単段式宇宙輸送機
ロケットエンジンの性能の重要な2つのパラメータは、比推力と推力重量比である。空気と重力の中を推重比の良いエンジンで一気に加速して軌道高度まで駈け登る能力と、比推力の良いエンジンで水平方向へ加速して軌道速度を得る能力の両方を、ひとつのエンジンでまかなわなければならないところに単段式の難しさがある。一般に、軽い推進剤(たとえば水素)は、比推力では有利だが推重比は不利で、重い推進剤はその逆、というトレードオフがある。
ロケットエンジンの比推力の上限は、推進剤の種類により決定され、最も高性能な推進剤は液体水素と液体酸素の組み合わせである。この場合の理論上の比推力は約460秒であるが、実際にはより低い値となる。その理由はいくつかあるが、SSTOでは特にノズルと大気圧の関係が問題になる。
ロケットエンジンの噴射ガスは、ノズル内で膨張・加速し、出口に向かって圧力が低下する。真空中ではできるだけ膨張・加速するよう長いノズルが望ましいが、大気中では圧力が大気圧を下回ると逆流が起きるため、ノズルを長くできない。
地球におけるSSTOはいまだ実現には至っていないが、月でのSSTOはアポロ計画のアポロ月着陸船の上昇段で実現されている。月の低重力ならば、SSTOは難しいことではない。ただしアポロ月着陸船の場合は、着陸する際に使用した下降段(総重量の6割)は切り離し月面に投棄している。
さらに重力の小さい小天体であれば、完全なSSTOもしばしば実現されている。2005年に小惑星イトカワを探査したはやぶさは、月以外の天体としては初めて着陸後に離陸しており、これは機体の下段を投棄したアポロの月着陸船と違って着陸・離陸を、サンプル採取という輸送目的も達成しつつ行うという、完全なSSTOが実現された。似たような例としては他にも2014年に彗星探査機ロゼッタの着陸機フィラエが着陸に失敗し、バウンド(このとき偶然サンプル採取)後に数時間ほど飛行して再着陸後にサンプルを分析したケースもあるが、こちらは自力での離陸やサンプル輸送を意図した設計では無い。はやぶさ2ミッションでフィラエの技術を応用した着陸機MASCOTに至っては2018年に自力でジャンプしての移動・探査も達成したが、いずれにせよ対象天体の重力圏を脱出できるほどの設計ではなかった。なお、はやぶさミッションでもエクストラ扱いではあったが似たような意図の分離子機「ミネルバ」が搭載されていたが、そちらは放出が適切なタイミングで行われず、結果として近傍の惑星軌道に乗った人工惑星となったものと推測されている。こちらについても後継機ミネルバ2にて小惑星上のジャンプ移動・探査には成功している。