על מנת שהמעבורת תהיה חללית רב־פעמית היא צוידה במגיני חום מיוחדים. חלליות חד־פעמיות, כגון חלליות אפולו וחלליות סויוז, צוידו במגן חום שהתכלה במהלך החדירה לאטמוספירה. לפיכך פותח עבור המעבורת מגן קבוע העשוי אריחים של סיבי צורן דו־חמצני טהור (LI-900). אריחים אלו הם אריחי חומרים קרמיים שיכולים לספק הגנה מן החום העז בחדירה לאטמוספירה עד לטמפרטורה של 1,260 מעלות כך שניתן להחזיק אותם ביד חשופה בלי להיכוות. 30,757 אריחים כאלה הותקנו בגחון המעבורת ובצידיה. הם עוצבו, נחתכו והודבקו בעבודה ידנית מפרכת. לעיתים קרה שחלק מהאריחים לא החזיקו מעמד בהמראה ונשרו, לרוב ללא נזק למעבורת. ועדת החקירה שבדקה את אסון מעבורת החלל קולומביה מצאה כי התאונה נגרמה משום שפיסת קצף שניתקה במהלך ההמראה פגעה במגן החום של שפת הכנף העשוי פחמן מחוזק בסיבי פחמן (RCC), ויצרה בו חור שאיפשר חדירת אוויר לוהט אל הכנף בזמן הנחיתה.
מכל הדלק החיצוני.
תפקידו העיקרי של מכל הדלק החיצוני והנתיק של המעבורת היה לספק דלק (מימן וחמצן נוזלי) לשלושת מנועיה הראשיים של המעבורת. מכל הדלק הושלך מהמעבורת כ־10 שניות מתום פעולת המנועים הראשיים ונשרף באטמוספירה. רקטות ההאצה של המעבורת חוברו אל המכל החיצוני. בשתי הטיסות הראשונות בתוכנית מעבורות החלל נצבע המכל החיצוני בלבן על מנת להגן עליו מקרינה על סגולה לה הוא חשוף במשך הזמן הרב בו מוצבת המעבורת על כן השיגור. ממשימת STS-3 הפסיקה לוקהיד מרטין, יצרנית המכלים, לצבוע את המכלים בלבן מפני שהתברר כי הקרינה אינה מהווה בעיה. אי הצביעה של המכל הפחיתה את משקל מכל הדלק בכ־272 ק"ג.
מידע טכני
רקטות ההאצה.
רקטות ההאצה של מעבורת החלל היו זוג רקטות שהונעו על ידי דלק מוצק ושימשו את המעבורת במשך שתי הדקות הראשונות בשיגור. בתום שתי הדקות השתחררו הרקטות וצנחו אל האוקיינוס, שם הן נאספו על ידי ספינות גרר והוכנו לשימוש חוזר. הרקטות סיפקו את הדחף העיקרי בעת השיגור כשסיפקו 12.5 מגה־ניוטון של דחף (בגובה פני הים) כל אחת לעומת 5.25 מגה־ניוטון שסיפקו שלושת מנועיה הראשיים של המעבורת יחד.
אסון מעבורת החלל צ'לנג'ר אירע בעקבות כשל באחת מרקטות ההאצה של המעבורת. אטם ברקטת ההאצה הימנית של המעבורת, נפגם כתוצאה מהטמפרטורות הנמוכות ששררו באתר השיגור באותו יום. כתוצאה מכך, גזים לוהטים נפלטו מהרקטה, פרצו פתח במכל הדלק החיצוני וגרמו לפיצוצו.
פרופיל משימה.
שיגור.
כל משימות מעבורות החלל שוגרו ממרכז החלל קנדי (KSC). תנאי מזג האוויר באתר השיגור יכלו להשפיע על השיגור ואפילו לגרום לדחייתו. גשמים, טמפרטורות נמוכות, עננים, סופות ברקים, רוחות ולחות הם חלק מאותם גורמים. אחראי מזג האוויר לשיגור המעבורות היה מנטר את מזג האוויר עד שההחלטה הסופית לשיגור אושרה. מזג האוויר היה צריך להיות מתאים עבור המעבורת גם בלפחות אחד מאתרי נחיתת החרום של המעבורת שמעבר לאוקיינוס האטלנטי, וכך גם מזג האוויר באזור נחיתת רקטות ההאצה.
המעבורות מעולם לא שוגרו למשימה שהחלה בדצמבר והסתיימה בינואר מפני שמחשבי המעבורת, שנבנו בשנות ה־70, לא יכלו לעמוד במצב של שינוי השנה והיו צריכים לעבור אתחול במהלך הטיסה. אף על פי שב־2007 מצאו טכנאי נאס"א דרך לעקוף את הבעיה אף מעבורת לא שוגרה למשימה כזו.
ביום השיגור, אחרי העצירה הסופית בספירה לאחור ב־T מינוס 9 דקות (9 דקות לפני השיגור), עברה המעבורת את ההכנות הסופיות לשיגור והספירה לאחור נמשכה תחת הפיקוח האוטומטי של ה־GLS (קיצור ל־Ground Launch Sequencer), תוכנה שעצרה את הספירה לאחור אם היא נתקלה בבעיה כלשהי במערכות המעבורת. הספירה לאחור עברה לאחריות המחשבים שעל המעבורת עצמה ב־T מינוס 31 שניות.
ב־T מינוס 16 שניות החלה מערכת ה־SPS (קיצור ל־sound suppression system) להציף את ה־MLP, (הפלטפורמה ממנה משוגרת המעבורת אשר נישאת לכן השיגור על ידי זחלן טרנספורטר) ואת התעלות שמתחת לרקטות ההאצה ב־1,300 מטרים מעוקבים של מים כדי להגן על המעבורת מפני האנרגיה האקוסטית והגזים הלוהטים שפרצו מרקטות ההאצה.
ב־T מינוס 10 שניות מופעלת מערכת מצתים מתחת לכל מנוע על מנת לשרוף את הגזים הנמצאים בתוך נחירי הפליטה של המנועים. אי שריפת הגזים עלולה להכשיל את חיישני המעבורת ולגרום ללחץ יתר ולפיצוץ המעבורת בעת הצתת המנועים. באותו זמן שואבות משאבות הענק של מנועי המעבורת חמצן ומימן נוזלי אל תאי השריפה של המנועים.
שלושת המנועים הראשיים של המעבורת הוצתו ב־T מינוס 6.6 שניות. המנועים הופעלו זה אחר זה בהפרשים של 120 מילישניות. מחשבי המעבורת חיכו שהמנועים יגיעו ל־90% הספק על מנת להשלים את כיול המנועים למצב שיגור. כשניצתו המנועים, מי הקירור הפכו לענן קיטור שנפלט בתעלות דרומה. מנועי המעבורת היו צריכים להגיע ל־100% הספק בתוך שלוש שניות בלבד. אם הם לא הגיעו להספק זה תוך 3 שניות ביטל מחשב המעבורת את השיגור. אם המנועים הגיעו להספק של 100%, ב־T מינוס 0 (רגע השיגור) פוצצו 8 אטבים פירוטכניים שחיברו את המעבורת אל כן השיגור, והוצתו מנועי רקטות ההאצה. ברגע שהוצתו רקטות ההאצה לא היה ניתן לבטל את השיגור מפני שלא ניתן לכבות רקטה הפועלת על דלק מוצק. שובלי העשן מרקטות ההאצה נפלטו על ידי תעלות בכיוון צפון במהירות הקרובה למהירות הקול.
ברגע הפעלת המנועים הראשיים, כאשר רקטות ההאצה עדיין מרותקות אל כן השיגור, הדחף שיצרו המנועים גרמו לכל המערכת (המעבורת, מכל הדלק והרקטות) לנטות מטה בכ־2 מטרים (מפני שדחף המנועים אינו ישר כלפי מטה). כשחזרו רקטות ההאצה למצב הנכון, חזרה המערכת ועלתה מעלה. כל התהליך לקח פחות מ־6 שניות. כשעמדה המעבורת אנכית לחלוטין הוצתו רקטות ההאצה והשיגור החל. מרכז הבקרה במרכז החלל ג'ונסון קיבל את האחריות לטיסה ברגע שהמעבורת ניתקה מכן השיגור.
זמן קצר אחרי עזיבת "מגדל" כן השיגור, החלה המעבורת בתמרון שכלל גלגול, נטייה וסבסוב כך שהמעבורת הייתה הפוכה וכנפיה מיושרות עם כן השיגור. המעבורת הייתה הפוכה במשך כל שלב הנסיקה. במצב זה הגיעה המעבורת לזווית התקפה רצויה לעומסים האווירודינמיים ונתנה לצוות המעבורת נקודת יחוס – כדור הארץ. המעבורת טיפסה בקשת הולכת ומתמתנת, בעודה מאיצה עם ניתוק רקטות ההאצה והתרוקנות מכל הדלק החיצוני. הכניסה למסלול סביב כדור הארץ דורשת יותר כוח אופקי מאשר כוח אנכי. רוב תהליך ההאצה האנכית לא היה יכול להראות לצופים מהקרקע. המהירות הנדרשת להגעה למסלול כמעט מעגלי של 380 ק"מ (המסלול בו נמצאת תחנת החלל הבינלאומית) היא 7.68 ק"מ לשנייה (27,650 קמ"ש – מאך 23 בגובה פני הים). מפני שנטיית המסלול של תחנת החלל הבינלאומית היא 51.6°, היה על המעבורת להגיע לאותה נטייה אם היה ברצונה לחבור אל התחנה.
בהגיע המעבורת לנקודה בשם Max Q, בה כוחות המשיכה הפועלים על המעבורת הם החזקים ביותר, הונמכה עוצמת המנועים אוטומטית ל־72% דחף על מנת לא להגיע למהירות גבוהה מידי שתגרום ללחץ רב מידי על המעבורת. בנקודה זו ארעה סינגולריות פראנטל־גלאוארט, וענני התעבות נוצרו סביב המעבורת בעודה עוברת את מהירות הקול. ב־T פלוס 70 שניות הגבירו המנועים את הדחף לרמה המקסימלית של 104% דחף.
ב־T פלוס 126 שניות התפוצצו האטבים שחיברו את רקטות ההאצה למכל הדלק ומנועים קטנים הרחיקו אותם מהמעבורת ואחד מהשני בעודם צונחים אל האוקיינוס. מכאן המשיכה המעבורת עם מנועיה הראשיים בלבד. באותה נקודה יחס הדחף־משקל של המעבורת היה קטן מאחד – כלומר כוח המשיכה גבר על הכוח שהפעילו מנועי המעבורת, והמהירות האנכית שקיבלה המעבורת מרקטות ההאצה ירדה באופן זמני. עם זאת, כשפעולת המנועים נמשכה, ירד משקל הדלק ויחס הדחף־משקל הגיע שוב ל־1 והמעבורת המשיכה להאיץ אל עבר הכניסה למסלול.
המעבורת המשיכה לטפס והביאה את חרטומה אל מעל לאופק (בעודה הפוכה). מנועי המעבורת שמרו על גובהה בעודה מאיצה אופקית. אחרי כ־5 דקות ושלושת רבעי מהשיגור החלו אותות השידור מהמעבורת ואליה לדעוך, אז התהפכה המעבורת ויצרה התקשרויות חדשות עם כדור הארץ דרך מערכת לווייני ה־TDRS.
בעשר השניות האחרונות לפעולת מנועי המעבורת, משקל המעבורת היה נמוך מספיק כך שהיה צורך להנמיך את עוצמת המנועים על מנת להגביל את העומס על המעבורת ל־3 ג'י, בעיקר לנוחיות האסטרונאוטים. כ־8 דקות לאחר השיגור כובו מנועי המעבורת הראשיים.
מנועי המעבורת כובו לפני תום הדלק כי המנועים היו נהרסים אם היו "מתייבשים". מכל הדלק החיצוני היה מופרד אז מהמעבורת על ידי אטבים מתפוצצים ונשרף כמעט כולו באטמוספירה כאשר חלקים מזעריים ממנו מתרסקים באוקיינוס רחוק מכל נתיב שיט. על מנת למנוע מהמעבורת לרדת אל תוך האטמוספירה התחתונה בעקבות מכל הדלק, הופעלו המנועים המסלוליים שהעלו את אפוגיאת המעבורת אל עבר האטמוספירה העליונה. הסיבה שבגללה שוגרה המעבורת למסלול ממנו היא יכולה לחזור בקלות אל כדור הארץ ולא ישירות למסלול המתוכנן הייתה שאם המנועים המסלוליים לא עבדו או שדלתות תא המטען לא יכלו להיפתח, הייתה המעבורת יכולה לחזור ישירות אל כדור הארץ לנחיתת חרום ללא צורך במנועים (שאולי לא עבדו). במשימות מסוימות (ביניהן משימות אל תחנת החלל הבינלאומית) הופעלו המנועים המסלוליים לפני כיבוי המנועים הראשיים.
במסלול.