美国宇航局为这次试航作了周密而仔细的安排。为了确保航天飞机在发射和飞行过程中出现故障时能及时安全着陆，宇航局除了在发射场附近开辟一条简易跑道外，还挑选了新墨西哥州的白沙导弹靶场诺斯拉普简易机场。在航天飞机发射4分20秒后，若一个主发动机较早失效而不能进入正常的278千米高的轨道时，可进入194千米的“亚轨道”，绕地球大半圈后在此机场着陆。美国夏威夷的艾卡姆空军基地、太平洋上的冲绳岛嘉迪纳空军基地和西班牙的罗塔美国海军基地，也作为后备着陆场。由于航天飞机具有飞机的特性，遇到紧急情况，可以在美国任何一个大型机场上着陆。在航天飞机离开发射台直至飞行高度达到30千米的过程中，若出现失控的灾难性事故以及飞行7分钟之前有两个主发动机损坏时，都要求宇航员从驾驶舱中弹射出来。应急措施的原则是宇航员和轨道器必须安全返回地面。
4月12日，太阳还没有升起，但在发射场周围二十几千米范围内已是一片人的海洋，热闹异常，约有百万人被这“宇宙热”所感染而前来观看。这天天气格外晴朗，风和日丽。风速（必须小于每小时18．5千米）、云层和能见度（必须超过11．3千米）都符合发射要求，蔚蓝的天空敞开着她那宽广的胸怀，迎接着人类新使者的到来。
从观察台向东偏北方向望去，高达56米多，像一枚巨型炮弹的黑白两色航天飞机耸立在发射台上，这时正在作最后的检查，但是几乎看不到有工作人员在外面操作。电子计时器准确地向着发射时刻——7点正（美国东部标准时间）跳动着。报时人原先间隔5％秒报时一次，在发射临近时改为每秒报时一次。随着这一秒钟、一秒钟时间的流逝，人们的心情越来越紧张。
早在发射前1小时50分进入驾驶舱的两位宇航员，由于久经考验和长期训练，显得那么镇静自若。在仅剩下3．6秒时，航天飞机液氢、液氧主发动机点火，3条光亮的火焰从尾部倾泻而出，经过3．7秒钟后主发动机达到90％的推力。在主动机点火6．1秒后，两枚燃料助推火箭也喷出了橘红色的烈焰，灰白色的烟幕伴随而起，震耳欲聋的轰鸣声传至几十里外，引起了一片喧闹声。浓烟在翻滚，发射塔架在颤动，2000吨的航天飞机终于在近3000吨的火箭推动下徐徐地升了起来，然后越飞越快，像一条火龙直窜蓝天。留下的一道长长的白色烟柱，像一条连接天宇的云梯在延伸、扩展，人们在欢呼、拥抱、流泪。8秒钟（机上的程序时间把起飞作为零秒）后，航天飞机在137米高度开始按照程序转弯，片刻就在人们的视野中消失。监控人员只能在发控室的电视屏幕上看至一个橘红色的火球在抖动。2分12秒后，“哥伦比亚号”上升到49．7千米高度，速度达到每小时4625千米，两枚助推火箭燃尽了近百万公斤的固体燃料后，借助爆炸螺栓与航天飞机外挂燃料贮箱分离之际，放出预装在头部的降落伞，向发射场附近的大海飘落下去。
在离卡纳维拉尔角东南257千米的大西洋里，又是一番回收助推火箭壳体的忙碌景象。早已等候在那里的宇航局回收打捞舰队的“自由号”、“自主号”两艘船只，从航天飞机起飞后，工作人员就借助种种仪器设备在天空里“搜捕”着助推火箭的踪影。不一会儿，两艘船只上的回收打捞人员几乎同时发现了两枚正在坠落的助推火箭。每个火箭上方飘动着3个惹人注目的彩色巨型主降落伞，使助推火箭徐徐下降，溅落在碧波万顷的回收区域内，这时离发射还不到5分钟。回收船只急速向溅落地点驶去。耗尽了燃料的助推火箭壳体，在海面上只露出约9米的尾端部分。回收船通过操纵控制的自由推进装置接近浮在海面上的火箭壳体，然后插入火箭壳体尾部的钟型喷管内，像是捕鲸炮射中了鲸鱼似的。回收人员接着通过操纵缆泵入空气，把壳体内的海水排出。排空了海水的助推火箭壳体像一根圆木，飘浮在海面上，由回收船只拖回海岸，以便清洗、检修，待装填固体火箭燃料后再次使用。
起飞8分32秒后，航天飞机到达118．5千米高度，3台主发动机关闭。8分51秒，已耗尽的外挂燃料贮箱被抛脱，在重人大气层时焚烧瓦解，碎片落入波涛滚滚的印度洋中。10分32秒，航天飞机启动它尾部的两台机动发动机，经89秒钟加速，使其进入了近地点为105．6千米、远地点241千米的椭圆轨道。在飞行7小时6分11秒钟后，机动发动机分别进行两次启动，使航天飞机进入一个安全的、高约278千米的圆形轨道。在此，宇航员开始了真正的“太空旅行”，并执行一系列的试航使命。
这次“哥伦比亚号”航天飞机试航的目的是为了证明航天飞机轨道器和宇航员安全入轨、返回地面的可行性。在空气动力学与气动热环境、温度控制、结构、机械系统、生命保障、宇航员系统、喷气推进系统、仪器、制导与导航、飞行控制等方面都带有具体的飞行试验目的。
在历时两天多的飞行中，两位宇航员都担负了比较繁重的任务。他们对宇宙散热器和其他的排热系统，以及3吨重的有效载荷舱门的开关都进行了反复的试验，发现货舱门开关很灵活。他们的这些活动，通过电视实况转播，直接传输到了休斯敦任务控制中心，使地面的工作人员和电视观众有幸亲眼目睹活动情况和宇宙的奇妙景象。
奇妙的降落
1981年4月12日，美国“哥伦比亚号”航天飞机首次离开发射塔架后，肯尼迪航天中心就把飞行控制任务交给休斯敦任务控制中心的飞行控制队伍。“哥伦比亚号”航天飞机着陆地是加州爱德华空军基地的罗杰斯干湖床。
4月14日的上午，在爱德华空军基地附近，已经有一二十万人聚集在那里迎接着它的胜利返航。
在湖床跑道周围一片平坦而干燥的硬沙土地上，长着密密麻麻的骆驼草。一阵风吹来，尘土飞扬，使地面的能见度变得较差。
航天飞机大约在飞行近53．5小时后，在印度洋上空再次启动两台机动发动机，使“哥伦比亚号”进入了返回轨道。
在离地面还有12千米时，宇航员用手操纵驾驶杆，驾驶着这架因与大气剧烈摩擦而“浑身”发热（关键部位的温度达到了1482℃）的航天飞机。在地面上，由于能见度较差，无法看到航天飞机返航的雄姿。在听到“砰！砰！”两声（航天飞机从超音减到亚音速时发出的响声）巨响后数分钟，只见它平稳地滑翔到了湖床跑道上，卷起一阵浓烈的黄土，在一个预定的方格内停住，从而结束了历时54．5小时、绕地球36圈的航程。此时正是当地时间上午10点28分，比原计划仅晚了9秒钟！
爱德华空军基地的地勤人员，自航天飞机起飞后就作好了一切“迎客”准备。14日上午，他们更不顾烈日灼人，忙碌在这块“不毛之地”上。携带着电视摄像机的跟踪飞机也在规定的空域内巡航，准备护航“贵客”。当“哥伦比亚号”航天飞机一着陆，身穿保护服的工作人员便推着灵敏的“嗅探器”装置飞速赶到其身旁，查看火箭发动机四周是否有什么有毒的烟气；20辆卡车也隆隆地驶向航天飞机旁，把两条大型软管接到“哥伦比亚号”上，以清除它残剩的液氢和液氧；一辆装有3米长螺旋桨的流动吹风机协助吹净空气中的有毒气体。
宇航员在着陆后的头45分钟里，对他们创造的历史性航行作了最后的检查。航天飞机着陆后，经160小时的整修，被放在一架“波音747”喷气飞机上面，运回肯尼迪航天中心，准备在四五个月后再度起飞。
航天飞机是现代火箭、飞机和飞船技术的综合产物，主要由轨道器、固定火箭助推器和外挂燃料贮箱三大部分组成。它既能像火箭那样垂直起飞，像飞船那样能绕地球运行，又能在返回大气层后像飞机那样机动飞行和水平着陆。它的突出优点是：可以重复使用（轨道器可使用100次，3台主发动机可使用55次，固体火箭助推器可使用20次），使有效载荷的发射费用大幅度下降，为开展大规模航天活动创造了有利的条件；上升段和再入段的加速度比运载火箭的加速度小得多，为具有一般健康水平的人提供了参加空间飞行的可能性；具有十分灵活的机动飞行能力，具有广泛的应用范围。
航天飞机的首航成功，是载人空间技术领域内重大的技术突破，也使载人空间飞行技术进入了一个崭新的阶段。在航天飞机庞大的货舱内，可以设置空中实验室，在得天独厚的环境下进行一些地球上无法进行的实验，加工一些在地面上无法生产的奇异物品；可以携带各种用途的人造卫星，并部署或发送到最佳的轨道上，或者在轨道上回收和修理超时限的卫星；充当运行中的航天站的补给船，保证人员轮换和物资供应；可以运送大型结构部件，在轨道上组装成各种用途的空间设施。
这次试航虽然获得了成功，但也存在着一些具体问题。4月10日未按时发射，原因出在发射前20分钟同时启动的机上4台计算机与第5台备分计算机不能同步（备分计算机落后主计算机40毫秒），从而使备分计算机无法按程序接收主计算机的信号，起不到备分机的作用。在航天飞机起飞和上升阶段，由于发动机的震动、气功载荷或冲击波的作用，在轨道器后舱左、右两侧突出部位，掉落了15块硅纤维防热砖。在轨道器上的三个磁带记录仪未能自动进行工作，宇航员只能手动操作其中的一个进行工作，驾驶舱室温使宇航员在睡眠时感到冷（只有24．4℃）；着陆时掀起的沙土使轨道器腹部的防热砖受到了损伤。发射时对发射塔架造成了比预计要大得多的损坏，等等。
未来航天飞机技术
未来航天飞机因具有更高的性能，科学家们认为研制工作必须解决的一些关键技术是：
发动机
发动机的关键是选择工作循环问题。现有迹象表明：要实现水平起降，充分利用大气层中的氧，在发动机中有两个关键参数：一是比冲。这是发动机推力与每秒消耗燃料量之比。这个比值越高，说明发动机效率越高，那么飞机可以做得很小，而且承载效率也很高。二是推重比。这是发动机推力与其本身重量之比。这个比值越高越好，说明很轻的发动机能产生很大的推力。目前正在寻求如何把不同型式的发动机组合好。已经考虑得较成熟的方案是涡轮发动机和火箭发动机结合在一起，它的前面是压气机，然后是涡轮，外环可以燃烧空气。当用火箭时，喷管的罩可以伸出去加大喷口面积，使之产生很大的推力。英国的“霍托尔”用的发动机，基本原理就是这样的。
把飞机作为发动机的一个部件来设计。如美国的国家未来航天飞机计划方案，是前机身起到把来流压缩，使气流减速增压，尾部就变成了发动机喷管的一部分。而发动机本身不需要有完整的喷管，有一部分是利用机身。这样做的效果是100吨重的飞机前面的气流经压缩能产生向上的力量，量级达到45吨；后面产生向上的压力能达到47．5吨。这样，靠前面的压缩和后面的喷流，就能产生达到飞机重量92．5％的升力，所以飞机只要稍微抬头，升力就足够了，甚至机翼都可以不要，单靠机身就能飞行。今后的高超音速飞机必须把飞机和发动机结合起来一起设计。
结构与材料
原来的航天飞机飞出大气层时温度不是很高，问题不很严重。未来的航天飞机要在大气层里长时间加速飞行，温度就会很高，而且承受很大的速压。而归回来时的温度分布，以法国小航天飞机“使神号”为例，机头达到1800℃，下表面从1000℃逐渐减到700℃，所以这是一个很严重的问题，一般的铝合金都不能承受。即使是水平起降二级人轨的航天器，表面温度也是很可观的。机头温度达到1335℃，下表面为500～600℃左右，上表面也达到500℃。在这样的温度条件下飞机要想能飞，就要求飞机结构材料既要轻又要耐热。如果这个问题解决不了，未来航天飞机的性能就实现不了。
航天飞机的结构重量发挥着重要作用。现在的商用飞机（如“波音747”）结构重量占飞机总重的22％左右，加上动力装置等，飞机空重占起飞重量的47．5％，而超音速客机约为42％。如果是水平起降，一次人轨的飞机，要求这些固定重量只能占起飞重量的17％。一般说来要想减小结构重量，必须采用先进技术才能解决。怎么办？只能在材料上下功夫。一般都是采用钛合金，如美国的未来航天飞机，准备机身采用钛基复合材料，即把钛熔化后埋上各种纤维来增加强度，这样的材料质量轻，而强度又高得多；另外，碳一碳复合材料可以防燃烧。
在航天飞机结构防热方面，现在的美国飞机的耐火材料能耐1000℃的高温，重量是12千克／平方米；法国研制的90年代的小航天飞机“使神号”为10．5千克／平方米；德国希望到1998年能用的防热材料是：用0．1毫米厚的钛合金板，压成波纹形，然后一层层叠起来，这种材料能耐1000℃高温，重量是8．5千克／平方米。由此可见，采用先进技术，可使结构重量下降。
在结构设计上，如在机翼前缘装一些以液体锂为介质的热管，循环冷却，可以把前缘高温从1400℃降到900℃。
空气动力
要保证水平起降，而且一次入轨，速度是很可观的，要达到7．8～7．9千米／秒。所需的能量也很大，如一架45吨的未来航天飞机，在150千米高的轨道上飞行，需要的能量相当于600艘5万吨级的航空母舰所需的能量。这个5万吨级的航空母舰，在海面的航行速度是20海里／小时。对于需要这么大能量的飞机要能飞起来，作用在飞机上的气动力必须计算得很准确。现在的计算手段是：在Mg以下，我们有风洞可以实验，测出来的数值大体上差不多，现行的计算方法和计算程序也能准确地计算出气动力。但是到了M25（25下标）以后，情况就不一样了。困难的是大气层外空气很稀薄，温度很高，这时分子就分解成原子，物体表面就变成催化剂，加进化学变化以后，气动力就更难算了；还有，就是由于激波与附面层干扰等，使计算也有很多问题。目前可以从基本理论出发进行近似计算，但是需要校正。要进行这种运算，需要每秒10亿次到100亿次的计算机。