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19世纪末20世纪初，美国科学家戈达德和其他几位专家奠定了现代火箭技术的基础，并发射了第一枚液体燃料火箭。第二次世界大战后，苏联和美国等相继研制出包括洲际弹道导弹在内的各种火箭。
1957年10月4日，苏联发射了第一颗人造地球卫星，宣告人类进入航天飞行时代。时隔3年半，苏联便实现了首次载人航天。
1961年4月12日，莫斯科时间9点7分，随着主持航天计划的总设计师科罗廖夫的一声令下，加挂了5个助推器的三级运载火箭载着“东方1”号载人飞船飞向了太空。火箭一级一级地接替工作，载人飞船不断加速，当第三级火箭点火后，载人飞船的速度已提高到了第一宇宙速度，即约7.9千米/秒。
图8 液体燃料火箭
图9 人类第一颗人造地球卫星
图10 三级火箭的结构
图11 进入太空第一人——尤里·加加林
图12 “东方”号系列飞船
9点21分，“东方1”号载人飞船第一次把人类送入太空，这位航天英雄的名字叫尤里·加加林。
9点58分，莫斯科广播电台播放了加加林正在地球轨道上飞行的消息，并开始不断地报道飞船进展的有关消息，整个世界为之震惊，苏联举国欢庆。
加加林在地球轨道上飞行了108分钟，这其中的每一分钟都凝结了几千年来人类关于太空的所有幻想，凝结了几百年来所有航天科技工作者的辛勤汗水。
图13 “东方”号飞船内部仪表盘
为了打破苏联的航天优势，1961年5月25日，美国总统肯尼迪批准了航空航天局的“阿波罗”登月计划，并在国会上表示美国将在10年内将人送上月球。美国用了8年多的时间，于1969年7月21日实现了人类首次登月。它是世界航天史上具有划时代意义的一项成就。从此，人类探索太空的旅程翻开了新的一页。
图14 “阿波罗”登月舱内部
图15 俄罗斯“联盟TMA7”载人飞船
图16 我国天宫一号目标飞行器模型
图17 天宫一号目标飞行器结构
图18 俄罗斯新一代宇宙飞船的内部图
图19 俄罗斯新一代宇宙飞船的数字化仪表显示
自1961年4月12日加加林首次进入太空至今，人类载人航天已有50多年的历史。在此期间，人类已发射了3种载人航天器——载人飞船、空间站和航天飞机。
载人飞船是一种用火箭发射到地球轨道上作短期飞行，在完成特定任务后再返回地面的载人航天器，一般为一次性使用。
俄罗斯（苏联）至今已发展了三代载人飞船：第一代是“东方”号飞船；第二代是“上升”号飞船；第三代是“联盟”号飞船。美国的载人飞船也经历了三代：第一代是“水星”号飞船；第二代是“双子星座”号飞船；“阿波罗”号登月飞船是第三代。
载人空间站：载人空间站是一种在近地轨道长时间运行，可供多名航天员在其中生活、工作和巡访的载人航天器，在空间站中有供人生活的一切设施。其结构特点是体积较大，在轨飞行时间较长，能开展的太空科研项目多而广，并能与不同用途的舱段对接。空间站一般不再返回地球。
航天飞机：航天飞机属于短期在太空飞行的载人航天器。苏联曾在1988年后试飞过无人驾驶的“暴风雪”号航天飞机。美国制造出的实用型航天飞机有5架，按首次进入太空时间排序分别为“哥伦比亚”号、“挑战者”号、“发现”号、“亚特兰蒂斯”号和“奋进”号。
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“联盟”号是苏联研制的第三代载人飞船，是苏联在积累了多年经验之后开发出来的一种最成熟的载人飞船。与之相对应的载人航天计划称为“联盟计划”。
“双子星座”号为美国第二代载人飞船，从1965年3月到1966年11月共进行10次载人飞行，主要目的是在轨道上进行机动飞行、交会、对接和航天员试作舱外活动等。它重约3.2～3.8吨，最大直径3米，由座舱和设备舱两个舱段组成。
图20 苏联“和平”号空间站
图21 苏联“和平”号空间站内景
图22 中国未来空间站设想图
图23 美国“哥伦比亚”号航天飞机
图24 美国“哥伦比亚”号航天飞机驾驶舱
“哥伦比亚”号航天飞机是美国第一架正式服役的航天飞机，于1981年4月12日首次发射。它能装运36吨重的货物，整个组合装置重约2 000吨，在滑行中还能向左右两侧作机动飞行。
美国“发现”号是美国第三架实际执行太空飞行任务的航天飞机，负责进行各种科学研究与作为国际太空站计划的支援。
中国从20世纪60年代开始研制运载火箭。现已形成了包括长征一号、长征二号、长征三号、长征四号、长征五号、长征七号等系列多种型号，具有发射从低轨到高轨、不同质量与用途的各种航天器、载人飞船和月球探测器的能力，并正在研制新一代火箭系列。长征一号是为发射中国第一颗人造卫星研制的三级运载火箭，于1970年4月24日发射卫星获得圆满成功。
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航空是指利用飞机、飞艇等常见的航空器在地球大气层中进行的航行活动。航天是指在地球大气层以外的宇宙空间进行的航行活动。人造卫星的飞行属于航天，因为它在地球大气层以外，在人类的控制下完成各种任务。
图25 美国“发现”号航天飞机
图26 美国“发现”号航天飞机驾驶舱内部
图27 中国长征一号三级运载火箭
图28 中国长征系列运载火箭
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了解牛顿的读者朋友一定听过他和苹果的故事。一天，牛顿正坐在一棵苹果树下思考问题，突然脑袋被重重地砸了一下。牛顿跳起来想抓住捣鬼的人，可看了半天，周围哪有人啊。这时他一眼瞥见离他不远的地上有一个大苹果。他上前把苹果捡起来，突然产生了一个疑问：苹果为什么会向下落，而不会向上飞？别小看这个疑问，它引导了一个伟大定律的诞生。顺着这个问题思索，最后牛顿终于发现在任何物体之间都存在着相互的吸引力，吸引力的大小遵循一定的规律。牛顿把它总结出来，于是就有了“万有引力定律”。
图29 牛顿与苹果的故事
因为万有引力的存在，所以我们向天上扔一块石头，不管你用多大劲，最终它还是要落到地面。我们也有这样的经验，用的力量越大，石块飞得越高和越远。问题已经明朗了，要离开地面，就要克服地球引力。但如何才能克服地球引力呢？要使一个物体离开地球，必须沿着地球引力相反的方向（即向上）对它加力，使它作加速运动，当达到一定速度时停止加力，它就能以惯性一直向前脱离地球。
进一步设想，如果我们使石块的速度再加大，当达到一定的程度会怎样呢？这时奇迹就发生了，石块将不再落到地面上，而是围绕地球飞行。我们可将这个围绕地球飞行的物体称为地球卫星。
为什么会产生这种情况呢？这是因为当运动物体受到一个固定指向某一个点的力时，就会被迫绕该点旋转，这个力称为向心力，其反作用力有时会被称为离心力。随着速度加快，迫使物体围绕某点旋转的向心力就会越来越大。
杂技演员在表演水流星节目时，就是利用这个原理。首先在一根绳子的两端固定两个碗，碗里装满水。我们都知道，在静止情况下，如碗口朝下，那么水一定会洒出来，但当演员把绳子转动起来，达到一定速度的时候，转动的碗会受到绳子拉力的束缚而开始围绕演员的手旋转。绳子被拉直，此时绳子的拉力就提供了向心力，而碗里的水在向心力的作用下紧紧贴在碗底，即使碗口朝下，也不会洒出来。
图30 杂技水流星节目及其原理示意
图31 向心力示意图
图32 离心力示意图
图33 三个宇宙速度示意图
也就是说，转动的速度使碗和水企图飞向远方，但是由于绳子的拉力所提供的向心力使它们只能改变方向旋转而无法飞走。因此，绳子松不掉，水也洒不出来。
卫星围绕地球转动和水流星的例子很相似。绕着地球旋转，具有一定速度的卫星好像那个碗，想要飞离地球，而地球的引力好像一根无形的绳子拉住卫星，使它不能逃离地球的吸引。这样一来，卫星既不能飞离地球，也不会被地球吸引落到地面，它只能围绕地球不停地转动。
图34 第一宇宙速度下的圆形轨道
当物体以三种不同的速度运行时，就会相应出现环绕地球运行、脱离地球进入太阳系和飞出太阳系的不同现象。这三种不同的速度就是著名的三个宇宙速度。
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第一宇宙速度，也称为环绕速度，大约为7.9千米/秒（不考虑大气影响）。在物体达到或超过该速度时，它所产生的离心力正好与地球对它的引力相等，它就能够围绕地球不停地运转，从而成为地球的卫星。
第二宇宙速度，也称为脱离速度，大约为11.2千米/秒（不考虑大气影响）。在物体达到或超过该速度时，它就能脱离地球引力的束缚，成为太阳系的一颗行星。在摆脱地球束缚的过程中，物体在地球引力的作用下并不是直线飞离地球，而是按抛物线飞行。
第三宇宙速度，也称为逃逸速度，大约为16.7千米/秒（不考虑大气影响）。在物体达到或超过该速度时，它就能摆脱太阳引力的束缚飞出太阳系，到其他星系去了。在摆脱太阳引力束缚的过程中，物体在太阳引力的作用下将按双曲线轨迹飞离地球，而相对太阳来说它将沿抛物线飞离太阳。