二段式宇宙輸送機
下段同様、上段のロケットを再使用する構成も検討されている。下段の再使用を実現したファルコン9では、上段も完全に同じ仕組み(エンジンの逆噴射による垂直着陸)で再使用するコンセプトが公開されているが、上段の場合、下段に比べて速度や熱などの条件が過酷であり技術的難易度が高い事、また実現できたとしても逆噴射用の燃料が性能に与える影響が大きい事から、2018年現在実用化の目途は立っていない。
一方で、ファルコン9を開発するスペースXでは、より大型の二段式ロケットであるスターシップにおいて引き続き上段の再使用を目指している。
単段式宇宙輸送機#日本 にあるとおり、のちにJAXAの母体となる各前身組織では、それぞれTSTOの基礎技術とも共通する、SSTOの基礎研究がおこなわれていた。これらを組み合わせる形で、TSTOの構想が発表された。
まず、HOPE-Xを大型化したような機体にロケットエンジンと推進剤を搭載したものを開発する。この機体はNASDAのロケットプレーンに類似しているが、ロケットプレーン検討時に判明したとおり軌道速度に達しないため、衛星軌道に乗らずそのまま大気圏に再突入して、滑走路に着陸する。この機体は技術実験機というだけでなく、使い捨てロケットを搭載して衛星を打ち上げることや、準軌道宇宙観光などに使用できるとしている。
次に、ジェットエンジンを搭載した極超音速飛行機を開発する。このエンジンはATREXと呼ばれ、ラム圧縮で高温になった空気を、液体水素を利用した熱交換器で冷却し、水素燃料ターボジェットエンジンに供給する。このためスクラムジェットエンジンとは異なり、最大速度はマッハ5程度にとどまる。この機体に、前述のロケットプレーン型機を背負い式に搭載し、空中発射することで二段式スペースプレーンを実現するというものである。
この構想の鍵を握るのはATREXエンジンの実用化であるが、エンジンを搭載した最初の実験機の開発が2015年前後と考えられていることから、TSTOの開発はそれより後になる。