náhled|vpravo|Raketoplán Atlantis právě přistává a tím ukončuje misi STS-110 Družicový stupeň raketoplánu, nazývaný též vlastní raketoplán nebo orbiter je nejsložitější a nejdůležitější část celého raketoplánu. Zároveň je to jediná část raketoplánu, která se dostane do vesmíru a potom přistane. Z hlediska letecké terminologie je to dolnoplošník se samonosným křídlem ve tvaru dvojité delty. Slouží na dopravu nákladu a osob na oběžnou dráhu kolem Země a zpět. Startuje jako klasická raketa, návrat probíhá řízeným klouzavým přistáním.
Celková délka orbiteru je 37,24 m, výška je 17,25 m a rozpětí křídel 23,79 m. Jeho prázdná hmotnost je různá u jednotlivých exemplářů (Columbia byla nejtěžší) a pohybuje se kolem 90 tun. Trup stroje tvoří konstrukce z hliníkových slitin. Pro nejvíc mechanicky namáhané části je použita ocel a titanové slitiny. Skládá se ze tří hlavních konstrukčních částí:
přední část – dvoupodlažní kabina pro posádku; střední část – trup s nákladovým prostorem; zadní část – motorový prostor s motory SSME.
Přední část Přední část raketoplánu je 8,74 metrů dlouhá. Největší část zabírá kabina pro posádku, dále se zde nachází blok stabilizačních a manévrovacích motorů RCS a přední podvozková šachta. Přední část je vyrobena ze soustavy nýtovaných panelů, příček a žeber. Skládá se ze dvou základních částí – horní a dolní. Horní obsahuje 6 okének s tloušťkou 16 milimetrů vyrobených z taveného křemene. Odolávají teplotám až 480 °C z vnější strany a 426 °C z vnitřní.
V přední části je jako samostatný konstrukční díl vložena kabina pro posádku. Kabina má tvar komolého kužele orientovaného vrcholem dopředu. Její vnitřní objem je 71,5 metrů kubických. Kabina má vlastní systém okének, ze kterých šest odpovídá šesti okénkům v základní konstrukci. I vnitřní okna mají tloušťku 16 mm, jsou vyrobeny z temperovaného hlinito-křemičitého skla a jejich vnější povrch je pokrytý reflexní vrstvou odrážející škodlivé infračervené záření. Kabina pro posádku má navíc dvojici oken směřující nahoru, další dvojici namířenou do nákladového prostoru a jedno okénko ve vstupních dveřích do kabiny. Levé okénko na vrcholu kabiny může být v případě nouze pyrotechnicky odstřeleno a použito jako nouzový východ. Kabina pro posádku je k přední části raketoplánu přichycena jen ve čtyřech bodech, aby se snížil tepelný přenos z vnějšího prostředí. Z důvodů tepelné izolace je kabina pokryta také mylarovou izolací a pozlacenou fólií.
Samotná kabina pro posádku je rozdělena na tři paluby. Horní paluba se nazývá pilotní neboli letová a nachází se zde sedadlo velitele letu (vlevo) a pilota (vpravo). V této kabině jsou soustředěny všechny prvky řízení. Nad okny se například nacházejí palivoměry, vlevo od sedadla velitele jsou systémy podpory života (ventilace, tlak vzduchu, hladina kyslíku a dusíku, teplota vzduchu…), na stěnách a stropu jsou vypínače elektrických obvodů. Každý z pilotů má k dispozici ruční řízení pro rotační a translační manévry, pro ovládaní aerodynamické brzdy a pedálové řízení kormidel. Zařízení na manipulaci s užitečným zatížením je umístěno v zadní stěně pilotní paluby. Odtud je řízen celý raketoplán, vypouštění družic z nákladového prostoru a manipulátor RMS. Za sedadly pilotů jsou demontovatelná křesla pro další členy posádky. Přímo za sedadlem velitele je v podlaze průchod na střední neboli obytnou palubu.
Obytná paluba obsahuje na levé straně bočný průlez pro nástup a výstup posádky s průměrem 1 010 mm a hmotností 60 kg. Dveře průlezu je možno zvenku i zevnitř otevřít mechanicky, v případě nouze pyrotechnicky. Dveře jsou vyklápěny směrem dolů (za předpokladu, že je raketoplán na startovací rampě, je to doleva). Nad průlezem je důležitá část záchranného systému – teleskopická tyč. Vstupní průlez je také vybaven nafukovací skluzavkou podobně jako mají běžná dopravní letadla, aby při případném nouzovém přistání mohla posádka opustit raketoplán. Na pravé straně raketoplánu je menší nouzový průlez. Další průlez vede do nákladového prostoru raketoplánu. Slouží k vstupu do přechodové komory nebo do laboratoře v nákladovém prostoru. Přechodová komora bývá většinou instalovaná externě. Zadní stěna kabiny pro posádku je kvůli zjednodušení údržby ke kabině jen přišroubovaná, není tedy celistvá. náhled|vlevo|Atlantis přepravovaný na transportním letadle Shuttle Carrier Aircraft V obytné palubě se nachází čtyři kóje pro odpočinek astronautů. Kromě toho je vybavena sanitárním zařízením, záchodem (systém WCS), umyvadlem a kuchyňkou. Nacházejí se tu také skříňky na uložení potravin, osobních věcí astronautů, manuálů, vědeckého vybavení apod. Za příčkou v přední části obytné paluby je umístěna většina řídící elektroniky včetně pěti palubních počítačů. Řízení systémů raketoplánu zajišťuje pět hlavních palubních počítačů typu IBM AP-101S (původně AP-101) s výkonem více než 1 milion operací za sekundu a s operační pamětí 256K 32bitových slov. Po dobu kritických fází letu jako je vzlet a přistání, jsou čtyři počítače propojeny a navzájem se kontrolují. Pátý, vybavený jednodušším programovým vybavením, slouží jako záloha.
Pod podlahou obytné paluby se nachází spodní, neboli technická paluba. Je tu klimatizační zařízení a systémy podpory života. Do této paluby není běžně přístup, posádka se tam může dostat jen po demontování podlahových panelů v obytné palubě. Systém podpory života, odborně nazývaný ECLSS () má dvě části: Systém sloužící podpoře a udržování atmosféry a systém tepelné regulace.
Navigační systém využívá zejména tři inerciální plošiny IMU (), které zásobují palubní počítače informacemi o aktuální orientaci družicového stupně v prostoru a o negravitačních zrychleních (např. způsobených prací motorů). Na jejich nastavování slouží automatické i manuální zaměřovače hvězd. Negravitační zrychlení měří též další souprava čtyř lineárních akcelerometrů. V průběhu setkávacích manévrů se používá na stanovení vzdálenosti družicového stupně od cíle a určení relativní rychlosti palubní radiolokátor. Pro navigaci v závěru přistání slouží přijímač systému TACAN. V posledním době se zkušebně používá navigační systém GPS. Vlastní pilotáž letu zajišťuje prostřednictvím hlavních počítačů autopilot, který může také přebírat příkazy pilotů z ručních ovládacích prvků, umístěných na letové palubě.
Komunikační systém pracuje v pásmech Ku (15,25 až 17,25 GHz) a S (1,7 až 2,4 GHz). Většina spojení s řídícím střediskem je zprostředkovaná přes družice systému TDRSS (), umístěných na geostacionární dráze. V prvních přibližně 4 minutách letu může systém pracující v pásmu S komunikovat s pozemní stanicí na kosmodromu přímo. Pro spojení s Mezinárodní kosmickou stanicí v její blízkosti nebo se členy posádky, pracujícími ve skafandrech v otevřeném prostoru, se používá systém pracující v pásmu UKV (243 až 300 MHz). Tento systém slouží také jako záložní pro spojení s pozemními stanicemi.
Před kabinou pro posádku se nachází blok manévrovacích motorů RCS a podvozková šachta. Tato šachta může pojmout až 610 kg přídavné zátěže, používané u některých misí z důvodu lehčího ovládání stroje.
Střední část Trup s nákladovým prostorem o rozměrech 18,3 × 5,2 × 4,0 m je tvořen celkově dvanácti přepážkami z horizontálních a vertikálních dílů, přičemž v místech připojení křídel jsou pro zvýšení bezpečnosti ještě výztuže ve tvaru T. V trupu je umístěn nákladový prostor, uzavíratelný dvoukřídlovými dveřmi, na jejichž vnitřní straně jsou radiátory klimatizačního systému. Tyto radiátory prostřednictvím glykolového okruhu odvádějí zevnitř družicového stupně odpadové teplo. Aby mohly správně fungovat, musí být dveře do nákladového prostoru ve vesmíru otevřené. Přední dva panely se po otevření dveří navíc odklopí od dveří o 35,5 stupně. Dveře jsou vyrobeny z materiálu na bázi uhlíku a epoxidu s jádrem z nomexu. Každá ze dvou částí dveří je k nákladovému prostoru přichycená pomocí 13 závěsů. náhled|vpravo|Orbiter Discovery po přistání na Kennedyho vesmírném středisku V trupu se kromě jiného nachází dálkový manipulátor RMS (), nazývaný též manipulační rameno, tři palivové baterie s výkonem 3 × 7 kW (v maximu 3 × 12 kW) a čtyři nádrže s kyslíkem a čtyři nádrže s vodíkem potřebným pro jejich provoz. Nachází se tu též veškerý užitečný náklad. Může to být jedna či víc družic, sondy, moduly pro vesmírnou stanici (Mir, ISS), zásobovací kontejnery nebo vesmírná laboratoř. Starší typ vesmírné laboratoře je evropský Spacelab, od letu STS-57 až po let STS-107 se používal novější Spacehab. Bývá tu také nainstalovaná přechodová komora sloužící k přechodu do otevřeného vesmíru. Náklad se přichytává v nákladovém prostoru pomocí 124 úchytných šroubů. V podpalubí nákladového prostoru jsou hned za přední částí po levé a pravé straně umístěny baterie PRSD () na kapalný kyslík a vodík, které dodávají raketoplánu elektrickou energii. Do elektrorozvodné sítě raketoplánu je dodávána elektřina o napětí 28 voltů. Nádrže na kapalný vodík a kyslík jsou kulovitého tvaru a jejich počet se mění dle potřeb konkrétní mise. Při procesu výroby elektrického proudu vzniká jako užitečný odpad voda.
Zadní část Zadní část orbitru se nazývá motorová sekce. Je 5,48 metru dlouhá, 6,7 metru široká a 6,09 metru vysoká. V této části jsou tři turbočerpadla APU () hydraulického systému na ovládaní motorů SSME a aerodynamických řídících ploch. Hydraulický systém APU má výkon 100 kW.
V motorovém prostoru se nacházejí tři kyslíkovodíkové motory SSME (), které jsou dominantou celého raketoplánu. Vyrobila je americká společnost Rocketdyne. Jejich nominální tah ve vakuu je 3 × 2,1 MN. Dodávku pohonných látek do spalovacích komor těchto motorů zajišťují turbočerpadla, přičemž část kapalného vodíku je nejdříve vedena stěnami expanzních trysek, které jsou tak ochlazovány. Díky tomuto způsobu chlazení teplota povrchu spalovací komory nepřekročí hodnotu 567 °C. Palivo je dodávané z externí palivové nádrže ET. Při jednom startu pracují motory nepřetržitě 520 sekund, celková záloha životnosti je nejméně 28 600 s, to je 7 1/2 hodiny provozu do generální prohlídky. Po každém letu raketoplánu jsou motory odstraněny a poslány na kontrolu. Při absolvování povinné údržby může být motor použit až 55krát. Výrobní cena jednoho exempláře SSME přesahuje 40 milionů dolarů. náhled|vlevo|Pohled na obrovské motory raketoplánu SSME Raketové motory raketoplánu pracují při extrémních rozdílech teploty. Kapalný vodík je skladován při teplotě -253 °C. Při spalování s kapalným kyslíkem ve spalovací komoře dosahuje teplota hodnoty 3 300 °C, tedy teploty vyšší, než je teplota varu železa.
Všechny tři motory jsou uloženy výkyvně a jejich vychylováním hydraulickými ovladači je řízen směr letu raketoplánu po dobu jeho vzletu na oběžnou dráhu. Tyto motory jsou používány jen při startu. Po oddělení hlavní nádrže ET už nejsou připojeny na přívod paliva a na oběžné dráze nemají žádnou funkci.
Pod motorovým prostorem je umístěn trupový elevon. Nad motorovým prostorem po stranách kýlové plochy s kormidly a aerodynamickou brzdou jsou připevněny dva moduly manévrovacích motorů OMS (), každý s jedním motorem OME s tahem 26,7 kN. Motory OME se používají na konečné navedení raketoplánu na oběžnou dráhu nebo na začátek přistávacího manévru. Jsou výklopné a každá jednotka OMS má hmotnost 117 kg. Kromě motorů OME nese blok OMS ještě 12 řídících motorů RCS () s tahem 3,87 kN. Jako pohonné látky pro OMS a RCS slouží monometylhydrazin a oxid dusičitý. Palivové nádrže pro OME mají maximální kapacitu 3 345 kg oxidu dusičitého a 2 028 kg okysličovadla, motory RCS a FRCS mají k dispozici nejvýše 659 kg okysličovadla a 416 kg paliva. Další modul RCS, blok FRCS, se 14 motory s tahem 3,87 kN a dvěma motory s tahem 111 N je zabudován vpředu, před prostorem pro posádku. Celkový počet raketových motorů v raketoplánu je 49 a dělí se na 4 různé typy.