כדי לעמוד במשימות שלקחה על עצמה, נדרשה המעבורת להיות שונה לחלוטין מרכבי החלל הקודמים. עם זאת, הבית הלבן הגביל את תקציב הפיתוח ל־5 מיליארד דולר לאורך חמש שנים. כדי לשכנע בהיתכנות התקציבית של הפרויקט, ראשי נאס"א טענו בתחילת 1972 שתמורת 5.15 מיליארד דולר יוכלו לפתח רכב שיתאים לכל הביצועים הנדרשים, יהיה בעל אורך חיים של 100 טיסות, ויעלה 7.7 מיליון דולר לטיסה. באותו זמן, ידעו אנשי משרד הניהול והתקציב בבית הלבן שהערכותיהם של ראשי נאס"א מוגזמות.
בסופו של דבר אישר ניקסון את התוכנית, לא בגלל טענות נאס"א, אלא משום שידע שתוכנית בסדר גודל כזה תשפר את התעסוקה במדינות בהן היא התנהלה, בשנת בחירות כמו 1972, וכן כדי לעמוד בתחרות מול ברית המועצות דאז.
מגבלת התקציב כפתה על נאס"א לבצע מספר ויתורים בתכנון, שהוזילו את עלות הפיתוח, אך העלו משמעותית את עלויות התפעול והגדילו את רמת הסיכון שבהפעלת הרכב. כדוגמה, מנועי ההאצה החיצוניים המוצמדים לחללית מונעים בדלק מוצק, משום שמנועים כאלה זולים יותר לפיתוח מאשר מנועי דלק נוזלי, אף על פי שעלות התחזוקה הצפויה שלהם הייתה גבוהה יותר. בכך הייתה המעבורת לכלי הטיס המאויש הראשון המונע בדלק מוצק. כמו כן, משום שהאמינה שהרכב החדש יהיה בטוח יותר מקודמיו, ויתרה על מערכת מילוט לאנשי הצוות.
בסופו של דבר, לא עמדה המעבורת בכמות השיגורים, עלותם ובטיחותם, כפי שהבטיחה נאס"א כאשר ביקשה לאשר את התוכנית. התוכנית לא הצליחה לשגר יותר מחמש מעבורות בשנה, מול ה־24 שהובטחו. עלות כל שיגור עלתה על חצי מיליארד דולר, לעומת ה־8 מיליון דולר שהובטחו. מהנדס האווירונאוטיקה רוברט זוברין כינה את מעבורת החלל "רמאות שעלתה לנו ב־30 שנה של דריכה במקום".
מעבורת החלל הראשונה הייתה "אנטרפרייז", שנבנתה כדי לנסות את מערכת הנחיתה. היא נישאה על גבי בואינג 747, ממנו שוחררה ונחתה בכוחות עצמה.
המעבורת הראשונה שטסה לחלל הייתה קולומביה. בנייתה החלה במרץ 1975 ובדיקתה הסופית הסתיימה בפברואר 1981. חודשיים אחר כך, ב־12 באפריל, הייתה "קולומביה" למעבורת החלל הראשונה שטסה לחלל. כאשר יצאה ממפעל הייצור היא שקלה 74,949 קילוגרם ולאחר שהתקינו עליה את המנועים הראשיים, היא שקלה 80,909 קילוגרם.
מאז מסעה הראשון של "קולומביה" לחלל, נבנו ארבע מעבורות חלל נוספות: "צ'לנג'ר", שבנייתה הושלמה ב־1982, ואשר התפוצצה בעת שיגורה ארבע שנים אחר כך; "דיסקברי", שנבנתה ב־1983; "אטלנטיס", שהושקה שנתיים אחר כך; ולבסוף "אנדוור", שהחליפה את ה"צ'לנג'ר" ב־1991. עם תחילת הקמת תחנת החלל הבינלאומית, עסקו "דיסקברי", "אטלנטיס" ו"אנדוור" בעיקר בבנייתה, ו"קולומביה" הייתה היחידה שהמשיכה לעסוק במחקר מדעי. הסיבה לכך היא שבגלל היותה מעבורת החלל הראשונה, הועמסה הקולומביה במכשור מדידה רב כדי לבדוק את תגובותיה. בנוסף, שלדתה הייתה מסיבית יותר וכבדה יותר מזו של המעבורות שבאו אחריה. כתוצאה מכך, היה משקלה גדול יותר, מה שמנע ממנה מלהגיע לגובה מספיק כדי להגיע לתחנת החלל. ב־1 בפברואר 2003 התפרקה המעבורת "קולומביה" בזמן חזרתה לכדור הארץ, וגרמה למותם של שבעת אנשי הצוות שעל סיפונה, בהם האסטרונאוט הישראלי אל"ם אילן רמון. בהתאם להמלצות וועדת החקירה של תאונת הקולומביה, נאס"א קרקעה את כל מעבורות החלל כשהנחיתה האחרונה התרחשה ב־21 ביולי 2011.
מבנה מעבורת החלל.
מעבורת החלל הייתה החללית המסלולית הראשונה שתוכננה לשימוש חוזר. המעבורת נשאה מגוון רחב של מטענים למסלול לווייני נמוך, שימשה להחלפת צוותים בתחנת החלל הבינלאומית וביצעה משימות שירות. המעבורת יכלה גם כן לאסוף לוויינים ומטענים שונים ממסלולם ולהחזירם אל כדור הארץ. כל מעבורת נבנתה כך שתעמוד ב־100 טיסות או 10 שנות שירות, אך בסופו של דבר אף מעבורת לא שוגרה 100 פעמים ושירותם הוארך להרבה יותר מ־10 שנים. מי שהיה אחראי על תכנון המעבורת היה מקסים פאגט שהיה אחראי גם על תכנון חלליות מרקורי, ג'מיני ואפולו. הגורם המרכזי למבנה המעבורת היה צורך בהתאמתה לשיגור הלוויינים הצבאיים והאזרחיים שתוכננו ועמידה בדרישות החסויות של חיל האוויר האמריקאי למשימות למסלול קוטבי. גורמים אלו גרמו לבחירת השימוש ברקטות האצה ובמכל דלק נתיק, שהתאימו לדרישות הפנטגון לכלי בעל יכולת נשיאה גבוהה ולדרישות ממשל ניקסון שביקש להוזיל את הטיסות לחלל על ידי שימוש ברכבי חלל הניתנים לשימוש חוזר.
כל מעבורת היא מערכת הניתנת לשימוש חוזר המורכבת משלושה חלקים מרכזיים: המעבורת (OV), מכל הדלק הנתיק (ET) ורקטות ההאצה (SRB). רק המעבורת נכנסה למסלול סביב כדור הארץ, כאשר רקטות ההאצה ומכל הדלק מתנתקים לפני הכניסה למסלול. המעבורת שוגרה אנכית כמשגר רגיל, ונחתה על גלגליה כמטוס רגיל. בתחילה סברו שהמעבורת תהיה מוכנה לשימוש חוזר לאחר הנחיתה ותחזוקה מינימלית, אך כשלים חוזרים אילצו תחזוקה מקיפה וארוכה הרבה יותר, שהייתה הסיבה העיקרית לכך שפער הזמן בין שיגורים היה ארוך פי 6 מהצפוי. רקטות ההאצה צנחו לאוקיינוס, שם הם נאספו על ידי אוניות גרר והוכנו לשימוש חוזר. רק מכל הדלק הנתיק היה אובד בשיגור והיה נשרף באטמוספירה.
חמש מעבורות לטיסות חלל נבנו: קולומביה (OV-102), צ'לנג'ר (OV-99), דיסקברי (OV-103), אטלנטיס (OV-104) ואנדוור (OV-105). בנוסף להן נבנו שתי מעבורות נוספות: אנטרפרייז (OV-101) ששימשה למבחני דאייה ופאת'פיינדר (OV-98) ששימשה לבדיקות בקרקע. המעבורת אנטרפרייז יועדה לעבור הסבה ולהפוך למעבורת מבצעית בתום מבחני הדאייה אך התברר כי משתלם יותר להסב את המעבורת צ'אלנג'ר, שנבנתה במקור לבדיקות, למעבורת מבצעית. אנדוור נבנתה מחלקי חילוף של שאר המעבורות לאחר אסון מעבורת החלל צ'לנג'ר ב־1986. עבור המעבורת קולומביה, שהתפרקה ב־2003 לא נבנתה מחליפה. כל מעבורת עלתה כ־2 מיליארד דולר וכל שיגור עלה כ־450 מיליון דולר.
האחריות לחלקים שונים ושלבים שונים במהלך תוכנית המעבורות פוזרה בין מרכזים רבים של נאס"א. מרכז החלל קנדי היה אחראי לשיגור ונחיתת המעבורות במשימות למסלול לווייני נמוך (במסלול היחיד ששימש בסופו של דבר בתוכנית), בסיס חיל האוויר ונדנברג היה אחראי לשיגור ונחיתת משימות שישוגרו למסלול קוטבי (אך מעולם לא נעשה בו שימוש), מרכז החלל ג'ונסון שימש כמרכז הבקרה של משימות המעבורות, מרכז טיסות החלל מרשל היה אחראי לבניית רקטות ההאצה, מכל הדלק הנתיק ומנועי המעבורת הראשיים, מרכז החלל ג'ון סטניס בחן את מנועי המעבורת הראשיים ומרכז טיסות החלל גודרד טיפל ברשת העיקוב הגלובלית.
המעבורת, מכל הדלק ורקטות ההאצה הורכבו יחד ב־Vehicle Assembly Building שבמרכז החלל קנדי, שנבנה במקור להרכבת החללית אפולו על גבי משגר הסטורן 5.
מידע טכני (כל חלקי מעבורת החלל)
מבנה המעבורת.
המעבורת עצמה דמתה למטוס. היא הייתה בעלת זוג כנפי דלתא משוכות 81° בקצה הפנימי ו־45° בקצה החיצוני. המאזנת האחורית הייתה משוכה אחורה בזווית של 45°. המאזנות ומעצורי האוויר שמוקמו בקצוות האחוריים של הכנפיים שימשו לשליטה במעבורת בשלבי הדאייה והנחיתה.
תא הצוות של המעבורת היה בעל שלושה סיפונים: סיפון הטיסה, הסיפון האמצעי וסיפון השירות. בסיפון הטיסה היו 4 מושבים (מפקד המשימה, טייס ושני מומחי משימה) ושם מוקמו מערכות בקרת הטיסה של המעבורת. בסיפון האמצעי היו 3 מושבים נוספים (לשאר צוות המשימה), מטבח, שירותים, אזורי שינה, תאי אחסון ופתח הכניסה והיציאה מהמעבורת כשהיא בכדור הארץ. בסיפון האמצעי היה גם מנעל אוויר שהיה בעל שתי דלתות: אחת לסיפון האמצעי ואחת אל תא המטען. אסטרונאוטים שיצאו להליכת חלל עברו דרך המנעל, שאיפשר לשאר האסטרונאוטים להישאר בבגדיהם הרגילים ללא צורך ללבוש חליפות חלל.
ממדי תא המטען של המעבורת הם 4.6 על 18 מטרים שהם רוב נפח המעבורת. מידע שהותר לפרסום ב־2011 הראה כי גודל תא המטען הותאם במדויק לממדי לוויין הריגול KH-9 Hexagon שהופעל על ידי משרד הסיור הלאומי. לתא המטען היו שתי דלתות סימטריות שהוצבו לאורך תא המטען ונפתחו כלפי חוץ. רוב המטען הוכנס לתוך תא המטען בצורה אופקית כאשר המעבורת מוצבת אנכית והוצא מהמעבורת בצורה אנכית כאשר היא במסלול על ידי הזרוע הרובוטית של המעבורת (שהופעלה על ידי אסטרונאוט), אסטרונאוטים בפעילות חוץ רכבית, או באמצעות מנועים שהורכבו על המטען עצמו.
למעבורת החלל היו שלושה מנועים ראשיים מסוג RS-25 שמוקמו בחלקה האחורי. מנועים אלו היו יעילים מאוד ביחס משקל - כוח גם בהשוואה למנועים בני ימינו, ותודלקו על ידי הדלק הנוזלי שהיה במכל הדלק הנתיק. בנוסף למנועים אלו, שני מנועים שמוקמו גם הם באחורי המעבורת שימשו לתיקוני מסלול והאטת המעבורת לפני החדירה לאטמוספירה. כמו כן, מנועי תימרון קטנים מוקמו במקומות שונים על פני המעבורת ושימשו גם הם לתיקוני מסלול.