Trước khi tái sử dụng tàu vũ trụ trở thành chuẩn mực mới, chuyến bay STS-1 vào năm 1981 là cột mốc đầu tiên chứng minh rằng con người có thể đưa tàu lên quỹ đạo, rồi mang nó về để bay tiếp.
Ngày 11 tháng 4 năm 1981, NASA phóng thành công tàu con thoi Columbia trong sứ mệnh STS-1, đánh dấu lần đầu tiên trong lịch sử một phương tiện vũ trụ có người lái được thiết kế để tái sử dụng được đưa lên quỹ đạo và quay về an toàn. Đây là sứ mệnh đầu tiên trong chương trình Space Shuttle – một dự án mà NASA theo đuổi từ năm 1972 với tham vọng tạo ra hệ thống vận tải không gian có thể sử dụng nhiều lần, giảm chi phí và tăng tần suất hoạt động trong quỹ đạo thấp.
Columbia được phát triển trong gần 9 năm với chi phí hơn 10 tỷ USD vào thời điểm đó. Tàu có thiết kế đặc biệt với ba thành phần chính: tàu con thoi (Orbiter) chứa phi hành đoàn và khoang hàng; bình nhiên liệu ngoài (External Tank) cung cấp nhiên liệu cho ba động cơ chính; và hai tên lửa đẩy nhiên liệu rắn (SRBs) cung cấp lực đẩy chính trong hai phút đầu tiên. Trong số này, chỉ tàu con thoi được tái sử dụng nguyên trạng, SRBs được thu hồi từ đại dương và tái chế, còn bình nhiên liệu ngoài sẽ cháy rụi trong khí quyển và không được thu hồi.
STS-1 được điều khiển bởi hai phi hành gia kỳ cựu là John Young (chỉ huy) và Robert Crippen (phi công). Tàu được phóng từ bệ 39A tại Trung tâm Vũ trụ Kennedy (Florida) và bay tổng cộng 37 vòng quanh Trái Đất, ở độ cao trung bình khoảng 280 km. Trong suốt chuyến bay kéo dài hơn 54 giờ, các kỹ sư đã kiểm tra toàn bộ hệ thống điều hướng, kiểm soát môi trường, điện lực, khả năng chịu nhiệt của lớp gạch cách nhiệt TPS (với hơn 24.000 viên gốm), cùng cơ chế tái nhập và hạ cánh.
Đây là lần đầu tiên một tàu vũ trụ có người lái được phóng thẳng lên quỹ đạo mà không qua bất kỳ chuyến bay không người lái nào trước đó – một bước đi đầy rủi ro chưa từng có tiền lệ. Columbia hạ cánh an toàn tại căn cứ không quân Edwards (California) vào ngày 14/4/1981, như một máy bay thông thường – sử dụng lực nâng khí động thay vì dù.
Chuyến bay STS-1 đã mở đường cho chương trình Space Shuttle kéo dài từ năm 1981 đến 2011, với tổng cộng 135 sứ mệnh và 5 tàu con thoi từng hoạt động (Columbia, Challenger, Discovery, Atlantis, Endeavour). Trong suốt ba thập kỷ, tàu con thoi được dùng để triển khai vệ tinh, đưa kính thiên văn Hubble vào quỹ đạo, hỗ trợ xây dựng Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS), và phục vụ nhiều nhiệm vụ khoa học lẫn quân sự.
Tuy nhiên, chương trình tàu con thoi cũng bộc lộ nhiều vấn đề lớn về chi phí và an toàn. Mỗi lần phóng có chi phí khoảng 450–1.500 triệu USD – cao hơn dự tính ban đầu rất nhiều. Quá trình bảo trì sau mỗi chuyến bay kéo dài và phức tạp. Đặc biệt, hai thảm họa nghiêm trọng – Challenger năm 1986 và Columbia năm 2003 – khiến tổng cộng 14 phi hành gia thiệt mạng, làm dấy lên nghi ngờ về tính bền vững của mô hình.
Sau khi đánh giá toàn diện, NASA quyết định ngừng chương trình tàu con thoi vào năm 2011 sau sứ mệnh STS-135. Một phần nguyên nhân đến từ việc mô hình tái sử dụng theo kiểu "nguyên khối" (reusable orbiter) không mang lại hiệu quả kinh tế như kỳ vọng. Bên cạnh đó, sự phát triển của các công nghệ mới – như tên lửa đẩy tái sử dụng theo chiều dọc của SpaceX – đã cho thấy những hướng tiếp cận hiệu quả hơn.
Ngày nay, tàu con thoi được xem là một bước thử nghiệm tham vọng, giúp NASA tích lũy kinh nghiệm vận hành lâu dài trong không gian, tạo nền tảng cho các sứ mệnh hiện đại. Nhưng bản thân thiết kế shuttle – với chi phí cao, cấu trúc phức tạp và độ rủi ro lớn – không còn phù hợp với xu hướng hàng không vũ trụ thế kỷ 21.
