Через 126 секунд после подъема на высоте 45 км боковые
ускорители отцепляются от системы. Дальнейший подъем производится
маршевыми двигателями шаттла, питание которых осуществляется
внешним топливным баком. Они заканчивают свою работу, когда корабль
достигает скорости 7,8 км/с на высоте более 105 км еще до полной
выработки топлива. Через 30 секунд после остановки работы
двигателей внешний топливный бак отделяется.
После 90 с после отделения бака дается разгонный импульс
довыведения на орбиту в момент, когда корабль достигает апогея
движения по баллистической траектории. Требующийся доразгон
производится кратковременным включением двигателей системы
орбитального маневрирования. В особых случаях для выполнения этой
задачи использовалось два последовательных включения двигателей на
разгон (первый импульс увеличивал высоту апогея, второй формировал
круговую орбиту). Данный профиль полета позволяет избежать сброса
бака на той же орбите, что и сам шаттл. Бак падает, двигаясь по
баллистической траектории в Индийский океан. В том случае, если
импульс довыведения не удастся произвести, корабль способен
совершить одновитковый маршрут по очень низкой траектории и
вернуться на базу.
На любом из этапов полета предусмотрено аварийное прекращение
полета с использованием соответствующих процедур.
После того как низкая опорная орбита уже сформирована (круговая
орбита с высотой около 250 км), осуществляется сброс остатков
топлива из маршевых двигателей и вакуумирование их топливных
магистралей. Корабль обретает свою осевую ориентацию. Створки
грузового отсека раскрываются, производя терморегулирование
корабля. Системы корабля приводятся в конфигурацию орбитального
полета.
Посадка состоит из нескольких этапов. Первый – это выдача
тормозного импульса на сход с орбиты, примерно за половину витка до
места посадки, шаттл в это время летит вперед в перевернутом
положении. Двигатели орбитального маневрирования в это время
работают примерно 3 минуты. Характеристическая скорость шаттла,
отнимаемая от орбитальной скорости шаттла – 322 км/ч. Данного
торможения достаточно для того, чтобы перигей орбиты оказался в
пределах атмосферы. Далее производится разворот по тангажу,
принимая необходимую ориентацию для входа в атмосферу. При
вхождении в атмосферу корабль входит в нее с углом атаки порядка
40°. Сохраняя данный угол тангажа, корабль выполняет несколько
S-образных маневров с креном 70°, эффективно сбавляя скорость в
верхних слоях атмосферы (в том числе с задачей минимизации
подъемной силы крыла, нежелательной на данном этапе). Астронавты
испытывают максимальную перегрузку в 1.5g. После сбавления основной
части орбитальной скорости корабль продолжает снижение как тяжелый
планер с невысоким аэродинамическим качеством, постепенно сбавляя
тангаж. Вертикальная скорость шаттла на этапе снижения составляет
50 м/с. Угол посадочной глиссады тоже весьма велик – около 17–19°.
На высоте порядка 500 м производится выравнивание корабля и
производится выпуск шасси. В момент касания полосы скорость
насчитывает порядка 350 км/ч, после чего производится торможение и
выпускается тормозной парашют.