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人类的活动范围是随着自身实践能力的提高不断拓展的。自从1957年世界上第一颗人造地球卫星发射升空，开辟了人类进入太空的新纪元以来，人类的活动区域便从陆地、海洋和大气层空间迈向了外层空间，并实现了对月球的近旁飞越、环绕乃至登月的创举，取得了对近地空间的探索、开发和利用等重大成果。
在人类足迹进入太空之前，太空一直是安静的、神秘的。天空中闪烁的星星，变成了人们持续关注的对象，它们到底是什么？是吉凶的象征？是天神和魔鬼？中国神话如嫦娥奔月、敦煌飞天、牛郎织女、孙悟空大闹天宫、哪吒闹海等故事中各路神仙腾云驾雾，古希腊神话中的伊卡洛斯用蜡和羽毛为自己制作能飞翔的翅膀，古罗马神话中的墨丘利那带翅的帽子和飞行鞋及阿拉伯神话中的波斯飞毯，这些神话都描绘了人们在太空自由飞行的情景，反映出自古以来人类对飞天的遐想与期望。一些大胆的人们还想上天去看看，虽然都以失败告终，但太空的神秘一直激发着人们的好奇心，直到有一天，人们在不懈的探索中终于找到了通往太空的“钥匙”，冲破了地球引力的束缚，飞向了天际。
中国是世界文明的发源地之一，古代中国人民为了实现飞上蓝天的梦想，凭着他们的勤劳和智慧，发明了风筝、火箭、孔明灯、竹蜻蜓等能飞的器械。而这些能飞的器械就是现代飞行器的始祖或雏形。美国国家航空航天博物馆中陈列着世界上最早的飞行器——中国的风筝，旁边的说明牌上醒目地写着：“世界上最早的飞行器是中国的风筝和火箭。”
风筝又名风鸢、木鸢、纸鸢或鹞子，是一种玩具。追寻风筝的起源，可上溯到两千多年前的春秋战国时期，由于战争的需要，古人以鸟为形、以木为料，制成可在空中飞行的木鸢。据《韩非子·外储说左上》记载：“墨子为木鸢，三年而成，蜚一日而败。”另据《鸿书》记载，鲁班也曾制作过木鸢，曰：“公输班制木鸢以窥宋城。”
在中国古代，木鸢一直是战争时通信和侦探的重要工具，并能带上火药用作战争进攻的武器。相传公元前202年，楚汉相争时期，韩信曾做风筝，让张良乘坐而“楚歌云上”，楚军因思乡厌战而亡，这就是成语“四面楚歌”的故事。而宋朝高承在《事物纪原》中说韩信曾利用风筝测量距离，明代的《古今事物考》中也记载了韩信用风筝测量未央宫下面地道的距离一事，是风筝最早用来为军事服务的记载。唐宋时期，由于造纸业的出现，风筝改由纸糊，很快传入民间，成为人们休闲娱乐的玩具。公元7世纪风筝开始传入朝鲜，8世纪传入日本，十三四世纪传入欧洲，以后又传入美洲和世界其他地方。
中国也是发明火药和火箭的国家。火箭一词最早出现在我国三国时期，当时的“火箭”只是箭杆前端绑有易燃物，点燃后由弓弩射出的普通箭，不是真正意义上靠喷气推进的火箭。到东晋时期，随着火药的出现，火药代替了易燃物，“火箭”迅速应用于军事和娱乐活动中。
真正靠火药燃烧产生气体喷射推进的火箭雏形是出现于南宋孝宗年间的炮仗和烟火。其中的“起火”是在一根细竹竿上捆一个药筒，点燃时能一飞冲天的一种烟火，战时可用作信号，平时用于庆祝喜事。“起火”的前端加一个箭头，尾端装上箭羽，便成了真正意义上靠喷气推进的火箭。这种火箭在明代茅元仪编著的《武备志》中有记载。这种原始火箭虽然远不如现代火箭那样复杂，但已经具备战斗部（箭头）、推进系统（药筒）、稳定系统（尾羽）和箭体结构（箭杆），是现代火箭的雏形。到元、明时期，“起火”已在民间流行，火箭武器也在军事应用中得到发展，出现了原始的“捆绑”“多级火箭”和“回收”技术。类似喷气飞机的“神火飞鸦”、有两级推进的“火龙出水”（图1.1）和能自控返回的“飞空砂筒”，这些几百年前的武器可以认为是现代导弹和航天器的始祖。
图1.1 中国古代的火箭
世界上第一个试图乘火箭上天的开拓者是中国的“万户”。据记载，万户是浙江金华人，原名陶广义，后被朱元璋赐名“成道”，万户是他的官职名。万户熟读诗书，却因热爱科学不爱官位而不去投考功名。一次炼丹中发生的爆炸事件，引发了他研究火器的兴趣。后来，万户终于试制出火器，并成为明朝开国功臣，朱元璋封他为“万户”。晚年，万户想利用这两种具有巨大推力的物体将人送上蓝天，去亲眼观察高空的景象。为了实现飞天梦想，他把自己捆绑在椅子上，在座椅的背后装上47枚当时所能买到的最大的火箭，两只手各拿一个大风筝（图1.2）。万户让人同时点燃47枚火箭，其目的是借着火箭向前推进的动力，加上风筝的上升力量及平衡作用飞向天空。喷着火焰的“飞鸟”带着万户离开山头冲向半空，然而不久，火光消失，“飞鸟”翻滚着摔在山脚之下，万户也因此丧生。
这次实验虽然以失败告终，万户却由此成为古代中国乃至世界为航天事业献身的第一人。万户惊人的胆略和非凡的预见，为后人进入太空打开了思路。万户的实验是人类火箭飞行的初次尝试，得到现代国际社会的承认和赞扬，称他为“试图利用火箭作为交通工具的第一人”。万户的名字被美国科学家用来命名月球上的一座环形山，以表彰他的这一业绩。
图1.2 万户飞天绘画
航天思想萌芽于古代人们对太空的向往，但是科学地论证克服地球引力场的条件，只有在经典力学，特别是天体力学的基础上才能做到。随着近代天文学的发展和天体力学的创立，航天活动开始得到理论的指导。
16世纪，波兰天文学家哥白尼创立了日心说，改变了当时人们对宇宙的认识。之后，天文学家第谷·布拉赫通过大量天文观测获得了有关行星运动的丰富资料。约翰尼斯·开普勒对第谷·布拉赫的观测资料用数学方法进行了分析计算和研究，发现了行星运动三定律，为经典天文学奠定了基石。1609年，伽利略用自制的望远镜观察星空，使人类对太空的认识实现一个飞跃。伽利略还发现了自由落体定律和惯性原理，为经典力学的发展做出了贡献。1673年，荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯从单摆和圆周运动的实验中得出向心力定律。艾萨克·牛顿根据运动的现象研究自然界的力，在1687年发表了他的不朽著作《自然哲学的数学原理》。他在这本书中提出了万有引力定律和三大运动定律，创立了天体力学，使人们得以从动力学的角度来研究天体的力学运动。经典力学，特别是天体力学是航天先驱们寻求克服地球引力而进入太空的途径的理论基础。
掌握了天体运行规律后，人们认识到，要想进行星际航行，就必须获得足够高的飞行速度。为了指导航天活动，为了获取星际航行的速度，许多航天先驱们着手进行基本理论研究和工程的实践，做出了重大贡献。这些先驱者中最著名的有康士坦丁·齐奥尔科夫斯基、罗伯特·戈达德和赫尔曼·奥伯特等人，如图1.3所示。
图1.3 近代航天先驱者
俄国科学家康士坦丁·齐奥尔科夫斯基（1857—1935年）是现代航天和火箭理论的奠基人。他研究了星际航行的运载工具，最早明确阐明了利用反作用装置作为太空飞行推进动力的思想，指明火箭是实现星际航行的理想工具。他以动量守恒来研究火箭运动，从理论上证明了火箭可以在无大气环境下产生动力实现航天飞行，并于1897年推导出了被誉为“宇宙航行第一公式”的火箭运动方程式。他还首先提出利用多级火箭可以获得第一宇宙速度，能够将人造地球卫星送上太空。他在后续的论文和著作中，确定了液体火箭发动机是航天器最适合的动力装置，为运载火箭的发展指出了方向；研究了卫星轨道和开发太空的设想，提出了为实现星际航行必须设置空间站的设想，以及航天器在地面起飞、在星际空间飞行和在没有大气层的星球表面着陆的条件。齐奥尔科夫斯基所建立的航天学理论基础指导着航天活动的实践。
罗伯特·戈达德（R.H.Goddart，1882—1945年）被尊称为“美国火箭之父”，他研究和阐述了宇宙航行学的理论和基本数学原理，提出了将火箭发射到月球的方案。他进行了火箭工作性能的实验，首先通过实验证明了火箭能在真空中工作，解答了当时许多人的疑虑。他研究了火箭发动机燃烧室和喷管形状对热效率的影响，得出火药火箭比液体燃料火箭效率低的结论，并着手研制液体火箭。1926年3月16日，戈达德进行了世界上第一枚液体火箭的发射试验，并取得了成功，成为液体燃料火箭创始人。1932年，他首次利用陀螺控制燃气舵操纵火箭飞行。1935年，他制造的火箭的飞行速度超过了声速，射程达到70km。戈达德的贡献是将航天理论与火箭技术结合起来，使火箭进入实际的研制阶段。他不断地改进火箭，最终使火箭达到了可观的高度和速度。他的成就启发和鼓舞了20世纪30年代一大批火箭研制者。
出生在罗马尼亚的德国籍物理、数学教授赫尔曼·奥伯特（1894—1989年）是德国火箭研制工作的发起者，他的经典理论著作《飞往星际空间的火箭》和《通向航天之路》论述了摆脱地球引力和载人飞向太空的原理，在德国建立了火箭和宇宙航行学的基本理论。他的著作引起了公众很大的反响，激发了许多青年的兴趣。1927年，德国创立星际航行协会，奥伯特担任会长。该协会成为航天人才基地，团结了一批欧洲航天爱好者，开展了液体火箭的研制和试验，进行了宇宙飞船的研究。通过交流与火箭研制活动，使布劳恩、瓦利尔、内贝尔等一批著名航天专家得到了锻炼和成长。1938年，奥伯特在维也纳工程学院开始从事固体火箭研究，并于1940年加入德国国籍。1941年，奥伯特参与了“V-2”火箭的研制工作。他的贡献主要在理论方面，对早期火箭技术和航天学的发展有较大的影响。
20世纪20年代中期，齐奥尔科夫斯基等航天先驱者提出的理论和取得的非凡成就已逐渐被世人所知，并且在一定程度上得到了承认。在这些先驱者的卓越思想和伟大著作的影响和激励下，欧洲和美国等许多地区和国家都有不少热血青年自发组织起来，成立了有关火箭研究和太空飞行的研究协会或组织，使液体火箭得到了很大发展。可以说，从航天学理论创立到20世纪40年代达到德国液体火箭这一技术高峰的过程中，二三十年代的火箭研究组织是其中极其重要的承上启下的环节。
德国星际航行协会创始人是温克勒（J.Winkler）和法利尔（M.Valier）。该协会于1927年6月5日成立，参加首次会议的只有12人，会议推举温克勒担任主席。会议确定协会的宗旨是：验证并应用奥伯特的理论，进行火箭与太空飞行的理论和试验研究。由于他们的最终目标是研制宇宙飞船，因此把座右铭定为“宇宙飞船万岁”。该协会还决定创办刊物《火箭》。为了扩大影响并在公众中宣传航天思想，该协会决定编辑出版一本介绍太空飞行知识的著作《太空飞行的可能性》。该书出版后得到热烈反响，吸引了一批年轻人加入协会，其中就有当时只有19岁，还在柏林工业大学学习的冯·布劳恩。
德国星际航行协会成立初期，经费筹措比较困难，所做的工作也很分散。为了尽早研制、发射一枚液体火箭，他们计划先从研制小火箭开始并取得了初步的成功。之后，他们决定研制新的液体火箭，取名“推进器”。该火箭取得了极大成功，也使协会名声远扬。德国星际航行协会在成立之初的5年内，做了大量开拓性的努力，共举办了23次火箭和太空飞行展览，进行了270次火箭发动机点火试验和87次火箭发射试验。
美国火箭协会的发起人大多是职业作家或业余作家，这批人有一个共同的爱好，就是都喜欢阅读和创作科学幻想小说。1930年4月4日，在哈罗尔德论坛报记者爱德华·彭德利（E.Pendray）纽约的家中，12个人聚集在一起，发起成立了美国星际航行协会，后来更名为美国火箭协会。在成立大会上，《幻想故事》杂志的编辑戴维·拉舍（D.Lasser）被选为协会的第一任主席。1930年7月，该协会正式出版了刊物《会志》，后来改名为《航天学》，接着又改名为《美国火箭协会杂志》，最终演变成了《喷气推进》。
美国火箭协会成立了一个委员会，开展第一枚液体火箭的研制工作。彭德利和佩尔斯负责第一枚火箭的设计，并按照美国火箭协会的缩写命名为“ARS1号”。在“ARS4号”火箭取得成功后，协会决定将火箭和发动机研制工作分开，优先开展发动机和试验台的研制。与此同时，美国火箭协会其他成员分别进行火箭结构设计、冷却、火箭运动理论以及火箭应用方面的广泛研究。1936年，埃弗里科诺（A.Alfricano）基于协会所进行的大量研究和试验，设计了一枚高空火箭。这项设计为他和协会赢得了第二届REP-Hirsch航天学大奖，使美国火箭协会在世界范围内确立起了自己的地位。
苏联在20世纪二三十年代，也有几个火箭及太空飞行研究组织，包括1924年成立的星际交通协会、1925年成立的“乌克兰太空研究协会”等。1928年6月，列宁格勒气体动力学实验室开始研制助推火箭；1929年4月，该实验室成立第二分部，开始研究液体火箭发动机和电火箭发动机；1931年，又有两个研究小组成立，一是莫斯科喷气推进研究小组，二是列宁格勒喷气推进研究小组；1932年4月，莫斯科反作用研究小组创建了实验火箭工厂，并于1933年成功研制了苏联第一枚全液体火箭“GIRD-X号”。
为便于统一领导，莫斯科喷气推进研究小组和列宁格勒喷气推进研究小组与气体动力学实验室于1933年10月31日联合起来，成立喷气推进科学研究所，原气体动力学实验室主任、军事工程师克莱门诺夫被任命为研究所所长，科罗廖夫担任副所长。20世纪30年代后期，喷气推进科学研究所在火箭研究设计方面也取得了一定成绩。从1929年到1945年，苏联的火箭技术在各方面都取得了重大突破，特别重要的是，这一时期涌现出了一大批火箭专家，包括格鲁什科、科罗廖夫、吉洪拉沃夫等，他们为苏联发展火箭、导弹和航天技术做出了巨大贡献。
从20世纪20年代到第二次世界大战之前的一段时间，欧洲各国、美国以及苏联涌现出了一大批火箭专家，而且他们在火箭技术方面都取得了重大的突破性成果，无论从理论上还是实践上都为人类制造火箭并最终克服地球引力做好了准备。然而世界各国当时并没有认识到火箭的价值，除了德国，美国、英国、法国和苏联都没有研制出实用的火箭武器。
从20世纪20年代末开始，德国陆军炮兵局抽调专人研究火箭的未来发展潜力和用于现代战争的可能性。刚刚取得工程硕土学位的年轻军官瓦尔特·罗伯特·多恩伯格（W.R.Dornberger，1895—1980年）上尉被指派负责具体研究工作。1932年年底，多恩伯格火箭研究小组的框架基本搭成，在冯·布劳恩（Wernher Von Braun，1912—1977年）的主持下开始研制A系列液体火箭。其中，1942年10月取得飞行成功的“A-4”火箭代表了A系列火箭的最高水平，推力高达约260kN，利用陀螺平台与石墨燃气舵和气动舵组成的系统，实现了火箭飞行的制导和控制。“A-4”火箭的成功是火箭及航天史上具有重要意义的事件，多恩伯格在庆祝会上激动地说：“我们利用火箭进入了太空，并且首次利用太空为地球上的两点架起了桥梁；我们证明了利用火箭原理进行太空飞行是切实可行的，这在科学技术史上有着非凡的意义。除了陆地交通、海洋交通和空中交通外，现在还可以加上无限广阔的宇宙空间作为未来洲际航行的一个中介。这是宇宙航行新纪元的曙光。今天，1942年10月3日，是人类旅行乃至太空飞行新时代的第一天。”
“A-4”火箭后改名为“V-2”火箭，如图1.4所示。纳粹德国将其用于袭击英国本土，先后向伦敦发射了约3000枚火箭，造成了英国巨大的人员和建筑物损失，引起了很大的恐慌，充分显示了火箭武器的威力。“V-2”火箭从工程上实现了航天先驱的技术设想，标志着现代大型火箭技术取得了突破，成为向地球引力挑战的工具，是航天史的一个重要里程碑。
图1.4 德国的“V-2”火箭及其设计者冯·布劳恩
火箭技术、电子学及半导体器件的进展，为发射卫星创造了条件。科学界尤其是地球物理学界的迫切需求，也催促着政府尽早发射卫星。实际上，更为迫切的需求和起主要促进作用的是苏美两国都想抢先发射卫星，占据太空竞赛的领先地位。
20世纪四五十年代，美国和苏联都正式做出研制和发射人造卫星的决定，但在计划的具体执行上，美苏两国采取的路线却是完全不同的。苏联将运载火箭和洲际导弹通盘考虑、并行发展，从而大大加快了研制进度。美国则把人造卫星计划与洲际导弹研制截然分开。
1955年，苏联成立“人造地球卫星委员会”，负责人造卫星和运载火箭的研制，由科罗廖夫担任运载火箭的总设计师。
1957年8月21日，世界上第一枚洲际弹道导弹“P-7”成功进行了全程发射实验，射程达到了8000km。这次成功发射具有两个意义：一是苏联抢在美国之前（提前6个月）成功发射了洲际导弹，这使全世界东西两大阵营的军事力量对比发生了某种深远的变化，也在某种程度上提高了社会主义阵营的国际地位；二是为苏联率先跨入太空时代奠定了坚实的技术基础。
苏联宇航科学家米哈伊尔·克拉夫基耶维奇·吉洪拉沃夫（1900—1974年）提出了论证人造地球卫星的可行性和必要性的建议，他在《关于人造地球卫星》的报告中，充分论证了利用二级火箭可以达到第一宇宙速度并可用于发射人造卫星。受此启发，科罗廖夫认为导弹稍加改进就可以作为发射卫星的运载火箭。1955年6月25日在提交给苏联科学院的报告中，科罗廖夫指出，“利用火箭飞行器实现超远距离和无限高度的超高空飞行，在原理上是可行的。目前，制造人造地球卫星和进行载人高空飞行研究星际空间的火箭飞船日趋接近现实”。1956年1月30日，苏联政府正式做出在1957—1958年研制人造地球卫星（以下统称人造卫星）的决定，并于2月开始制定卫星的技术要求。
为了发射人造卫星和达到第一宇宙速度的要求，科罗廖夫及其“卫星小组”对“P-7”导弹进行了改进，主要是取消了武器有效载荷，改装后的运载火箭被定名为“卫星号”运载火箭。此时，苏联已先后完成了地面测控网和位于哈萨克斯坦拜科努尔航天发射场的建设。
1957年10月4日，“卫星号”运载火箭携带世界上第一颗人造卫星“斯普特尼克1号”在拜科努尔航天发射场发射成功，进入近地点228.5km、远地点946.1km、轨道倾角65 ◦ 、周期96.2min的椭圆形轨道。该人造卫星在轨道上共运行了92天，绕地球飞行约1400圈，于1958年1月4日再入大气层时烧毁。如图1.5（a）所示，“斯普特尼克1号”卫星外形为球形，直径0.58m，质量83.6kg，安装了4根长约2m的天线。这颗人造卫星在技术上进行了星内温度压力试验、高空大气密度测量和电离层研究，并探测出几百千米高空的空气阻力。但同它的科学研究成果相比，它的政治影响和对科学技术发展的影响则更加深远。
图1.5 苏联与美国先后发射的首颗人造卫星
美国虽然制定了人造卫星发展规划，但由于提出人造卫星计划的单位有多个，一时难以取舍。几个大型火箭、人造卫星计划并存，多家单位互不相让，各行其是。第一个计划是以冯·布劳恩为首的陆军弹道导弹局和海军研究实验室于1954年联合提出的“轨道器”计划，采用的火箭是由“丘比特”中程导弹改装的。1955年春，海军研究实验室“海盗”探空火箭计划小组提出了一个“先锋”计划。空军有关单位也提出了用“宇宙神”导弹改装成运载火箭发射人造卫星的计划。航空喷气工程公司和洛克希德·马丁公司（简称马丁公司）也提出了各自的人造卫星计划。
1955年9月9日，经过权衡，美国国防部批准了海军研究实验室的“先锋”计划。虽然“先锋”计划小组及各承包公司在接下来的几年来一直都在不懈地努力，但由于这是一项十分庞大的工程，原方案又被多次修改，因此需要解决许多新的技术问题，加上美国公众的强烈反响和对美国人造卫星的期盼，致使“先锋”计划无法按正常的科学程序进行。当苏联成功发射第一颗人造卫星后，“先锋”号运载火箭还未进行过完整的试验。
1957年10月25日，美国国防部终于批准恢复原本已经取消的“轨道器”计划。在冯·布劳恩的主持下，于1958年1月31日用“朱诺1号”四级运载火箭将美国的第一颗卫星“探险者1号”送入轨道。如图1.5（b）所示，“探险者1号”卫星很小，本体质量为4.8kg，与末级火箭连在一起后的质量为14kg。不过，这颗卫星首先发现了地球辐射带，即范·艾伦带，在科学探测上取得了重要成果。地球辐射带是人类认识近地太空环境的第一个伟大发现。“探险者1号”一直在轨道上运行了12年，直到1970年3月31日才坠毁。
苏联和美国先后研制和成功发射了各自的第一颗人造卫星后，航天技术开始朝着进一步深化和应用化方向发展。在不断推出新型运载火箭的同时，人造卫星在军用和民用方面的应用也越来越多。航天技术对社会的巨大影响正逐步显现出来，航天活动越来越引人注目，航天事业的地位日益得到巩固。
人类发射的各种应用卫星，利用相对于地面位置更高的优势，能够更全面、及时地获取人类赖以生存的地球及其周围环境的信息，更好地开发地表、海洋和天空的资源为人类服务，也更广泛地为军事服务。人类借助通信卫星，可以实现远距离、大容量传递和中继各类信息，实现了信息技术革命；借助气象卫星，可以更好地为气象预报服务；利用资源卫星，可以大大提高矿产资源勘探的效率；通过导航卫星，可以为地球上任何位置的用户提供定位服务。航天技术对社会、经济、文化、科技甚至军事产生了巨大影响。继苏联和美国进入航天时代后，其他一些国家包括第三世界国家也都纷纷根据自己的国情制订了各自的航天发展计划，并且取得了不同的成就。表1.1列出了早期各国自主发射的首颗卫星的相关信息。
表1.1 各国自主发射的首颗卫星的相关信息
从第一颗人造卫星进入太空开始，人类对太空的探索也在艰难而又坚定地开展着。人类建造了飞船和航天飞机，先后将200余名宇航员送入太空和空间站开展科学研究；人类的足迹已经登陆月球，正在向火星迈进；人类的探测器早已征服太阳系行星，正在也必将最终走向更远的太空深处。
载人航天是航天技术发展的一个新阶段。早在20世纪40年代末，人类就把一些生物装入探空火箭进行试验。20世纪50年代后期，人类发射了多颗携带动物的人造卫星，对生命保障系统、回收技术、遥测、遥控、通信技术等进行了全面试验。科学家对获得的太空环境数据加以处理后发现，过去对微流星的危害估计偏高，存在辐射带的太空也是有限的，从而肯定了人类进入太空的可行性。
第一颗人造卫星发射后，苏联和美国开始在太空探索方面展开激烈的角逐。1961年4月12日，苏联发射世界上第一艘“东方1号”宇宙飞船[图1.6（a）]，尤里·加加林少校[图1.6（b）]乘“东方1号”用时108min绕地球运行一圈后，于上午10时55分在萨拉托夫附近安全返回。他回到莫斯科时，受到成千上万群众的夹道欢迎。时任苏联总书记赫鲁晓夫亲自授予加加林列宁勋章。加加林成为世界上第一位进入太空的宇航员，他的这次太空之旅具有划时代的意义（1968年3月27日，加加林在飞行训练时因飞机失事遇难，年仅34岁）。
图1.6 第一位进入太空的宇航员与他乘坐的宇宙飞船
美国直到1962年2月20日才成功地进行了第一次载人航天飞行，宇航员约翰·格林在轨道上停留了近5h。即便如此，仍不能与不久后苏联宇航员季托夫在太空中飞行25小时11分的纪录相提并论。难能可贵的是36年之后，即1998年，已经77岁高龄的格林第二次飞向太空。他在美国“发现号”航天飞机上完成了长达9天的太空飞行。
1963年6月16日，苏联在国际妇女代表大会召开前夕把女宇航员瓦莲金娜·捷列什库娃送上太空。这在当时引起极大的轰动。人们称她为“穿裙子的宇航员”，苏联又摘取了一个“世界第一”。捷列什库娃当时26岁，在“东方六号”飞船上生活了72小时42分，绕地球飞行了72圈。
狭义的太空行走是指宇航员离开载人航天器乘员舱，只身进入太空的出舱活动；广义的太空行走包含航天员在月球以及行星等其他天体上完成各种任务的过程。太空行走是载人航天的一项关键技术，是人类在轨道上进行大型设备安装、科学实验、释放卫星、检查和维修航天器的重要手段。
1965年3月18日，苏联宇航员阿列克谢·列昂诺夫在“上升2号”飞船飞行期间，首次实现了离舱12min的太空行走。1965年6月3日，美国宇航员爱德华·怀特离开“格米尼4号”宇宙飞船，成为进行太空行走的第一个美国人。怀特在太空中行走了21min，并使用喷气装置使自己在太空中机动飞行。
1984年2月7日，美国“挑战者号”航天飞机宇航员麦坎德列斯和斯图尔特在不系安全索的情况下离开航天飞机实现太空行走，成为人类探索太空奥秘的第一批“人体地球卫星”。宇航员通过一种“载人机动装置”得以在太空中“自由飞翔”。
1984年7月17日，苏联女宇航员萨维茨卡娅和另一位男宇航员扎尼拜科夫一起走出“礼炮7号”空间站，进行了长达3小时35分的舱外活动（见图1.7），萨维茨卡娅成为世界上第一位在太空中行走的女性。
图1.7 苏联女宇航员萨维茨卡娅进行舱外活动
运载火箭将人造卫星、空间探测器、载人飞船、空间站等航天器送入轨道后，就被遗弃在太空直至坠入大气层焚毁，这是航天活动耗费巨大的一个重要原因。20世纪60年代各种航天器发射频繁，降低单位有效载荷的发射费用就显得日益重要。为了降低费用、提高效益，一些科学家提出了研制能多次使用的航天飞机的设想。美国、苏联、法国、日本、英国等国都曾对航天飞机的方案做过探索性研究工作。
1972年1月，美国政府批准航天飞机（见图1.8）为正式工程项目。1981年4月12日，美国航天飞机“哥伦比亚号”首次进行试验性飞行，从近地轨道将两颗通信卫星送入地球静止轨道。
图1.8 美国航天飞机
美国至今一共建造了6艘航天飞机（见表1.2）。其中，第一艘“企业号”为工程样机；正式投入飞行的第一艘航天飞机为“哥伦比亚号”，它多次完成在太空来回穿梭后，于2003年2月在返途降落时解体坠毁，机上7名宇航员全部遇难，“哥伦比亚号”悲壮收场；第二艘为“挑战者号”，在1986年1月第10次发射升空时爆炸坠毁，机上7名航天员全部遇难；2011年7月21日，“亚特兰蒂斯号”在佛罗里达州肯尼迪航天中心安全着陆，这标志着美国30年航天飞机时代宣告终结。
表1.2 美国航天飞机概况
苏联的航天飞机计划始于1976年，一是为了应对美国的航天飞机计划，二是为了本国空间站的运输。1988年11月15日，苏联的“暴风雪号”航天飞机研制成功，并进行了首次无人飞行试验。然而，由于1991年苏联解体，这次飞行是“暴风雪号”航天飞机的第一次飞行，也是最后一次飞行。
在太空建立适合人们长期生活和工作的基地既是航天先驱者的理想，也是进一步开发和利用太空的需要。随着航天技术的进步，人类开始建立可长期工作的空间站。在建立国际空间站之前，进入近地轨道的空间站有3种：美国的“天空实验室”、苏联的“礼炮号”空间站和欧洲航天局的“空间实验室”。
20世纪90年代，美、俄等国推出国际空间站项目，作为人类历史上规模最大、合作范围最广的航天项目，包括欧洲航天局和16个国家（美国、俄罗斯、日本、加拿大、巴西、比利时、丹麦、法国、德国、意大利、挪威、荷兰、西班牙、瑞典、瑞士、英国）参与其中。1998年11月20日，国际空间站第一个部件“曙光号”功能货舱发射升空开始部署，预计会运行至2024年。自从2000年11月2日至今，国际空间站上就保持至少两名人员工作。
国际空间站（International Space Station, ISS）是目前在轨运行的最大的空间平台，是一个拥有现代化科研设备，可开展大规模、多学科基础和应用科学研究的空间实验室，为在微重力环境下开展科学实验研究提供了大量实验载荷和资源，支持人在地球轨道长期驻留。国际空间站的主要功能是作为在微重力环境下的研究实验室，研究领域包括生物学、人类生物学、物理学、天文学、地理学等。
国际空间站总体设计采用桁架挂舱式结构，即以桁架为基本结构，增压舱和其他各种服务设施挂靠在桁架上，形成桁架挂舱式空间站（见图1.9）。大体上看，国际空间站可视为由两大部分立体交叉组合而成：一部分以俄罗斯的多功能舱为基础，通过对接舱段及节点舱，与俄罗斯服务舱、实验舱、生命保障舱、美国实验舱、日本实验舱、欧洲航天局的“哥伦布”轨道设施等对接，形成空间站的核心部分；另一部分在美国的桁架结构上，装有加拿大的遥操作机械臂服务系统和空间站舱外设备，在桁架的两端安装4对大型太阳能电池帆板。这两大部分垂直交叉构成“龙骨架”，不仅加强了国际空间站的刚度，而且有利于各分系统和科学实验设备、仪器工作性能的正常发挥，有利于航天员出舱装配与维修，等等。
图1.9 国际空间站
目前，国际空间站主要由美国国家航空航天局（NASA）、俄罗斯联邦航天集团（Roscos-mos）、欧洲航天局（ESA）、日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）和加拿大国家航天局（CSA）共同运营。
深空探测是指脱离地球引力场，进入太阳系和宇宙空间的探测。它主要有两方面的内容：一是太阳系各大行星的探测，二是太阳系外的探测。深空探测意义重大，它是在卫星和卫星应用取得重大成就的基础上，向更广阔的太空进行的探索。深空探测可以进一步解答地球的起源与演变、行星和太阳系究竟是如何形成和演化的、人类是不是宇宙中唯一的生命、地球的未来将如何等一系列问题，同时有利于人类积极开发和利用空间资源。
全世界进行过深空探测的国家和组织有美国、苏联/俄罗斯、欧洲航天局、日本、中国、印度及以色列。据统计，截至2019年年底，世界上主要航天大国和组织共发射了约250个空间探测器：其中月球探测活动最多，共发射了约136个探测器；实施火星探测任务44次，金星探测40次，发射太阳探测器15个，以及太阳系其他天体的探测约75次。
1959年，苏联以拍摄月球背面图像为目标，先后发射了3个月球探测器。第一个探测器从月球一侧约5000km处飞过，未发回信息，进入了太阳轨道。第二个探测器命中月球视面中心以北800km处，在即将撞击月球表面的瞬间向地球发回关于月球附近不存在强磁场和辐射带的信息。这是第一个到达地球以外其他天体的航天器。第三个探测器从月球之南7900km进入绕月飞行轨道，经过月球背面时拍摄到月球背面70%从未被人类见过的区域和30%可从地面看见的月面。探测器飞回地球时，轨道正处于地球北半球的上空，有利于苏联地球站跟踪和数据接收。探测器在回程中又将所拍摄的资料重复播送。地球站收到并整理出约30张关于月球背面的图像，月球背面的面貌第一次被揭开了。
1963—1976年是苏联实施月球考察计划的第二个阶段。在此期间苏联共发射了21个“月球号”探测器。最重要的成果是“月球16号”“月球20号”和“月球24号”，它们分别于1970年9月、1972年2月和1976年8月在月面软着陆并钻孔取样，将月球的土壤和岩石样品带回地球；“月球17号”和“月球21号”在1970年11月和1973年1月分别携带一辆重约1.8t的月球车在月面软着陆，由地面遥控月球车在月面自动行驶考察。两辆月球车分别行驶了10.5km和37km。
美国早期的月球探测器是“先驱者号”探测器，从1958年开始发射。前3个都因未达到预定速度而失败，第4个虽然发射成功，但时间上已晚于苏联，且在离月球很远处飞过，未发回重要信息。此后，美国把对月球探测的第二个阶段计划与“阿波罗”载人登月计划结合起来，执行了“徘徊者号”探测器、“勘测者号”探测器和“月球轨道环行器”计划。1969年7月16日9时32分，阿姆斯特朗、科林斯、奥尔德林3名航天员搭乘“阿波罗11号”飞船由“土星5号”火箭在肯尼迪航天中心发射；1969年7月20日，“阿波罗11号”飞船的登月舱降落在月球赤道附近的静海区，22时56分，航天员阿姆斯特朗走出登月舱，成功踏上月球，寂静的月亮上，出现了人类的第一个脚印，如图1.10所示。这是一次震惊全球的壮举，也是世界航天史上具有重大历史意义的成就。此后，“阿波罗12号”“阿波罗14号”“阿波罗15号”“阿波罗16号”“阿波罗17号”相继登月成功，对月球进行了广泛的考察。“阿波罗”工程集中体现了现代科学技术的水平，推动了航天技术的迅速发展。目前，只有美国进行过载人登月。
太阳系的内行星是指金星、火星、地球和水星。
在20世纪60年代，苏联多次发射金星探测器，但均无重要收获。1971年，苏联“金星7号”探测器的着陆舱在金星表面软着陆成功，此后相继发射“金星8号”至“金星16号”探测器，发回了一批金星全景遥测照片和测量数据。
美国在1962年8月26日发射“水手2号”金星探测器，探测器在距金星35000km的地方掠过，获得了关于金星的某些资料。当探测器经过金星时，科学家通过测量探测器因金星引力而产生的轨道偏差，首次准确地计算出金星的质量。在1978年金星大冲期间，美国又发射了“先驱者-金星1号”探测器和“先驱者-金星2号”探测器，在金星表面软着陆成功，对金星进行了综合考察。
图1.10 人类首次踏上月球的宇航员
人类对火星上可能存在生命这一猜想一直怀有希望。苏联在1962—1973年发射了7个“火星号”探测器，其中1个飞越火星，2个出了故障，2个软着陆失败，2个软着陆后不久通信中断。美国在1964—1975年共发射6个“水手号”探测器和2个“海盗号”探测器。前者拍摄了火星的照片，后者抛出着陆舱在火星表面软着陆。图1.11（a）所示为“海盗号”探测器拍摄的火星图片。
美国国家航空航天局的“好奇号”火星探测器于2011年11月26日23时02分发射成功，顺利进入飞往火星的轨道，2012年8月6日成功降落在火星表面，展开为期两年的火星探测任务。它是美国第7个火星着陆探测器，也是第1辆采用核动力驱动的火星车，其使命是探寻火星上的生命元素。
水星是太阳系内距太阳最近的行星，要想从地球上观测到水星，只有在它接近地平线处才有可能。美国于1973年发射的“水手10号”探测器在距水星690km处发回水星表面状态的信息。“水手10号”发回的水星照片十分清晰，可分辨约150m大小的物体[图1.11（b）]。测得的数据表明水星表面很像月球，布满大大小小的环形山，有很稀薄的大气，大气压力小于2×10 -11 Pa，昼夜温差极大，根据2008年5月的测量结果，最高地表温度为634.5℃，最低地表温度为-86℃。
太阳系的外行星是指木星、土星、天王星和海王星。外行星探测是从20世纪70年代初开始的。首先，它比内行星探测的距离远，探测器飞行时间往往长达数年，必须有大功率无线电发射机和大的发射天线才能使发回的信号在到达地球表面时仍有一定的强度。其次，在离太阳遥远的空间已不可能利用太阳能电池，只能用核电源。至今已经有6个探测器探访过木星，有4个探测器探访过土星。
图1.11 内行星探测器拍摄的火星与水星照片
美国于1972年3月发射了第一个探测外行星的“先驱者10号”探测器。1973年12月，这个探测器飞近木星，向地球发回300张中等分辨率的木星照片，然后利用木星的引力场加速飞向土星，再利用土星的引力场加速飞行，折向海王星，1983年飞过海王星的轨道。美国于1973年4月发射的“先驱者11号”探测器在1974年12月经过木星，1979年9月在距土星34000km处掠过，拍摄了土星的照片，发回有关土星光环成分的资料。
美国于1989年10月发射升空的以伽利略命名的探测器是专程发往木星的探测器，对木星及其卫星进行探测，研究木星大气和磁场以及木星卫星的组成和物理状态。“伽利略号”探测器到达木星后，在近8年的时间里对木星及其几颗主要卫星进行探测，获得了宝贵信息，积累了人类对这颗星球的认识。
美国于1997年10月发射升空的以卡西尼（Cassini）和惠更斯（Huygens）命名的“卡西尼-惠更斯”探测器，专程前往土星及其最大的卫星土卫六，对土星系统进行探测，包括土星大气的组成、深层大气运动、云层性质、全球风场、闪电以及电离层与磁场的变化，对土星和土卫六的表面物理状态、大气结构与组成进行探测，测量土卫六的风和全球温度。2017年9月，“卡西尼号”土星探测器[图1.12（a）]燃料将尽，科学家控制其向土星坠毁，进入土星大气层，燃烧成为土星的一部分。
1977年8月和9月，美国发射“旅行者2号”和“旅行者1号”探测器[图1.12（b）]，对多颗外行星进行探测。它们先后从木星和土星旁绕飞，探测了这两颗行星。1979年以后，它们陆续发回木星和土星的照片，清楚地显示出木星的光环、极光和3颗新卫星以及木星的大红斑结构和磁尾形状，土星的光环构造、新的土星卫星、奇异的电磁环境等信息。在它们掠过土星时，受到土星引力加速助飞，实现了轨道引力机动，得到了进一步的速度增量，“旅行者1号”直接朝向太阳系边缘飞去，“旅行者2号”利用这几颗外行星位置分布的有利时机，调整了飞行程序，在飞向太阳系边缘之前，继续掠过天王星和海王星，成为迄今唯一一个探测这两颗行星的探测器。目前这两个探测器还在继续工作，发送回来的探测数据表明，它们已经飞行到达太阳系光球层顶，即将飞出太阳系的磁层范围，进入恒星际空间，继续探测星际间的粒子、紫外线源和磁场等，探寻太阳系和恒星际之间的边界。20世纪70—80年代的深空探测成果无论从航天技术水平，还是从空间天文观测成果来看，都是重大的历史性成就。
图1.12 美国发射的外行星探测器
深邃无穷的浩瀚宇宙始终是人类探索的方向。人类身临或者通过航天器所至的范围仍在太阳系内，尚看不到能够走出太阳系进入星际空间的那一天。前述的“先驱者号”探测器和“旅行者号”探测器是人类开展宇宙探测以来走得最远、表现最为优异的两个航天器。这两个航天器都携带了人类文明的信息，希望在茫茫宇宙中的某一角落为地外文明所发现。两个“先驱者号”探测器在21世纪初就与人类失去联系，美国国家航空航天局于2004年先后终止了相关努力。两个“旅行者号”探测器目前依旧在宇宙中航行。“旅行者1号”走得最远，截至2019年年底，距离太阳已达210亿千米之遥。预计两个“旅行者号”探测器将于2025年前后因能源耗尽而失去与人类的联系，径直孤独地继续它不知所终的宇宙旅行。
美国“哈勃”太空望远镜（Hubble Space Telescope, HST）的观测距离超过120亿光年。“哈勃”太空望远镜[图1.13（a）]于1990年由“发现号”航天飞机送入太空，经过多次在轨维修，至今已经仍在太空遨游，完成了近万次观测，拍摄了三万多张宇宙天体的照片，进一步确定了宇宙年龄，证实了宇宙在加速膨胀，观测到了暗物质的存在。“詹姆斯·韦伯”太空望远镜（James Webb Space Telescope, JWST）[图1.13（b）]是美国国家航空航天局、欧洲航天局和加拿大国家航天局联合研发的红外线观测用太空望远镜，为“哈勃”太空望远镜的继任者，在2021年年底进入太空，继续开展人类探测宇宙的任务。
图1.13 太空望远镜
20世纪50年代后期起步的中国航天事业，经历了半个多世纪的历程。60多年来，一个经济、科学技术比较落后的发展中国家，在自力更生、艰苦奋斗、团结协作方针的指引下，依靠自己的力量，用低额投资，建立了相当规模的航天工业体系，发展了具有世界水平的航天技术，取得了举世瞩目的成就。1970年4月，我国第一颗人造卫星“东方红一号”遨游太空，2003年10月，“神舟五号”载人飞船成功发射并顺利返回地球，实现了中华民族千年的飞天梦想。2007年10月24日，我国首颗绕月人造卫星“嫦娥一号”成功奔月，开启了我国对月球的探测之旅。
我国古人发明了火药，发明了火箭，在古代有过航天探索的辉煌历史，在那之后，欧美在火箭技术上有了很大的发展，而我国则长期处于落后状态，直到20世纪50年代中期，我国才开始发展现代的航天科学技术。
我国现代航天科技起步于1956年，在国务院制定的《1956—1967年科学技术发展远景规划纲要（草案）》中，把喷气和火箭技术列入12年规划中的重点发展项目，其后成立了由钱学森[图1.14（a）]任院长的专门研制火箭的研究院，在以自力更生为主，力争外援，并利用资本主义国家已有的科学成果的方针指导下，开始了火箭的研制工作。1957年开始至1960年中期苏联专家全部撤离以前，我国火箭研究人员得到了苏联专家的帮助，学习了改进型的“V-2”火箭，开展了对苏联“P-2”火箭的仿制，对我国火箭事业的开创和早期的发展起到了重要作用。
我国卫星工作的起步可以追溯到1958年。此前国际酝酿发射人造卫星时，赵九章[图1.14（b）]就强调了人造卫星对地球物理观测的重要意义。苏联第一颗卫星发射成功激发了人们对人造卫星的关注，我国一些科技人员参加了对卫星的观测活动，许多科学家参加座谈会，先后建议我国开展人造卫星的研究工作。毛泽东于1958年5月提出“我们也要搞人造卫星”，其后聂荣臻责成中国科学院张劲夫召集草拟人造卫星发展规划设想，成立了由钱学森、赵九章、卫一清领导的“中国科学院581组”，组织了中国科学院地球物理所、自动化所和上海机电设计院的人员，开展我国人造卫星和探空火箭的工作。以探空火箭练兵，高空物理探测打基础，开展卫星技术的预先研究，不断探索卫星发展方向，筹建空间环境模拟实验室，为研制卫星打好了基础。
图1.14 我国航天事业的先驱者
在此期间，上海机电设计院在杨南生、王希季[图1.14（c）]的主持下研制探空火箭，中国科学院地球物理所二部在赵九章、钱骥的主持下研制火箭探空仪器，先后研制成功和发射了多批次、二十多枚高空探测火箭，火箭飞行高度最高达到115km。通过火箭探空活动，锻炼了人才队伍，在总体设计、轨道分析、探测仪器、结构、热控、天线、电源、遥测遥控、雷达跟踪等专业领域取得了实践经验，为正式启动卫星研制工作做好了技术准备。与此同时，研制了大型空间环境模拟试验设备，为整星环境试验准备了必要的基础设施。卫星预先研究工作也取得了进展，研究了我国发展卫星工作的指导思想和技术途径，提出了我国卫星系列发展规划的设想。
我国运载火箭研制工作经过几年的努力，也取得了重要进展。早在1960年11月第一枚仿制的火箭试飞成功，火箭飞行了550km。其后自行研制的“东风二号”火箭（见图1.15）于1964年取得了飞行试验的成功，射程增加了1倍。根据火箭技术发展的进程可以预见到，经过不断努力，我国火箭的性能将具备把卫星送上天的能力。赵九章和钱学森先后向国家建议把卫星的研制工作提到日程，将发射卫星的工作列入国家计划，同时在中国科学院进行了我国卫星工作规划方案和第一颗卫星初步方案的设计和论证工作。
1965年，周恩来主持中央专委第13次会议，批准了中国科学院上报的《关于发展我国人造卫星工作的规划方案建议》，正式启动了我国发射人造卫星的工作。在1965年10月20日开始的由全国各有关单位参加的“651会议”上，大家全面深入地论证了我国第一颗卫星“东方红一号”的方案，确定了具体任务。会后组建了以赵九章和钱骥为领导的651设计院，负责卫星的总体设计、研制和总体协调，组建了以陈芳允等为领导的701工程处，负责地面跟踪站的总体设计和建设。1968年，以中国科学院651设计院和七机部八院（现北京空间机电研究所）为基础，成立了以钱学森为院长的中国空间技术研究院，从七机部一院（现中国运载火箭技术研究院）引进了导弹研制人员和工程管理经验，在孙家栋、戚发韧等领导下继续完成了“东方红一号”卫星的研制工作。
图1.15 我国自行研制的“东风二号”火箭
“东方红一号”是完全由我国自行设计和研制的卫星，外形如图1.16所示，为接近球形的72面体，直径1m，质量173kg。该卫星由结构、热控、电源、乐音、遥测、跟踪、天线、姿态测量和探测仪等分系统组成，沿纵轴以120r/min的转速自旋，赤道面上伸展出4根3m长的短波天线，用于发送东方红乐曲和遥测的短波无线电信号。
图1.16 “东方红一号”卫星外形
发射“东方红一号”卫星的火箭是“长征一号”运载火箭，火箭的技术是在王希季主持下提出的，它由三级火箭组成，第一、第二级是在中远程导弹基础上稍加改进的火箭，第三级是新研制的固体火箭，在180r/min的自旋状态下工作。“长征一号”总长近30m，起飞质量81.5t，起飞推力约1040kN。第三级火箭上装设有可膨胀的观测体，以增加对太阳光的反射面，便于地面观测。
1970年4月24日，“长征一号”运载火箭从酒泉卫星发射中心发射升空，将“东方红一号”卫星成功地送入轨道，轨道近地点439km，远地点2384km，倾角68.5 ◦ ，周期114min。卫星测控中心准确跟踪到卫星，测得轨道参数，及时准确地预报了卫星飞过世界200多个主要城市的时间和方位。“东方红一号”卫星发射成功使我国成为世界上第五个用本国火箭发射卫星的国家，开始了我国的航天时代，是我国航天事业的第一个里程碑。
我国航天事业自1956年创建以来，经历了艰苦创业、配套发展、改革振兴和走向世界等几个重要时期，才达到相当规模和水平：形成了完整配套的研究、设计、生产和试验体系；建立了能发射各类卫星和载人飞船的航天发射中心和由国内各地面站、远程跟踪测量船组成的测控网；建立了多种卫星应用系统，取得了显著的社会效益和经济效益；建立了具有一定水平的空间科学研究系统，取得了多项创新成果；培育了一支素质好、技术水平高的航天科技队伍。
经过60多年的艰苦努力，我国建立了相当规模的航天工业体系和完整的航天科技体系，发展了具有世界水平的航天技术，取得了举世瞩目的成就，为人类航天事业做出了贡献。我国在卫星回收、一箭多星、低温燃料火箭技术、捆绑火箭技术以及地球静止轨道卫星发射与测控等许多重要技术领域已跻身世界先进行列；在遥感卫星研制及其应用、通信卫星研制及其应用、载人飞船试验及空间微重力实验等方面均取得重大成果，研制成功了多个系列和型号的运载火箭，形成了航天运载火箭系列型谱，发射了数十颗科学卫星和应用卫星，建立了自己的发射场和测控网，广泛开展了卫星应用。
在运载火箭方面，我国独立自主地研制了13种不同型号的“长征”系列运载火箭，适用于发射近地轨道卫星、地球静止轨道卫星和太阳同步轨道卫星。自1985年我国政府正式宣布将“长征”系列运载火箭投入国际商业发射市场以来，已将30多颗外国制造的卫星成功地送入太空，在国际商业卫星发射服务市场中占有了一席之地。截至2019年7月26日，我国已进行了327次航天发射，发射成功率达92.64%，以高成功率出色地完成了各类卫星和飞船的发射任务，为我国航天事业的发展奠定了坚实的基础，做出了重要贡献。图1.17展示了我国“长征”系列运载火箭型谱。
“长征一号”（CZ-1）运载火箭于1970年以约1040kN的起飞推力成功发射了“东方红一号”卫星，开始了我国的航天发射活动。
“长征二号”系列运载火箭主要是发射低轨道重型卫星的两级运载火箭。“长征二号”（CZ-2）运载火箭1975年成功发射了第一颗返回式卫星，此后又发射了多颗返回式卫星。以“长征二号”为基础捆绑了4个助推器，组成了串并联的大型火箭“长征二号E”（CZ-2E），俗称“长二捆”运载火箭，近地轨道运载能力达到9.5t，全箭起飞质量460t，于1990年在西昌卫星发射中心发射成功。“长征二号F”（CZ-2F）运载火箭是在“长征二号E”火箭的基础上，按照发射载人飞船的要求而研制的运载火箭，火箭由四个液体助推器、芯一级火箭、芯二级火箭、整流罩和逃逸塔组成，于1999年成功发射了“神舟一号”试验飞船，2003年成功发射“神舟五号”载人飞船，为我国载人航天提供了安全可靠的运载工具。
图1.17 “长征”系列运载火箭型谱
“长征三号”系列运载火箭是上面级用液氢液氧发动机的三级运载火箭，主要用于发射地球静止轨道卫星，火箭将卫星发射到地球同步转移轨道，近地点约200km，远地点35786km。1984年，“长征三号”运载火箭成功发射了我国的试验通信卫星，将1400kg的卫星发送到远地点为35786km的大椭圆转移轨道，从此我国具备了发射地球静止轨道卫星的能力。“长征三号甲”（CZ-3A）是“长征三号”的改进型，运载能力提高到2.65t。以“长征三号甲”运载火箭作为芯级，捆绑4枚或2枚液体助推器而分别构成“长征三号乙”（CZ-3B）和“长征三号丙”（CZ-3C）运载火箭，地球同步转移轨道运载能力分别达到5.1t和3.8t，用于发射国内外大型地球静止轨道卫星。
“长征四号”系列是采用常规液体燃料的三级大型运载火箭。该火箭起飞推力达3000kN，能将2.5t的载荷送入太阳同步轨道，1988年首发成功，将“风云一号”气象卫星送入太阳同步轨道。
“长征五号”系列运载火箭，又称“胖五”，是我国在2006年立项研制的一次性大型低温液体捆绑式运载火箭，也是我国新一代运载火箭中芯级直径为5m的火箭系列。“长征五号”系列由我国运载火箭技术研究院研制，设计采用通用化、系列化、组合化思想。该系列由二级半构型的基本型“长征五号”（CZ-5）运载火箭、不加第二级的一级半构型“长征五号乙”（CZ-5B）运载火箭及添加上面级的“长征五号/远征二号”（CZ-5/YZ-2）运载火箭组成，地球同步转移轨道和近地轨道运载能力将分别达到14t级、25t级。未来，天宫空间站、北斗导航系统的建设，探月三期工程及其他深空探测的实施都将使用该火箭系列。“长征五号”（CZ-5）于2016年11月3日在文昌航天发射场首飞成功，如图1.18所示。
“长征七号”（CZ-7）运载火箭是我国新一代中型运载火箭。“长征七号”运载火箭为“两级半”构型运载火箭，“两级”是指运载火箭芯级为两级构型，“半”是指有助推器。“长征七号”运载火箭芯一级采用两台推力为1200kN的YF-100液氧/煤油发动机，拥有4枚助推器，每枚助推器采用一台YF-100发动机。2016年6月25日，我国为空间站工程研制的新一代中型运载火箭“长征七号”在文昌航天发射场发射成功，为长征系列火箭家族增添了新成员，使我国火箭近地轨道运载能力从不到9t提升到近14t，极大地提高了我国进入太空的能力，为顺利实施后续飞行任务奠定了重要基础。同时，“长征七号”运载火箭首飞任务，也是文昌航天发射场的首秀之战，标志着该新型发射场在承担地球同步轨道卫星、大质量极轨卫星、中低轨道航天器、大型空间站、深空探测器等发射任务方面正式起航，我国已经跨入世界大吨位火箭发射的行列。
图1.18 我国“长征五号”火箭起飞瞬间
载人航天是当今世界高新科技中最具挑战性的领域，能体现一个国家的综合国力和整体科技水平。随着我国国民经济和科学技术的不断发展，1992年9月21日，我国正式批准实施载人航天工程，代号“921工程”。
我国载人航天实施“三步走”的发展战略：第一步是以载人飞船起步，把航天员安全送入近地轨道，进行适量的对地观测和科学实验，并使航天员安全返回地面，实现载人航天的历史性突破；第二步是除继续用载人飞船进行对地观测和空间实验外，重点突破航天员出舱活动和空间交会对接试验这两项关键技术，并发射长期自主飞行、短期有人照料的空间实验室，尽早建成完整配套的航天工程大系统，解决我国一定规模的空间应用问题；第三步是建造长期有人照料、短期自主飞行的大型空间站，从而大规模、长时间地开发宝贵的太空资源，为全人类造福。至今，我国已先后成功发射了“神舟”系列的5艘无人试验飞船和8艘载人飞船，如表1.3所示。
2011年9月29日，我国第一个空间实验室“天宫一号”成功发射入轨，标志着我国迈入航天“三步走”战略的第二步。“天宫一号”于2016年3月16日正式终止数据服务，2018年4月2日再入大气层时被烧毁。“天宫一号”先后与“神舟八号”“神舟九号”和“神舟十号”飞船多次完成空间交会对接，进行了一系列对地遥感、空间环境和空间物理探测、空间科学实验、航天医学实验及空间技术实验，初步建立了短期载人、长期无人独立可靠运行的空间实验平台，为建造空间站积累了经验，为我国载人航天发展做出了重大贡献。
表1.3 我国历次载人飞船任务概况
第二个空间实验室“天宫二号”于2016年9月15日成功发射入轨，2019年7月16日终止数据服务，2019年7月19日受控离轨并再入大气层，最终落入南太平洋预定安全区域。“天宫二号”先后与“神舟十一号”载人飞船和“天舟一号”无人货运飞船进行了对接[图1.19（a）]，承担了验证空间站相关技术的重要使命，考核验证了航天员中期驻留、推进剂补加、在轨维修等空间站建造运营关键技术，是我国第一个真正意义上的太空实验室。
图1.19 我国空间站
2021年4月29日11时23分，执行我国空间站“天和”核心舱任务的“长征五号”B遥二运载火箭，在中国文昌航天发射场点火发射。按照规划，2021—2022年，我国接续实施11次飞行任务，包括3次舱段发射、4次货运飞船以及4次载人飞船发射，于2022年完成空间站在轨建造，实现中国载人航天工程“三步走”发展战略“第三步”的任务目标。中国空间站命名为“天宫”，将通过交会对接和转位组装构成空间站本体。如图1.19（b）所示，其基本构型包括“天和”核心舱、“问天”实验舱和“梦天”实验舱，每个舱段规模20t级。空间站在轨运行期间，由“神舟”载人飞船提供乘员运输，由“天舟”货运飞船提供补给支持。空间站设计寿命10年，可根据需要，通过维护维修进一步延长寿命。额定乘员3人，乘组轮换期间短期可达6人。
从1983年著名科学家陈芳允院士提出双星定位设想以来，我国的卫星导航事业从无到有、从小到大、由弱到强，走出了一条具有中国特色的发展之路，“北斗”卫星导航系统已经成为一张闪亮的国家名片。“北斗”卫星导航系统是我国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，目标是建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。
我国自行研制的第一颗导航定位卫星“北斗”导航试验卫星，于2000年10月31日在西昌卫星发射中心发射升空，并准确进入预定轨道。2001年年底，随着“北斗一号”正式上线运行指令的发出，我国迈入拥有自主卫星导航大国行列。2003年5月25日、2007年2月3日，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，先后把4颗“北斗”导航试验卫星送入太空。这标志着我国已自主建立了完善的试验卫星导航系统，对我国国民经济建设起到了积极作用。“北斗”试验卫星导航系统是通过双星定位方式来工作的，还有1颗是在轨备份星。用2颗卫星组建导航系统虽然是美国吉奥星公司首先提出来的，但美国和欧洲的公司在这方面的研制工作均告失败，而我国首先实现了这项卫星导航定位的创新工程。“北斗”事业经过多年的积累，集聚起势不可挡的力量，迈入发展“快车道”。
我国先后发展了三代“北斗”系统。“北斗一号”由3颗卫星提供区域定位服务，“北斗二号”包含16颗卫星，为亚太地区提供导航服务，2012年投入使用；2018年，“北斗”完成10箭19星发射，创下世界卫星导航系统建设和我国同一型号航天发射的新纪录，也促使我国自主建设、独立运行且独具短报文短信功能的“北斗三号”基本系统完成建设。2018年12月27日，“北斗三号”正式面向全球提供服务。2020年6月23日，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号乙”运载火箭，成功发射北斗系统第55颗导航卫星，暨“北斗三号”最后一颗全球组网卫星。至此，“北斗三号”全球卫星导航系统星座部署比原计划提前半年完成，成为继美国“全球定位系统”（GPS）、俄罗斯“全球导航卫星系统”（GLONASS）和欧洲“伽利略”之后的第四个全球卫星导航定位系统。图1.20所示为“北斗”导航卫星星座模型图。
“北斗”卫星导航系统已成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域，产生了显著的经济效益和社会效益。特别是在2008年北京奥运会、汶川抗震救灾中发挥了重要作用。2020年，“北斗”卫星全球组网将为世界各地的人们提供全球定位、导航、授时等服务。
图1.20 “北斗”导航卫星星座模型图
发射人造地球卫星、载人航天器和深空探测器是人类航天活动的三大领域。重返月球、开发月球资源、建立月球基地已成为世界航天活动的必然趋势和竞争热点。开展月球探测工作是我国迈出航天深空探测第一步的重大举措，实现月球探测将是我国深空探测零的突破。月球已成为未来航天大国争夺战略资源的焦点。月球具有可供人类开发和利用的多种独特资源，月球上特有的矿产和能源，是对地球资源的重要补充和储备，将对人类社会的可持续发展产生深远影响。中国探月工程是我国自主对月球的探索和观察，国务院正式批准绕月探测工程立项后，绕月探测工程领导小组将工程命名为“嫦娥工程”，将第一颗绕月卫星命名为“嫦娥一号”。“嫦娥一号”卫星由中国空间技术研究院研制，主要用于获取月球表面三维影像、分析月球表面有关物质元素的分布特点、探测月壤厚度、探测地月空间环境等。中国探月工程将按照“绕”“落”“回”三步走战略逐步开展。
第一阶段为“绕”，即实施“嫦娥一号”绕月探测工程，发射我国第1颗月球探测卫星，突破至地外天体的飞行技术，实现首次绕月飞行。这一阶段充分利用了我国现有的成熟航天技术，研究并发射了月球探测卫星，突破了地月飞行、远距离测控和通信、绕月飞行、月球遥测与分析等技术，并初步建立了中国月球探测航天工程系统。
第二阶段为“落”，即研制和发射月球软着陆器，并携带月球巡视探测器（俗称“月球车”）（见图1.21），在着陆区附近进行就位探测。这一阶段通过发射“嫦娥二号”“嫦娥三号”“嫦娥四号”突破在地外天体上实施软着陆技术和自动巡视探测技术。具体方案是用安全降落在月面上的巡视探测器、自动机器人探测着陆区岩石与矿物成分，测定着陆点的热流和周围环境，进行高分辨率摄影和月岩的现场探测或采样分析，为以后建立月球基地的选址提供月面的化学和物理参数。
图1.21 “嫦娥三号”探测器着陆器和“玉兔号”月球车
第三阶段为“回”，即发射月球采样返回器软着陆在月球表面特定区域，并进行分析采样，然后把月球样品带回地球进行详细研究。这一步通过发射“嫦娥五号”“嫦娥六号”突破返回器自地外天体自动返回地球的技术。其中，前期主要是研制和发射新型软着陆月球车，对着陆区进行巡视探测；之后研制和发射小型采样返回舱、月表钻岩机、月表采样器和机器人操作臂等，采集关键性样品返回地球，对着陆区进行考察，为下一步载人登月探测、建立月球前哨站的选址提供数据资料。
2020年11月24日，探月工程“嫦娥五号”探测器由“长征五号”遥五运载火箭成功发射，于12月1日成功在月球正面预选着陆区着陆。2020年12月17日，“嫦娥五号”返回器携带月球样品，采用半弹道跳跃方式再入返回，在内蒙古四子王旗预定区域安全着陆，标志着我国已完成了探月工程的“绕、落、回”三步走战略，后续将有计划地开展“勘、研、建”等活动，并计划在月球建立研究基地。
我国最早的行星探测计划是与俄罗斯联邦航天局合作开展的火星探测计划。2011年11月8日，“萤火一号”与俄罗斯的采样返回探测器一起发射升空。11月9日，俄方宣布“福布斯-土壤号”火星探测器变轨失败，我国的第一次行星探测尝试宣告失败。
图1.22 中国首次火星探测任务标志
2016年1月11日，我国正式批复首次独立的火星探测任务，我国火星探测任务正式立项，当时计划在2020年左右发射一颗火星探测卫星。2020年4月24日，在2020年“中国航天日”启动仪式上，备受关注的中国首次火星探测任务名称公布，也公布了中国首次火星探测任务标志（见图1.22）。中国行星探测任务被命名为“天问”系列，首次火星探测任务被命名为“天问一号”，后续行星任务依次编号，中国行星探测工程作为一个整体概念，以“揽星九天”作为工程的图形标志。
2020年7月23日，我国首次火星探测任务“天问一号”探测器由“长征五号”遥四运载火箭发射升空。经过7个月的长途跋涉，“天问一号”探测器于2021年2月到达火星附近，开始实施火星捕获，于2月10日19时52分成功进入火星轨道。5月15日7时18分，“天问一号”着陆巡视器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区。5月19日，中国国家航天局发布火星探测“天问一号”任务探测器着陆过程两器分离和着陆后火星车拍摄的照片（见图1.23），中国首次火星探测任务（着陆火星）取得圆满成功。
图1.23 “天问一号”探测器及其传回的首幅火星照片
（1）古代中国人民凭着他们的勤劳和智慧发明了很多能飞的器械，是现代飞行器的雏形，能否列举一二？
（2）近代的哪些自然科学理论是人类进入太空的理论基础？
（3）近代航天理论的先驱者都有谁？分别有何贡献？
（4）“V-2”火箭有何历史作用？它的总设计师是谁？
（5）简述苏联和美国发射的第一颗人造地球卫星的基本情况和主要成果。
（6）我国自主发射的首颗卫星是哪颗？它是什么时间发射的？
（7）第一位进入太空的宇航员是谁？人类首次踏上月球的宇航员是谁？
（8）请举例说明我国航天事业取得的辉煌成就。