跨大气层飞行器是一种既能在大气层内飞行，又能够进入地球轨道的飞行器，航天飞机就是一种跨大气层飞行器。随着科学技术的发展，跨大气层飞行器的类型还将增多。未来可能出现的能在地面水平起飞，加速进入地球轨道，完成任务后能够安全再入并水平着陆的空天飞机就是一种新型跨大气层飞行器。20世纪80年代后期，美国、日本、英国、法国和德国都曾进行过空天飞机等跨大气层飞行的研究试验工作，但由于技术难度很大，这些计划先后都放弃了。美国和欧洲近年来把注意力放在简单的空间返回飞行器的研究上。这是一种小型天地返回运输系统，主要任务是负责将空间载荷或人员送回地面。这种跨大气层飞行器个头较小，一般没有动力装置，研制运行成本较低，可以适应从轨道上返回的需要，对于处理一些突发事件，特别是航天员生病需要返回地球治疗时，这类飞行器显得非常有用。当然，跨大气层飞行器的最重要目标仍然是研制大型、可灵活使用、真正可重复使用的空天飞机。