20世纪80年代，就在初代航天飞机刚刚筹备首次飞行时，美国NASA就已经开始考虑更先进的二代航天飞机方案了。这件模型，是得克萨斯州休斯顿的NASA约翰逊航天中心（JSC）先进项目办公室推出的二代航天飞机概念模型。工程师们取消了初代航天飞机两个巨大的固体助推器，改为两个液体助推器，安装在机翼外侧上表面；一次性外部燃料箱得到保留，但从一个改为两个，装在机翼上表面内侧，这样机翼上方就出现了4个圆柱形的附加物：严格地说它们都是燃料箱，但是内容物不同。外侧两个燃料箱携带碳氢燃料和液氧，专供轨道器尾部两台附加发动机（可抛弃）使用；内侧两个燃料箱携带液氢液氧，专供航天飞机主发动机使用。

发射瞬间，单台空间运输主发动机（STME）与两台附加发动机（空间运输助推发动机/STBE）同时点火。主发动机以液氢液氧为燃料，两台助推发动机使用碳氢燃料与液氧，以液氢作为发动机冷却介质。三台发动机总推力比初代航天飞机3台主发动机高出约30%。升空后，飞行速度达到每秒2000—3000米时，翼上外侧两台助推发动机及其专用燃料箱分离脱落。助推发动机分离后通过降落伞溅落回收复用。此后轨道器完全由主发动机推进。主发动机关机后，主翼内侧两个燃料储箱也随即抛离。

新方案大幅度增加复合材料用量：初代航天飞机轨道器空重约85吨，约翰逊版二代航天飞机空重仅50至75吨。轨道器主翼做了大幅度修改，翼尖加装小翼，取代原版单一垂直尾翼；安装全新设计的轨道机动系统（OMS）发动机，液氢、液氧推进剂储存于机翼内置保温储箱中。

最大的改进是乘员舱，工程师们为轨道器设计了整体可分离式座舱，发生灾难性故障时可以整体从轨道器分离，变为具有独立飞行能力的逃生舱；轨道器最前方的鸭式小翼会和乘员舱一道分离，分离后充当逃生舱的飞行翼。这个逃生舱不仅可以在发射上升阶段或返航阶段使用，在轨道上也可以使用：在轨分离后，这个可容纳11名航天员的逃生舱可提供24小时的生存环境，再入大气层后最终依靠可伸缩滑橇降落地面。风洞试验表明，这个逃生舱在各种险情中气动表现没那么优秀，工程师们特地提出为它增加充气式或可伸缩气动结构，确保它让逃生舱在高超声速、超声速、亚声速区间均可稳定可控飞行。工程师们显然考虑得更远，既然轨道器有紧急分离逃生舱，那么它完全可以作为空间站成员的应急救援艇（CERV），紧急时刻可用于空间站人员撤离。

初代航天飞机载荷舱采用上方双开门，新方案轨道器载荷舱则采用了新奇的开舱方式：轨道器整个尾部向下翻折，让圆筒状载荷舱完全敞开，载荷舱内置特定托架，用来携带和释放载荷。

据说二代航天飞机原本打算在20世纪90年代初进行飞行测试，不过最终事实证明这也仅仅是计划而已。这款未来版航天飞机构想其实不错，虽然仍然有体量过大和再入环境恶劣等挑战，但还是值得继续研究；然而当时NASA一方面要维持初代航天飞机运营，一方面筹建国际空间站，没有足够的预算资源继续推进未来版航天飞机。到了20世纪90年代，NASA对外宣称航天飞机至少服役至2010年；2001年甚至曾提出延长服役至2030年——结果2003年“哥伦比亚”号惨烈事故彻底终结了所有延长航天飞机服役寿命的企图。2011年航天飞机全面退役时，当年所谓新一代航天飞机，依旧遥遥无期。