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运载火箭
人类要进入太空首先要解决运载工具问题。大气层以外基本上是真空，运载工具必须自带氧化剂，因此运载火箭（液体或固体）都自带燃料和氧化剂，统称推进剂，这是与飞机的最大的不同点。
火箭推进原理
火箭是靠火箭发动机向前推进的。火箭发动机点火之后，推进剂（包括液体或固体燃烧剂和氧化剂）在发动机的燃烧室里燃烧，产生大量高压燃气，高压燃气从发动机喷管高速喷出，从而产生对火箭的反作用力，就使火箭沿燃气喷射的反方向前进。
世界各国的航天技术大都首先用于军事和国防。前苏联（后来俄罗斯）和美国虽然很早就研究火箭，但只是处于理论和试验阶段，而纳粹德国出于二战中军事需要，首先大规模生产和使用V…2导弹，在技术上遥遥领先。二战结束后，美、苏两国纷纷赶到佩内明德工厂抢人、抢设备和V…2导弹实物。美国把布劳恩和他属下的科学家都抢回美国。苏联也抢到一批专家和技术。此后美、苏两国的火箭技术都是从V…2导弹的基础上发展起来的。
在冷战时期美苏两个超级大国展开的航天军备竞赛，推动了航天技术的飞速发展。导弹由近程发展到洲际导弹，进而在洲际导弹的基础上把卫星和人送上天。
1954年在全世界召开地球物理学国际会议上提出1957～1958年为“国际地球物理年”；建议在此期间发射人造地球卫星。这个建议激起美苏两国展开了“看谁先能把第一颗人造卫星送上天”的竞赛。美国想抢先在1957年9月用先锋号运载火箭发射一颗非常小的卫星。结果因在发射台上爆炸而失败了。与此同时苏联用刚研制成功的P…7洲际导弹于1957年10月4日把世界上第一颗人造卫星伴侣一号送入太空。仅接着一个月后苏联又发射一颗生物卫星把小狗“莱伊卡”送上天。在这个回合苏联战胜了美国。
接着第二个回合的较量是看谁“先把人送入太空”。结果苏联先于1961年4月12日用东方号运载火箭把加加林送上天围绕地球飞行一圈，使他成为第一个进入太空的人。而美国在1962年2月20日才把格伦送入环球飞行轨道。在这个回合中，美国又输给了苏联。
第三个回合的竞赛是人类登月。1961年美国总统肯尼迪宣布十年之内将把美国人送上月球，再返回地球。这就是历时11年耗资255亿美元的“阿波罗”计划。在60年代美苏两霸都对登月作了大量的准备工作，如研制超大型火箭；发射月球探测器，拍摄月球正反面，在月球上软着陆；并用载人飞船做空间医学研究；机动飞行和航天器的交会对接等。1969年7月16日美国用土星Ⅴ运载火箭把阿波罗…11飞船送上月球，登月舱在月球的静海地区实现软着陆。当宇航员阿姆斯特郎的脚踏上月面的一刻，他说“对一个人来说这是一小步，对整个人类来说这是巨大的一步。”美国终于在人类登月与苏联的竞赛中取得了胜利。
随着固体火箭技术逐渐成熟，对武器系统来说使用固体推进剂更为方便。不用花时间加注，而且体积小便于机动发射，增加了武器的生存能力。因此，七、八十年代以来战略战术导弹转向固体化，而航天器的运载工具仍继续采用液体火箭。于是导弹武器与运载火箭两者逐渐分道扬镳了。
世界各国典型的运载火箭
（1）大力神（Titan）系列运载火箭
美国大力神运载火箭系列由大力神2洲际导弹发展而来，1964年首次发射，曾将双子星座载人飞船送入太空。该系列由大力神…2、大力神…3、大力神…34、大力神…4和商用大力神…3等型号和子系列组成，目前正在使用的是大力神…2和大力神…4。大力神…2用来用来发射电子情报卫星、军事气象卫星等载荷。大力神…4分为4A型和4B型两种，目前使用的是4B型，主要用于发射太阳同步轨道或地球静止轨道大型军用卫星、民用卫星和载人飞船。它的最大近地轨道运载能力为，地球同步转移轨道运载能力为。
（2）宇宙神（Atlas）系列运载火箭
美国宇宙神系列运载火箭系列于1958年12月18日首次发射，曾经发射过世界第一颗通信卫星、美国第一艘载人飞船等，迄今为止该系列共发展了17种型号。目前正在使用的主要有宇宙神…2A、宇宙神…2AS和宇宙神…3。宇宙神…3是向宇宙神…5过渡的一个子系列，分为3A型和3B型，其地球同步转移轨道运载能力分别为和。宇宙神…3A于2000年5月24日成功地进行了首次发射。宇宙神…3的最大特点是采用了俄罗斯设计的新型RD180大推力液氧／煤油发动机。这种发动机还将用于正在研制的宇宙神…5上。研制中的宇宙神…5将分为多个型号，在第一级采用了通用模块化设计，其中的重型火箭使用了3个通用模块，地球同步转移轨道运载能力达到13 t。
（3）德尔它（Delta）系列运载火箭
美国德尔它系列运载火箭系列于1960年5月13日首次发射，迄今为止已发展了19种型号，目前正在使用的是德尔它…2和德尔它…3两种型号。德尔它…2为三级运载火箭，包括6925型和7925型两个型号，根据需要也可使用两级配置（6920型和7920型）。它捆绑9台固体火箭助推器。7925型地球同步转移轨道运载能力为18 t。德尔它…2于1989年投人使用，用于低地轨道、地球同步转移轨道卫星和空间探测器发射任务，美国空军的全部GPS卫星都是由德尔它…2发射的。德尔它…3是在德尔它…2的基础上研制的大型运载火箭，可以把的有效载荷送人地球同步转移轨道。它采用了新型低温推进剂上面级，加大了9台捆绑固体火箭助推器的尺寸。德尔它…3于2000年8月发射成功。正在研制的是具有多种配置的德尔它…4子系列将有5个型号，其中重型德尔它…4的地球同步转移轨道运载能力在13 t以上。
（4）东方号（Vostok）系列运载火箭
俄罗斯东方号系列运载火箭是世界上第一种载人航天运载火箭，它是在卫星号运载火箭的基础上改进而成的。它创造了多次“世界第一”：发射了第一颗人造卫星，第一颗月球探测器，第一颗金星探测器，第一颗火星探测器，第一艘载人飞船，第一艘无人载货飞船“进步号”等。它也是世界上发射次数最多的运载火箭系列。其中联盟号是东方号的一个子系列，联盟号又分为二级型和三级型两种，主要发射联盟号载人飞船、进步号载货飞船、照相侦察卫星、地球资源卫星和生物卫星等。
（5）土星V（Saturn）系列运载火箭
土星号运载火箭是美国专为载人登月的阿波罗工程而研制的巨型运载火箭。其中土星…5的起飞重量为3000吨，近地轨道能力达139吨，直径10m，高110m，它能把重达50吨的阿波罗飞船送入登月轨道，曾先后将12名航天员送上月球。。
（6）质子号（Proton）系列运载火箭
俄罗斯质子号系列运载火箭分为二级型、三级型和四级型3种型号。目前正在使用的有质子号三级型和四级型两种。三级型质子号于1968年11月16日首次发射，其低地轨道运载能力达到20 t，它是世界上第一种发射空间站用的运载火箭，曾用于发射礼炮l～7号空间站、和平号空间站各舱段和其他大型低地轨道有效载荷。1998年11月20日，它发射了国际空间站的第一个舱段。四级型质子号具有一箭三星的能力，于1967年3月10日首次发射，用于发射地球静止轨道卫星、空间探测器以及大型侦察卫星和导航卫星。
（7）天顶号（Zenit）系列运载火箭
天顶号系列运载火箭是前苏联（后为乌克兰）研制的运载火箭，分为两级的天顶…2、三级的天顶…3和用于海上发射的天顶…3SL。天顶…2的低地轨道能力约为14t，太阳同步轨道能力为约为11t。天顶…3的地球同步轨道能力为。可在海上发射的天顶…3SL是美国、乌克兰、俄罗斯、挪威联合研制的运载火箭，其地球同步轨道能力为2 t，1999年3月首次发射成功。
（8）能源号（Energia）运载火箭
能源号运载火箭是前苏联/俄罗斯研制的目前世界起飞质量和推力最大的火箭。其近地轨道运载能力105 t，既可发射大型无人载荷，也可用于发射载人航天飞机。1987年首次发射成功，曾将苏联航天飞机暴风雪号成功地送上天。目前由于俄经济状态不佳就再也没有发射过。
（9）阿里安（Ariane）系列运载系列火箭
阿里安火箭是由欧洲11个国家组成的欧空局研制的系列运载火箭，该系列已有阿里安l…5共5个型号或子系列，目前正在使用的是阿里安…4和阿里安…5。阿里安…4于1982年开始研制，1988年6月15日进行了首次发射。根据捆绑助推器数量和类型的不同，阿里安…4又分为6个型号，近地轨道能力为，地球同步转移轨道运载能力从到不等。阿里安…5于1987年开始研制，阿里安…5于1997年发射基本成功，近地轨道为22 t，地球同步转移轨道能力为。目前阿里安…5正在进行改进，在2005年底之前将逐步把地球同步转移轨道运载能力从目前的提高到11…12 t。
（10）H系列运载火箭
日本H系列运载火箭由H…1、H…2、H…2A等火箭组成，目前正在使用的H系列火箭只有H…2A，在2001年8月首次发射成功。目前正在研制H…2A子系列火箭，分别是H…2A202、H…2A2022、H…2A2024、H…2A212、H…2A222四个型号。
（11）极轨卫星火箭（PSLV）
印度自行研制的极轨道4级运载火箭的太阳同步轨道能力为1t，低地轨道能力为3t。1993年9月首次发射，但由于火箭出现故障，卫星未能入轨。此后，该火箭连续三次发射成功，1999年5月，一箭三星技术又取得成功。
中国运载火箭的发展
到目前为止我国共研制了12种不同类型的长征系列火箭，能发射近地轨道、地球静止轨道和太阳同步轨道的卫星。
从1970到2000年30年间我国发射长征系列火箭共计66次，成功60次，6次失败或部分失败，发射成功率为90％强。在1994…1996年间曾一度几次发射失败，使我国在国际卫星发射界声誉处于低谷。航天总公司经过一系列质量整顿后终于打了个翻身仗。自1996年10月到目前已连续24次发射成功，这在世界卫星发射界也是不多见的。
在我国运载火箭的发展初期，探空火箭的研制占有重要的地位，尽管它是结构简单的无控火箭，但却是新中国成立后的第一枚真正的火箭。从1958年开始，我国陆续研制出包括生物、气象、地球物理、空间科学试验等多种类型的探空火箭。
（1）长征一号（LM…1）系列运载火箭
1970年4月24日中国使用长征一号（LM…1）运载火箭发射了第一颗人造卫星“东方红一号”，它是在一个两级中远程导弹上再加一个三级固体火箭所组成，火箭全长米，起飞总重吨，起飞推力为1040千牛。
（2）长征二号（LM…2）系列运载火箭
长征二号（LM…2）运载火箭是从洲际导弹的基础发展而来的，并于1975年用它发射了一吨多重近地轨道返回式卫星，成功的回收了返回舱。此后，又根据发射卫星的需要，陆续衍生出长征二号丙（LM…2C）、长征二号丙改进型（LM…2C/SD）和发射极轨卫星的长征二号丁（LM…2D）运载火箭，其中（加图LM…2C、LM…2C/SD、LM…2D《航天》P88）在长征火箭大家族中，长征二号系列主要用于发射各类近地轨道卫星。
1986年初美国“挑战者”号航天飞机爆炸，因此航天飞机停飞，美国用了很长时间分析和处理故障，其后美国停止用航天飞机发射一般商业卫星。趁此时机，我国仅用了18个月就研制成功长征二号E（又称长二捆）（LM…E）运载火箭，可以用于发射原来准备用美国航天飞机发射的商用卫星。长征二号E火箭是以长征二号为芯级周围捆绑四个液体助推器。它的近地轨道运载能力高达吨。1990年试射成功。从1992年到1995年曾发多颗外国卫星。
为满足我国发射“神舟”飞船的要求，保证航天员的安全；又在长征二号E的基础上改进了可靠性并增设了故障检测系统和逃逸救生系统发展成为长征二号F（LM…F）运载火箭；专门用来发射神舟飞船。
由于长征二号火箭质量和可靠性非常高，从1975至1996年连续成功地把17颗返回式卫星送上天；这使长征二号运载火箭在国际卫星发射市场上有非常好的可靠性声誉，同时也使我国继美国、前苏联之后成为第三个能掌握卫星返回技术的国家。
（3）长征三号（LM…3）系列运载火箭
长征三号运载火箭是在长征二号二级火箭上面加了一个以液氢，液氧为推进剂的第三级，所用的液氢液氧发动机可以两次启动，在技术上是当时国际先进水平，使我国成为世界上第三个掌握高能低温推进剂技术的国家，成为第二个掌握在高空、低重力条件下发动机两次点火的国家，是我国火箭技术发展的一个重要里程碑。1984年用它成功地发射了我国第一颗试验地球同步通信广播卫星“东方红二号”卫星，1985年中国宣布进入国际商业卫星发射市场。1990年我国首次用长征三号运载火箭将美国休斯公司制造的“亚洲一号”卫星送入地球同步轨道。
此后，长征三号系列不断增加新成员，如长征三号甲（LM…3A）、长征三号乙（LM…3B），主要用于发射地球静止轨道卫星。
长征三号甲运载火箭是在长征三号的基础上研制的大型火箭，它的氢氧发动机具有更大的推力，性能也得到很大的提高，地球同步转移轨道运载能力也从长征三号的吨提高到吨。
长征三号乙运载火箭是在长征三号甲和长二捆的基础上研制的，即以长征三号甲为芯级，再捆绑4个与长二捆类似的液体助推器。主要用于发射地球同步转移轨道的大型卫星，也可进行轻型卫星的一箭多星发射或发射其他轨道的卫星，其的地球同步转移轨道能力达到吨，跃入了世界大型火箭行列。
（4）长征四号（LM…4）系列运载火箭
长征四号运载火箭于1982年被确定为发射风云一号太阳同步轨道气象卫星的运载工具。经过改进设计，目前投入使用的是长征四号乙运载火箭，它是长征火箭家族中用于发射太阳同步轨道和极轨道各种应用卫星的主要运载工具。
航天器和空间应用系统
在地球大气层以外的宇宙空间，执行探索、开发或利用太空及天体等特定任务的飞行器，称为航天器。它基本上是受天体引力的作用，按照天体力学的规律运行。航天器种类繁多，分为无人航天器（人造地球卫星、空间探测器）和载人航天器（载人飞船、空间站、航天飞机、无人飞船）两类。如下图所示。
人造地球卫星
自上世纪50年代以来，人类已先后发射了约5000多个人造航天器，其中绝大部分是人造地球卫星。我国自在1970年发射了第一颗人造地球卫星东方红一号，卫星质量超过了苏联、美国、法国和日本第一颗人造地球卫星的总和，这说明我国卫星技术的起步水平高。
（1）通信卫星系统
通信卫星具有通信距离远、容量大、信号质量好、可靠性高和机动灵活等优点，因此在远距离通信、数据网络、电视教育、数据采信、电子邮件、政府行政管理、应急救灾、远程医疗、航海通信、个人移动电话等各种领域都得到了广泛的应用。
一颗在赤道上定点同步卫星可覆盖地球表面40％强。数颗同步通信卫星和地面站即可组成全球卫星通信系统。目前全世界约有近300颗同步通信卫星为200多个国家和地区提供80％的国际通信业务。已形成每年数百亿美元最大的航天产业。例如国际通信卫星组织已发展到第八代在轨的卫星有17颗。国际通信卫星8号载有44台转发器。具有可控C频段点波束，可提供3个电视频道和112500路邮字话音。
近年来出现了近地轨道移动通信卫星星座，如“铱星”是共有66颗卫星组成的星座。在技术上非常先进，但话费太贵（3美元/分钟）。结果“铱星”公司破产了。但这个趋势仍在发展。美国正在研究在太空建立全球宽带互联网。Teledesic星座将拥有280颗星。
（2）对地观测卫星
对地观测卫星种类很多，如资源卫星、气象卫星、海洋卫星、侦察卫星等。星上装有各类遥感设备（如相机、辐射计、雷达等），收集来自地球的陆地、海洋、大气层各种波长的电磁波辐射信息。然后对获取的信息进行分析，以识别物质的性质和状态。这种观测具有视野广阔，不受地理位置和国界的限制，可以迅速获取大面积、甚至全球性动态变化的信息。空间遥感在几天内完成的工作量如果用航空遥感需几个月，用人工勘测需几年，甚至不可能完成。空间对地观测的宏观性和及时性使许多领域发生了革命性的变化。
（3）导航卫星
导航卫星不受天气影响的限制，可以为卫星、飞机、导弹、船舶、车辆、人员进行导航。导航卫星网由数颗卫星组成，也称为导航卫星星座，具有全球和近地空间的覆盖能力。
导弹卫星按导航方式不同可分为测速和测距卫星，根据卫星运行轨道的高度可分为低轨道、中高轨道和地球同步轨道导航卫星。在低轨道上，一般用4…5颗多谱勒测速导航卫星组成空间导航卫星星座，保证全球用户能在约1小时利用卫星重新定位一次。在中高轨道和地球同步轨道上，一般用十几颗到二十几颗组成导弹星座，保证全球任何地方或近地空间的用户在任何时间都能同时看到6颗以上的卫星，从中选择4颗进行连续定位、定时。
目前世界使用最多的全球卫星导航定位系统是美国的GPS系统（加图LZP白皮书）。它采用时间测距定位原理。可对地面、海上、飞机、导弹、卫星和飞船各种用户进行全天侯，实时高精度三维定位测速和精确授时。
GPS系统是由24颗星分布在6个轨道面上组成的星座。轨道高度20000公里。卫星上装有10…13高精确度的原子钟。地面上有一个主控站和多个监控站，定期地对星座的卫星进行精确的位置和时间测定，并向卫星发出星历信息，用户用GPS接收机，同时接收四个以上卫星的信号即可确定自身所在的经纬度和高度及精确时间。
GPS系统军用定位精度
俄国也有类似的系统，叫GLONASS系统，但由于俄经济困难，且卫星寿命短，星座不能保持足够数目，影响其正常功能。
欧洲的伽利略系统也属于导航卫星星座，可能将在最近几年发射升空。
（4）我国的人造地球卫星的发展
截止2001