Los aviones espaciales son los que combinan las características de una aeronave y las de un vehículo espacial. Están diseñados para volar por el espacio y volver a la Tierra.
El primer avión hipersónico para realizar vuelos espaciales tripulados suborbitales se desarrolló en EEUU. Fue el X-15, un avión espacial, que también era la primera nave espacial reutilizable. Su primer vuelo ocurrió en 1959. Su objetivo principal era estudiar las condiciones de vuelos a velocidades hipersónicas y la posibilidad de crear un bombardero hipersónico suborbital tripulado, el X-20 Dyna-Soar.
El programa del X-20 Dyna-Soar fue cancelado justo después de haber sido comenzada su construcción. Sin embargo, en 1965 la URSS empezó a desarrollar su respuesta. El avión espacial Espiral se diseñó con el fin de efectuar misiones de reconocimiento fotográfico y por radar, intercepción orbital y ataques espacio-Tierra. Los vuelos se realizaron entre 1976 y 1978.
Al mismo tiempo EEUU trabajaba en la creación del Transbordador espacial. El desarrollo se llevó a cabo desde 1971 en el marco de un programa conjunto de la NASA y las Fuerzas Aéreas. Los constructores utilizaron una serie de soluciones técnicas para los módulos del Apolo durante los años 60, tales como los experimentos con aceleradores de propulsores sólidos, sistemas de separación y abastecimiento de combustible a partir de un tanque externo. En total se construyeron cinco transbordadores. Dos de ellos fueron destruidos en accidentes durante sus misiones en 1986 y 2003. Fueron utilizados por la NASA entre 1981 y 2011.
Los diseñadores soviéticos sospecharon que el programa del Transbordador espacial tenía no solo objetivos de transporte de cargas, sino también militares y que podría utilizarse como bombardero orbital con armas nucleares.
Otra diferencia principal consiste en que el Burán usa sus motores durante la mayor parte del tiempo de la parte activa del lanzamiento —lo coloca en órbita el cohete Energía—, mientras que el Transbordador Espacial entra en órbita con sus propios motores. El único vuelo orbital del Burán tuvo lugar en 1988. No fue tripulado, dado que el sistema de soporte vital no estaba instalado. El transbordador efectuó dos órbitas completas antes de regresar, ejecutando un aterrizaje automático en la pista del cosmódromo de Baikonur.
Todos los proyectos de los primeros aviones espaciales tenían un carácter exclusivamente militar. Los proyectos Dyna-Soar (EEUU) y Espiral (URSS), por diversas razones, se detuvieron en la etapa de producción y prueba de prototipos, pero prepararon las bases para la creación de cruceros reutilizables de segunda generación tales como el sistema estadounidense de Transbordador espacial y el soviético Energía-Burán.
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En el siglo XXI, EEUU desarrolla el avión espacial SpaceShipTwo, cuyo propósito es el turismo espacial y el Boeing X-37, que realiza misiones de apoyo de vigilancia basada en el espacio y la tecnología de reconocimiento.
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