宇宙ステーション補給機
HTVは宇宙空間での有人使用に対応するため、通常の人工衛星やロケットと違い、故障や誤操作が1つ起きても任務が継続できる1フェイルオペレーティブ(Fail operative)、故障や誤操作が2つ起きても有人安全に影響を及ぼさない2フェイルセーフ(Fail safe)の耐故障設計を行っている。これは「きぼう」と同じ設計思想だが、HTV固有の安全設計もなされており、各開発フェーズ(基本設計段階・フェーズ1、詳細設計段階・フェーズ2、システム試験後評価段階・フェーズ3)ごとに行われる安全審査でメーカー安全審査、JAXA安全審査を受審し、NASA安全審査に至っては計6回受審している。
また、HTVがISSに接近している段階で緊急事態が生じた場合、ISS搭乗員によるHTV運用にかかる緊急コマンドの送信端末であるHTV専用コマンド端末(HCP:ハードウェアコマンドパネル)がある。地上側が事態を把握し支援するのが間に合わなくても、搭乗員が端末を使って緊急操作することが可能になっている。この端末は6号機まで使用され、7号機以降の緊急操作端末は NASAのISS搭載可搬型パソコン(PCS)に変更されている。
1988年、日本、カナダ、アメリカ合衆国、および欧州宇宙機関(ESA)加盟国の政府間で宇宙基地協力協定(IGA)が署名された。1993年にロシア連邦も加わり、1994年に現在の国際宇宙ステーション計画が誕生した。こうした中で、1994年7月の宇宙ステーション計画の了解覚書協議において、アメリカ航空宇宙局(NASA)は宇宙ステーションへの輸送を、国際パートナーがスペースシャトルでの輸送経費を実費負担する方式から、各パートナーごとが輸送能力を提供することを原則とする方式への変更を提案した。
これを受け、日本の宇宙開発事業団(NASDA)は1995年に宇宙ステーション補給機の概念設計を開始し、1997年にHTV開発に着手した。1998年2月24日に署名された宇宙基地了解覚書(MOU)においては、日本が国際宇宙ステーションへの補給義務を負うことが国際的に約束された。
その後、2003年のコロンビア号空中分解事故によってスペースシャトル退役への流れが加速したことにより、HTVを含めた無人宇宙補給機の重要性が高まっていった。
HTVの場合、ISSとのランデブー・結合システムは従来のものと異なっている。他の宇宙船はロシア製の自動ドッキングシステム(アンドロジナスドッキング機構)を使用するが、HTVは世界で初めて「ランデブー飛行により接近した後、相対的に停止させ、ロボットアームで把持して結合させる」という、キャプチャー・バーシング方式が採用されている。この方式は、米国の民間会社2社が開発するCOTS宇宙機でも採用された。
なお、無人ランデブー技術には技術試験衛星きく7号の実証経験が活用されている。
当初、人工衛星基準の設計・製作経験しかない日本がHTVをISSへ全自動ランデブーさせる構想を提案したことに対し、NASA側は難色を示して拒絶したという。
ちなみに、当初HTVはH-IIAロケットに液体ロケットブースター(LRB)1基を追加した212型で打ち上げる前提で開発が進められていた。しかし再検討の結果、LRBを追加するより、1段目を大型化する方が経済性、確実性、輸送能力などの点でより優れていると判断され、H-IIBロケットの開発が決定した。
なお、日本ではHTVの前に再使用型宇宙往還機であるHOPE(ホープ、H-II Orbiting Plane)の開発が進められていた。HOPEはISSの輸送用途にも考えられていたが、再利用型より使い捨て型のHTVでの輸送の方が費用対効果が優れているということで、結局HOPEが採用されることはなかった。なお後にHOPEは開発自体が凍結されている。