哥伦比亚号再次执行轨道试飞
1981年11月12日至14日，指令长乔·亨利·恩格尔与驾驶员理查德·特鲁利驾驶“哥伦比亚”号执行STS-2。这是航天飞机计划第二次轨道飞行试验，也是同一架哥伦比亚号经过整修后的第二次太空飞行，重点检验重复使用、在轨系统和返回操作。
美国国家航空航天局（NASA）在本次任务中增加了遥控机械臂试验及地球观测载荷。约翰逊航天中心的任务评估团队负责轨道器分系统分析，德莱登飞行研究机构处理再入飞行数据；喷气推进实验室（JPL）及合作研究人员则承担成像雷达的操作和科学解释。
延迟后发射与故障缩短航程
原拟11月4日进行的发射在倒计时31秒附近暂停。检查发现两台辅助动力装置的润滑油压力异常，地面决定清洗油路并更换过滤器。重新准备后，哥伦比亚号于11月12日世界时约15时10分从佛罗里达肯尼迪航天中心39A发射台起飞。
任务原计划持续约5天4小时，但1号燃料电池在入轨后出现异常。起飞后约4小时45分，其输出性能突然下降；乘员随后将它从电力母线移除并关闭，剩余两台电池继续满足供电需要。地面按照预先制定的最低任务方案，把飞行缩短为约54小时，重新安排试验顺序。
机械臂控制模式的在轨检验
遥控机械臂系统（RMS）的高优先级试验包括控制模式、操作性能及控制动力学。两名乘员分别操纵机械臂脱离和返回支架，使末端接近抓取装置，检验它对指令的响应。试验包含单关节、直接控制和人工增强等模式，以及位置保持功能。
工程人员把实际关节运动速度、末端位置及速度限制与飞前模拟数据比较，认为主要性能接近预测。备用模式测试发生异常，因此备用方式下的回收归位没有继续进行。此次任务完成的是在轨控制试验，机械臂用于运输和处理载荷的能力随后还需在其他任务中扩展。
参考：[1]
遥感载荷取得的资料
OSTA-1载荷用于观测陆地、海洋及大气，其中航天飞机成像雷达A（SIR-A）是一种合成孔径雷达，由查尔斯·埃拉奇担任首席研究员，J. B.奇米诺协调科学实验。研究目标是比较不同地质构造的雷达特征，并验证航天飞机作为科学观测平台的工作条件。
虽然任务缩短，雷达仍取得近八小时的数据，覆盖约一千万平方公里，影像分辨率略优于40米。操作团队实时修改采集策略，由约翰逊航天中心的载荷控制人员上传指令。1982年的正式实验报告列举了埃及南部沙层下古河道影像，以及热带多云地区和海洋现象的观测，展示雷达资料对光学影像的补充。
参考：[3]
再入机动与安全着陆
11月14日，哥伦比亚号在世界时20时23分左右执行离轨点火，约半小时后进入规定的再入高度界面。飞行中安排俯仰、滚转、偏航脉冲等机动，用于识别轨道器的气动性能和稳定控制特性，使第二次试飞取得不同于首飞的工程数据。
同日世界时21时23分，主起落架接触爱德华兹空军基地23号跑道，约50秒后飞机停止滑跑，从发射到接地历时约54小时13分钟。着陆结束了载人飞行，实验资料的处理则继续进行：JPL人员取出雷达胶片运回实验室，至1982年3月底完成全部采集数据的处理，并送交科学数据中心。
缩短任务后的成果与限制
轨道器任务报告指出，超过九成的高优先级飞行试验得到完成。燃料电池失效后，供电和任务安排能够重新配置，但它同时影响产水，给饮水、进食和休息安排带来压力。医疗团队认为，两天飞行中尚可承受的工作节奏不适合直接延续到更长任务，因而准备了额外的调整方案。
再入分析也留下数据缺口。气动系数识别仪器包（ACIP）的记录器失效，研究人员转用分辨率较低的计算机资料，并结合惯性测量与光学跟踪数据估算性能。专门设计的机动扩大了试验内容，记录器问题却降低了部分分析精度。德莱登的初步报告认为，两方面作用相抵后，所得资料的总体质量与STS-1相近。