阳能电池板，其面积比一个足球场还大；而无人飞行器的重量则可减少到几公斤，仅需直径10～20米的电池板。这样的超小型航天器对科学研究是十分理想的，也适用于大多数商业和军事领域，其主要任务是在重量很轻的设备中处理大量信息。可以预期，到21世纪，由太阳能电子推动的无人飞行器将在整个太阳系内遨游，并根据人类的需要改变飞行轨道，从而使这些微型“探险者”走遍宇宙的每一角落，为人类探索其中的奥秘。
未来的太空动物园
为了了解和验证动物的太空习性，以便为人类在不久的将来到太空去生活和工作摸索出一些经验和根据，人们开始了宇宙动物学的研究，在宇宙飞船上建立了动物实验室，即“太空动物园”。
现在，在太空动物园里旅居的都是中、小动物，如青蛙、兔子、猫、狗、猴、鸡、鱼和蜂等。苍蝇和老鼠虽为人类所憎恶，但作为研究的良好对象，也成为太空的座上客。而在地球上的动物园里尊为贵客的大型动物狮、虎、象等，由于运载上天所需的本钱太大，尚需等待时机。
现在，让我们也来了解一些动物在太空生活的情况吧！
科学家把几百只苍蝇分放在太空动物园的三个角落里，这三个角落的重力场各不相同：
一个模拟地面，一个二倍于地面，再一个五倍于地面。结果发现，苍蝇们都喜欢到模拟地面重力的那个角落产卵生殖；在二倍于地面重力场的地方，苍蝇都萎靡不振，出现病态；而五倍于地面重力场处的苍蝇，都很快地死去了。
太空动物园里还装有6对雄雌老鼠和30只独身雄鼠，分别让它们在模拟地面和二倍、四位于地面重力的环境中生活。结果发现：老鼠的抵抗力大于苍蝇，任何环境下的老鼠都没死亡。不过，大于地面重力环境里的老鼠都显得惊躁不安，并且在7天以后，它们的肌肉萎缩了，病态很严重。回到地面后解剖检查得知，它们的肌肉中粘多糖成分下降，胃壁细胞中的细胞质密度变小，胃中磷酸酶的活性增大。而在模拟地面重力环境下的老鼠，不但健康如常，而且有两对还在太空中“成亲”、交配、怀孕和分娩，生下的小老鼠在回到地面后还能健康地活着。其他环境下的太空鼠都没有生育。
太空动物园里还养了一群黄蜂，在模拟地面重力场中生活的黄蜂筑巢和地面上基本一致，但在两倍于地面重力场下的黄蜂筑巢就与前者明显不同——沿着重力加大的方向巢壁加厚，以对抗重力加大产生的影响。这说明像黄蜂这样的低等动物，也会在太空特定环境中作出反应以求生存。另外，还发现在一倍半于地面重力时，黄蜂的筑巢速度最快。
在太空动物园的二倍于地面重力的区域里，还生活着一群小鸡。它们在那儿生活了18个星期后，回到地面时体重普遍下降，膝盖骨明显变形，肌丝受到损伤。
此外，太空动物园中的猫、狗、猴的抵抗力都较好，猴子可以安全返回而不得什么“太空病”；狗也基本健康而归；相比之下，猫的身体状况欠佳。可以认为动物愈高等，自动调节适应太空变异环境的能力愈强。
在有鱼类和青蛙参加的太空失重状态实验中发现，鱼的耐失重能力比青蛙好，青蛙的耐失重能力比猴子好。这说明水生动物的耐失重能力一般比陆生动物好，而两栖类居中，原因尚待研究。据推想可能是水生动物的细胞组织结构较疏松、较轻盈，对重力变化敏感度小些。
在太空动物园里生活，可以改变动物的遗传性能。比如：在太空孵出的鳃足虫，到第三代大都寿命不长。但草履虫的繁殖率却提高了4倍。据研究是太空辐射使遗传物质中的染色体发生变异的缘故。由于宇宙环境可以改变遗传能力，现已开始建立太空遗传学这门新学科。
航天活动与生命繁衍
人肯定会飞向其他行星并在那里传宗接代。现在不仅幻想家有这种想法，科学家也提出了同样的观点。人在火星上不单要能工作，还要能正常地生活，正常地生育后代。
科学家曾在生物实验卫星上用较低的生物进行过这类试验，研究了植物和黄粉虫及果蝇等昆虫的生命发展的全过程。研究了鱼和两栖类动物卵发展的早期状况。鹌鹑蛋不仅发育而且还孵出了小鹌鹑。哺乳类动物的情况则比较复杂。
俄罗斯曾在“宇宙——1514”号飞船上进行过有保加利亚、匈牙利、德国、波兰、罗马尼亚、斯洛文尼亚、捷克、法国和美国等国的科学家参加的试验，当时还担心放在卫星上的10只家鼠不能全都怀上小家鼠。事实上，家鼠回到地面后，每只家鼠都生了一窝小鼠，每窝有10～15只之多。由于家鼠在失重条件下变瘦了，着陆时，都看不出它们已经怀了小鼠。
美国人把从宇宙中回来的家鼠同地面上的家鼠作了比较，观察母鼠对幼鼠的态度，发现“宇宙鼠”的母性丝毫不比地面上的差。
飞行的生命保障系统是否正常，这直接影响到卫星上动物的生殖能力。俄罗斯科学家研究了在宇宙中停留3周的母家鼠回来后的生殖能力，发现它们都能正常排卵，并能与雄家鼠正常交配，这是十分重要的。人和动物在刚回到地面时，性激素都会急剧减少，这是因为应激反应的缘故，只要一天后，他们的性激素就会恢复正常。
各国的科学家还研究了在失重条件下人或动物能否正常交配的问题。美国科学家专门为鹌鹑设计了交配时固定体态的装置。实际上，只要给他们适应的时间，不需要特别装置也能完成交配过程。人也如此。
失重带给人类福音
我国古代流传着嫦娥奔月的传说，说她偷吃了灵药以后，顿觉身体轻飘飘的，不由自主地升入了月宫。这则神话无意中接触到了我们今天看来是失重的问题。“失重”，顾名思义，就是物体失去了重量所造成的一种现象。
在完全失重的状态下，那里是一个奇妙的世界。在那里物体对它的支持物完全失去了压力，可以静止停留在任何位置上，把茶杯倒过来，水也不往外流；握茶杯的手即使松开了，杯子也不会掉下来；鹅毛可以沉入水底，铅球能浮出水面，水银和水可以均匀地混合在一起；人可以如同神话中的孙悟空一样，不费吹灰之力推倒一座大山，一个跟头能翻越十万八千里；要想睡觉也不用床板和枕头，可以站着睡、躺着睡，甚至可以悬浮着睡，反正一样舒服……那么物体在什么状态下才会失去重量呢？一是当地球失去了对它的引力；二是在地球引力作用下，物体无阻挡地自由下落时，都会出现失重状态。拿一般人所熟悉的电梯来说，当电梯静止时，人对电梯的地板产生压力，这就是人的重量；如果由电梯的缆绳突然中断了，电梯和人以同样的速度自由下落，电梯不再阻挡人，人对电梯就不再有压力。此时电梯里如果有一个磅秤，人站在磅秤上，就会发现磅秤的指针是零。这表明此时电梯里的人没有重量，电梯里成了失重世界。
科学家们发现，利用失重现象，可以在宇宙空间生产、制造出许多优异的材料和产品。
因为失重世界里那些得天独厚的条件是地球上模拟不了的。由于没有轻重之分，不同成分的液体混合在一起，不会发生分层现象，也不会产生冷热对流的作用。这样冷却后的物体，其结构非常均匀、细密。利用这一点，可以冶炼出内部没有丝毫缺陷的合金与复合材料。如果向液态金属里充气，能够得到像木材一样轻、比钢铁还要坚硬的泡沫金属；而泡沫金属在宇航事业和现代建筑业上，大有用场。在失重条件下，液态金属可以像水银那样自然而然地形成圆球，所以制造出来的滚珠都是滚圆的，人们可以获得理想的滚球轴承。在失重世界内，无论是固体还是液体，都能够自由地悬浮在空中。这样，冶炼金属时就不需要用容器盛放冶炼的材料，而使材料悬浮在空中就可以了。这样一来，一是使冶炼不受容器耐温能力的限制，可以冶炼任何难熔金属；二是不受容器化学成分的影响，可以冶炼出纯度高，表面又很完整的材料。利用失重环境，还可以冶炼出细得要用放大镜才能看得见的金属丝，薄得几乎透明的金属膜。在宇航站上生产的蓝宝石“针”，每平方厘米可以承受2吨重的压力，其强度比地球上的同类物质高出10倍。随着宇航事业的发展，失重世界将会给人类带来更多的在地球上不敢想的好处。
太空资源
由于当代宇宙科学技术的迅猛发展，开发太空资源已经不是什么虚无缥缈的幻想，而逐渐变为人类的现实。
“太空资源”是十分宝贵的。
微重力微重力资源是一种很有价值的新资源。由于重力在加工制造过程中影响材料的成分和结构，这就使材料达不到理想要求。而在宇宙空间重力只是地球的百万分之一。在这种微重力的情况下，在宇宙空间，物质能够得到良好的结合，从而制造出地球上不能合成的合金材料。
