O ônibus espacial (português brasileiro) ou vaivém espacial (português europeu) (em inglês: Space Shuttle) foi um sofisticado veículo parcialmente reutilizável usado pela NASA como veículo lançador de satélites, nave para suas missões tripuladas de reparos de aparelhos em órbita no espaço e reabastecimento da Estação Espacial Internacional. Ele tornou-se o sucessor da nave Apollo usada durante o Projeto Apollo. O ônibus espacial foi lançado pela primeira vez em 1981 e realizou sua última missão em 2011. Eles foram usados em um total de 135 missões desde 1981 até 2011, todos sendo lançados do Centro Espacial John F. Kennedy, na Flórida. Nas suas missões foram lançados inúmeros satélites, sondas interplanetárias, e o Telescópio espacial Hubble; também realizou experimentos científicos em órbita e participou da construção e manutenção da Estação Espacial Internacional. No tempo total, a frota de ônibus realizou 1 322 dias, 19 horas, 21 minutos e 23 segundos de missões espaciais. O custo total de desenvolvimento do projeto girou em torno de US$ 211 bilhões de dólares (valores de 2012), com um custo de US$ 450 milhões por lançamento (valores de 2011).
O ônibus espacial era constituído por um orbitador (OV), um par de foguetes de combustível sólido (SRBs) recuperáveis e um tanque externo descartável (ET) contendo hidrogênio líquido e oxigênio líquido. O ônibus espacial era lançado verticalmente, como um foguete convencional, com os dois SRBs operando em paralelo com os três motores principais do OV, que eram alimentados a partir do ET. Os SRBs eram ejetados antes do veículo alcançar a órbita, caindo com paraquedas no Oceano Atlântico e depois sendo recuperados por barcos da Nasa para serem reaproveitados; poucos segundos depois, o ET também era ejetado. Na conclusão da missão, o orbitador reentrava na atmosfera da Terra podendo atingir 1 500 °C.
O primeiro orbitador, Enterprise, foi construído para testes de aproximação e aterrissagem e não tinha capacidade orbital. Quatro orbitadores totalmente operacionais foram inicialmente construídos: Columbia, Challenger, Discovery e Atlantis. Destes, Challenger e Columbia foram destruídos em acidentes de missões em 1986 e 2003, respectivamente, em que um total de catorze astronautas morreram. Um quinto orbitador operacional, Endeavour, foi construído em 1991 para substituir o Challenger. Os ônibus espaciais foram retirados de serviço após a conclusão de voo final do Atlantis em 21 de julho de 2011.
O veículo e o conjunto de foguetes até então usados no seu lançamento formavam, até há alguns anos, a mais potente máquina criada pelo ser humano, com mais de 7 000 000 de libras de potência no lançamento. Esta nova forma de viajar ao espaço foi uma tentativa dos Estados Unidos de transformar os voos espaciais em lançamentos rotineiros, de forma a serem economicamente mais viáveis. Quando o Columbia foi lançado, em 12 de abril de 1981, a previsão era que os primeiros modelos fariam até 100 voos e haveria uma média de 24 lançamentos por ano. Contudo, passados mais de 30 anos do primeiro lançamento foram realizados um total de 135 voos, tendo ocorrido dois grandes desastres com a morte das duas tripulações, e o recorde de lançamentos foi de apenas 9 em 1985.
Entre os anos 1960 e 1970, realizaram-se experimentos com o corpo sustentante, um tipo de aeronave desprovida de asas onde a sustentação é gerada por sua própria fuselagem. A primeira destas aeronaves projetada pela NASA, o protótipo NASA M2-F1, teve sua construção concluída em 1963. Por seu formato peculiar, o M2-F1 foi apelidado de "banheira voadora". O conhecimento obtido nos estudos sobre corpos sustentantes contribuiu no desenvolvimento dos ônibus espaciais.
O projeto de veículos espaciais reutilizáveis remonta a 1975, quando foram realizados os primeiros testes de um protótipo, o Enterprise, acoplado ao jato quadrimotor de grande porte Boeing 747 adaptado a testes de voo a grande altitude. O objetivo foi testar a aerodinâmica e a manobrabilidade do ônibus espacial.
Neste cenário, o ônibus espacial ainda hoje prossegue sendo uma das máquinas mais complexas já construídas, um veículo espacial de transporte de tripulantes e de carga equipado com sistemas precisos de suporte e montagem, como o braço mecânico que colaborou veementemente no lançamento e na montagem da Estação Espacial Internacional (ou I.S.S. - International Space Station, em inglês), considerada o maior laboratório espacial do mundo.
O ônibus espacial lançou e posicionou vários satélites na órbita da Terra, além de lançar, posicionar e realizar manutenções e reparos no Hubble, um dos maiores e mais bem sucedidos telescópios espaciais já criados.
Foram construídas cinco naves operantes deste tipo, chamadas Columbia, Challenger, Discovery, Atlantis e Endeavour, que cumpriram diversas missões no espaço. Destes, apenas o Discovery, o Atlantis e o Endeavour ainda existem, já que as outras duas, Challenger e Columbia, acabaram destruídas em acidentes que se tornaram célebres tragédias na história da exploração espacial.
Essas naves não estão mais ativas: o Atlantis foi a última a operar, com sua última missão realizada em julho de 2011 para a STS-135, a Discovery realizou a sua última missão em março de 2011 para a STS-133 e a Endeavour decolou para sua última missão dois meses depois para a STS-134.
Ainda foram construídas mais duas naves, uma chamada Enterprise, protótipo sem motores, utilizada apenas para testes aerodinâmicos, de aproximação e aterrissagem, mas sem capacidade de entrar em órbita, e a outra chamada Pathfinder, um perfeito simulador usado para treino dos astronautas.
Ao todo, foram construídos sete modelos de ônibus espaciais, sendo seis da NASA e um da União Soviética. Desses, 6 conseguiram sair da atmosfera da Terra.
O Enterprise (também chamado de OV-101) foi o primeiro ônibus espacial da história, sua construção começou em 26 de julho de 1972 com o objetivo para voos de testes orbitais, sua propulsão dependia das cápsulas auxiliares, seu primeiro lançamento foi em um voo teste acoplado em um Boeing 747 em 18 de fevereiro de 1977.
O Enterprise não tinha motores para fazê-lo decolar do chão, não tinha sistemas de controle de voo, nem sistema de proteção térmica, sua fuselagem era de poliuretano, usava Célula de combustível para gerar energia, não tinha Sistema de controle de reação, nem mecanismos hidráulicos para o trem de pouso que eram abertos através de um mecanismo de explosão e gravidade.
Foi projetado para ser o segundo ônibus espacial a ir ao espaço, contudo, uma decisão no ano de 1978 de não modificar o Enterprise em sua configuração para provas de aproximação e aterrissagem (ALT- Approach and Landing Test) deixou, a princípio, o Columbia como o único veículo orbital operacional. Deste modo o Enterprise se consolidou, basicamente, como um veículo de testes de pouso e de aerodinâmica, realizando várias missões, a partir de um Boeing 747 adaptado. Nestes testes, forneceu dados sobre o comportamento do ônibus espacial em regimes subsônicos e durante o pouso. Posteriormente, em 1986, após o acidente com o Challenger, foi estudada a possibilidade de uma reforma para adaptação ao voo espacial. Contudo optou-se pela construção de um novo veículo, o Endeavour. O Enterprise nunca saiu da atmosfera terrestre, apenas realizou voos de teste até o ano de 1985 quando foi "aposentado". No ano de 2012 foi danificado pelo Furacão Sandy enquanto estava exposto em Nova York.
O Columbia foi o segundo ônibus espacial construído, baseado no Enterprise, e foi o primeiro com uma missão tripulada, sua construção começou em 1975 pela Rockwell International em Pasadena na Califórnia. Durante a construção em março de 1981 houve um incidente que causou a morte de 3 pessoas por asfixia. Sua primeira missão foi a STS-1 em 12 de abril de 1981 comandada pelo astronauta John Young.
No total, o Columbia protagonizou 28 lançamentos, passou 300 dias no espaço, deu 4 808 voltas na Terra e pesava 3 600 toneladas, foi o mais pesado de todos os ônibus espaciais.