天文台
天文台是天文工作者观测星空，从事天文研究工作的地方。天文台上一般都配有各种大型的天文望远镜及其他各式各样的天文仪器口。它的主要工作就是观测天体、分析观测资料，利用观测事实来检验理论模型，同时，通过理论来指导实测，从而揭示太空奥秘。为了减少地球大气的干扰，减少灯火噪声干扰，天文台一般都远离闹市，建在山上。
天文台具有圆堡形的立体建筑，它们是用来安置和保护天文望远镜的地方。圆堡的顶部有一个长长的天窗，用时打开，不用时关上，还可以随意转动，使望远镜对准天空中任何一个地方。为了防止屋内昼夜温差过大，圆堡的外面南京紫金山天文台都涂了一层银粉漆，可以反射太阳光。
我国有著名的紫金山天文台、北京天文台、上海天文台、云南天文台、陕西天文台和台北市天文台等；世界上有英国皇家格林尼治天文台、美国的海尔天文台、美国莫纳克亚天文台、美国国立天文台、日本飞弹天文台、法国上普罗旺斯天文台等等。
太空奥妙的探索“工具”我国是世界上天文学发展较早的国家之一，天文观测具有悠久的历史。相传在夏代就有天文台，那时称“清台”。商代的天文台叫“神台”。到了周代改称为“灵台”。以后，历代天文台又有观象台、观星台、司天台、瞻星台等名称。
早期的天文台既是观测星象的地方，又兼作祭祀活动的场所。古代帝王在这里祀天，同时任命专职人员在这里观测天象，占卜吉凶，编算历书，“敬授民时”。随着社会的发展，祀天和观天逐渐分离，专门从事天文观测的天文台开始逐渐独立出来。由于观测天象与古代农牧业生产活动关系十分密切，司天机构在我国一直受到高度重视。除特殊情况外，历代观象台和观天设备都建设在京城。
我国现在尚存有几处古天文台遗址，其中保存较完好的有河南登封古观星台和北京古观象台。另有洛阳灵台，坐落于河南偃师县，它曾是东汉时期一座规模宏大的天文台。相传著名科学家张衡曾在灵台工作过，不过现在早已变成废墟。据史书记载，洛阳灵台在全盛时期曾呈现一派繁忙景象。灵台高约20米，其台基约50米见方。全台有工作人员43人，分工极为详细，观测项目应有尽有。因此，汉代时期我国天文学十分发达，在世界上居于领先地位。
登封古观星台坐落在洛阳东80多千米远的登封县告成镇，是我国现存最早的天文台建筑。始建于元世祖至元六年（1279年），距今已有700多年历史。耸立着的高台和台下的一条长堤恰好组成一具特殊的圭表。高台即为立表，高946米；长堤相当于土圭，称为量天尺，长3119米，位于正南北向。
北京古观象台在建国门内立交桥西南侧，建于明代正统七年至十一年（1442~1446），历经明清两代，容姿未衰。辛亥革命后，古观象台属于教育部，成为北洋政府时期的中央观象台。从明正统年间到1929年止，北京古观象台连续观测近500年，创造了连续观测最久的世界纪录。
北京古观象台发装有八件清代制作的天文观测仪器（天体仪、办道经纬仪、黄道经纬仪、地平经仪、象限仪、纪限仪、地平经纬仪和玑衡抚辰仪），它们以造型美观、雕刻精细、工艺精致而著称于世，1983年4月1日经整修正式对外开放。
星图和星表
星图和星表是人们从事天文观测和研究必不可少的工具之一，就像我们学习地理知识少不了地图一样。
全天星图
人们把天上的星星按其在天球上的位置投影在一个平面图上，就绘成了一幅幅星图。早在公元705年左右，我国就有了“敦煌星图”。这是世界上现存的记载星数最多、最早的星图之一。绘制于公元1247年的苏州石刻星图，也是我国流传至今的最早最完整的星图之一。
准确的星图是天文学家的好帮手。天文学家可以依靠星图来辨认星星，发现过去没有观测到的天体，如突然爆发变亮的新星、超新星，悄悄来临的彗星等。1781年赫歇耳发现天王星，1846年亚当斯和勒威耶发现海王星，1801年皮阿齐发现第一颗小行星，都有星图的一份功劳。
星表是天体的“花名册”，上面记载着恒星等天体的位置、星等等能够说明天体身份的内容。世界上最早的星表是我国战国时代魏国天文学家石申所著的《石氏星经》，其中记载着121颗恒星的位置。在欧洲，最早的一部是喜帕恰斯在公元前2世纪编制的星表，里面记载有1022颗恒星的位置。
历史上许多著名的天文学家都曾致力于星表的编制工作。随着天文学的发展，观测到的天体日趋繁多和复杂，星表的种类也更多样化了，恒星、星云、星系等都有各自的星表。
天文望远镜
在望远镜发明之前，人们只能用肉眼或依靠简单的工具进行天文观测，因而观测视野受到很大的限制。1609年，意大利科学家伽利略用自制的可以放大30倍的望远镜，第一次看到了月球上奇特的环形山，发现了木星的4颗大卫星，观察到了太阳黑子、金星的盈亏变化以及银河中密布的点点繁星等过去从未见到过的奇妙现象。从此，专门用于天文观测的望远镜就很快发展起来。
像普通望远镜一样，天文望远镜能把远处的景物拉到观测者的眼前。天文望远镜比一般望远镜不仅要大得多，而且也精良得多。现代的天文（光学）望远镜折反射望远镜品种、式样很多，根据设计原理，大致可以分为三大类：
第一类是折射望远镜。这种望远镜是使用最早的望远镜。它的前端是以一个或一组凸透镜作为物镜，后面是一个目镜。光线从前面进来，从后端出去。这种单远镜焦距较长，最适宜于天体测量工作。第一架天文望远镜——伽利略望远镜就是折射式望远镜。现在世界上最大的折射望远镜，是美国叶凯士天文台的口径为102厘米的望远镜。
第二类是反射望远镜。由于早期的折射单远镜有许多缺陷，看到的景物往往变形，并且在景物周围总有一圈五彩缤纷的色晕，影响观测精度，为了克服这些缺陷，牛顿发明了反射式望远镜。这种望远镜利用反射原理，用凹面镜作为物镜，把来自天体的光线反射、聚集起来，不仅成像质量较高，而且还有镜筒较短、工艺制作较易等优点。因此，现代大型天文望远镜大多属这种类型。目前世界上最大的天文望远镜，要数高加索山上那台口径6米和美国帕洛玛山天文台的口径508米的反射望远镜了。后者的镜头玻璃就有20吨重，利用它可以窥见21等的暗星。
第三类是折反射望远镜，它是由德国光学家施密特设计出来的。这种望远镜综合了前两类望远镜的优点，视野宽，光力强，像差小，因而最适合用来研究月球、行星、彗星、星云等有视面的天体。
1990年4月24日，美国航天飞机“发现”号从卡纳维拉尔角顺利升空，25日把目前世界上最复杂的太空望远镜送入离地球610千米高的圆形轨道（1967年10月10日美国曾发射了绕太阳运转的空间观察站）。这架太空望远镜是由美国国家航空航天局和欧洲空间局联合研制的一台大型太空天文望远镜，原来计划于80年代中期升空服役，后来因为1986年1月28日“挑战”号航天飞机爆炸而推迟。
这架太空望远镜以美国天文学家埃德温·皮·哈勃的名字命名，以纪念他在星系天文学、宇宙结构和膨胀理论方面创造性的工作和杰出贡献。
“哈勃”太空望远镜哈勃太空望远镜是有史以来最大、最先进的天基天文望远镜（一般天文望远镜多设在陆地天文台，以陆地为基地，称为地基天文望远镜），其外形呈圆柱状，长13米，直径45米，总重量为12吨，两侧各有一块长12米的大面积太阳能电池板。从远处看去，哈勃太空望远镜犹如一只滞留太空的巨大天鹰。哈勃太空望远镜主要由光学望远镜装置、保障系统和科学仪器三部分组成。
光学望远镜装置是太空望远镜的心脏，主要包括直径24米的主反射镜，直径03米的副反射镜和支撑结构，主反射镜和副反射镜的精密度是决定太空望远镜性能的重要部件。
光由舱门进入太空望远镜后，首先射到主反射镜，再反射到相距45米处的副反射镜；而后，副反射镜又把光从主反射镜中心的一个孔中反射到科研仪器上记录成像。
保障系统是哈勃太空望远镜的主要设备，包括有信息传输、温度监控、位置调解和电力供应等部分。信息传输通过镜上的无线电系统和地球同步通信卫星完成。位置调解由镜上的精密制导传感器感受望远镜的俯仰和偏航信息，送给位置控制装置实现，能保证望远镜的位置稳定在0007弧秒内，使其方向飘移不超过0007弧秒，以保障科学仪器的观测工作。望远镜两侧有大面积矩形太阳能电池板，它把太阳能直接转变成电能，供望远镜使用。科学仪器是哈勃太空望远镜一系列新成果的创造者，主要有五个。其中暗弱天体摄影机、暗弱天体分光摄谱仪、高分辨率分光摄谱仪以及高速光度计四个仪器，其尺寸有一个电话间那样大。均被安置在望远镜后部主反射镜后面，在副反射镜聚焦面附近，接收从副反射镜反射来的光。第五个是广角行星摄影机，它被安置在望远镜后部的圆周壁上。它们共同使用一个光学反射镜系统。
暗弱天体摄影机是望远镜中最重要的科学仪器，顾名思义，它可以捕捉到一些不清晰、光线暗淡而微弱的遥远天体，并把观测到的情况记录下来。它通过摄影机的光学转换器把像素点放大，提高其分辨率。转换器先把像素的探测器视场角缩小，再用图像增强仪探测出来，后经放大送到终端荧光屏，形成一个相应的亮点；再用电影摄影机把荧屏上的扫描光点记录下来，并储存在电子计算机里，最后构成图像。
暗弱天体分光摄谱仪主要用来测量暗弱天体的化学成分。它通过特殊的光栅和滤光片，可以制成光谱底片。
分析这些光谱底片，不仅可得到光源的化学成分数据，还能获得光源的温度、运动情况以及物理特性等信息。
高分辨率分光摄谱仪用于测量星际和星体周围的紫外线辐射，以便研究爆炸星系的物理组成、星际中的气体云和星体物质的逸散等问题。
高速光度计是太空望远镜中最简单的科学仪器。它可以测量从天体发来的极亮的光；还可以广泛进行显微水平的精密测量；能通过测量接收到目标天体发来的光的总和，而得出目标天体的距离。这个光度计将在精确测量银河系及其他附近星系方面发挥更大作用。
广角行星摄影机是由装在一个仪器箱中的两个独立摄像机所组成，主要用于对行星进行观测。由于其视野广阔，所以能观测到更大的宇宙空间，并能提供更精美的星体图像，所得到的行星图像，如同近距摄得的一样清晰。由哈勃望远镜拍摄的太空哈勃太空望远镜的结构设备，绝大部分由以美国洛克希德导弹与航天公司为首的多家厂商、大学和科研单位承包制造，而欧洲航天局承包了太阳能电池板和暗弱天体摄影机的研制工作。这架望远镜耗资15亿美元，每年的维护费2亿美元，可以在太空工作15年。
哈勃太空望远镜实质上就是一颗大型天文卫星，犹如一座空间天文台。由于它在地球大气层外的宇宙中工作，从而消除了地面天文观测的障碍；避开了大气层对天体光谱的吸收和大气层湍流对天体观测的影响。这样的环境优势，使得哈勃太空望远镜的性能大大地提高了。
在美国哥达德太空中心，科学家们检测了哈勃望远镜敏感的探测力，它的能力等于从华盛顿观察到16万千米外的悉尼的一只萤火虫。哈勃太空望远镜能够探测出比地面望远镜可测光微弱数十倍的光线，相当于在地球上看清月球上2节手电筒的闪光。它的清晰度比目前地面望远镜高10倍。
美国宇航局的爱德华·韦勒说，一个地面望远镜能看清一颗10亿光年的恒星，而哈勃太空望远镜能看到100亿光年的恒星，可让科学家们看清宇宙间还未成熟的恒星，因为它们的年龄也在100亿到200亿年之间。更令人吃惊的发现是，由于这个望远镜能看到从亿万千米远天体上发光时的情况，因此它能让科学家们知道光在到达地球前是什么样子。例如光从太阳到地球约需8分钟，有了哈勃太空望远镜，科学家们就会知道光刚从太阳发射的情况。
科学家认为，这是自400年前伽利略用自制的望远镜观察天体以来，天文学上又一令人惊奇的望远装置，它将揭开人类探索宇宙的新篇章，使人类认识一系列鲜为人知的奥秘。科学家希望它将帮助回答宇宙的形成和演变，地球以外是否有智慧生物等一系列科学难题。
为了确保太空望远镜在空间正常而有效地工作，必须有地面和空中的多方配合。为此而组成了包括航天飞机、太空望远镜、跟踪和数据中继卫星以及地球站在内的大系统，所有这些方面缺一不可。
航天飞机是太空望远镜的唯一运载工具，它主要承担望远镜的发射入轨、在轨更换仪器设备与检修以及回收等任务。跟踪和数据中继卫星是位居地球静止轨道的通信卫星，由美国的“挑战”号航天飞机发射入轨，它在太空望远镜系统中承担着信息的中转传输任务，即把望远镜观测得到的数据转发给地面，并把地球站对望远镜的跟踪和遥控信息转发给太空望远镜。太空望远镜系统所需的两颗跟踪和数据中继卫星已由美国的航天飞机于20世纪80年代中、后期发射入轨，分别定位在西经41度和170度赤道上空。这两颗卫星与一个地球测控站组网，能使哈勃太空望远镜在其运行的85％时间与地面保持联系。
美国宇航局哥达德太空飞行中心内的太空望远镜操作控制中心，控制着哈勃太空望远镜环绕地球运行、观测准备和探索宇宙的具体工作。首先要打开望远镜的太阳能电池板，以便为镜上各系统正常工作提供必要的能源。倘若太阳能电池遥控展开失败，则可由航天飞机上的宇航员去用手动摇杆将其打开；如果望远镜由于某种原因不能使用，还可把它重新放回航天飞机货舱，带回地面检修。如果望远镜的各部分工作正常，整个太空望远镜系统就可开始联网运转，太空望远镜可将其观测到的大量信息，源源不断地通过一个跟踪和数据中继卫星适时传输给地球站。
5月20日，哈勃太空望远镜首次睁开它的电子眼观察宇宙，拍摄了具有历史意义的第一张太空照片。
在当天的格林尼治时间15时12分，哈勃太空望远镜运行到新几内亚查亚普拉上空时，广角行星摄像机启动1秒钟，拍摄了首张黑白照片。随后摄像机快门再次启动，曝光30秒，拍摄了第二张照片；第一张照片拍摄的是银河系中的NG3532星团，它距离地球约1260光年，是一个很难区别的星群；第二张拍摄的是太阳，这两张照片先是存储在磁带上，两个多小时后转发到地面。
哈勃太空望远镜的第一批图像经过计算机处理，比原来预料的清晰度高2～3倍；虽然显示有几十个太阳的第二张照片，图像稍微拉长了，但在没有完成望远镜光学系统调焦的情况下，得到这样的照片，其质量比原来预料的还要好。
哈勃太空望远镜的轨运行周期为97分钟，即每隔97分钟绕地球运行一圈，一天之内日出日没达15次，进出地球阴影区15次。
地球静止轨道
地球静止轨道又叫地球静止同步轨道、地球同步转移轨道，是指卫星或人造卫星垂直于地球赤道上方的正圆形地球同步轨道。由于在这个轨道上进行地球环绕运动的卫星或人造卫星始终位于地球表面的同一位置，所以地表上的观察者在任意时刻始终可以在天空的同一个位置观察到它们，并会发现它们在天空中静止不动。
射电望远镜
射电望远镜又称无线电望远镜，它是20世纪40年代才发展起来的新型天文探测工具。射电望远镜与光学望远镜有很大的不同，它既没有大炮式的镜筒，射电望远镜也没有物镜、目镜，它不是靠接受天体的光线，而是靠接受天体发射出来的无线电波，来进行天文观测的。射电天文望远镜的形状与雷达接收装置非常相像。
射电单远镜最显著的优点之一是不受天气条件的限制，不管刮风下雨，无论是白天黑夜，都能进行观测。它的探测能力比普通的光学望远镜要强得多。20世纪60年代天文学上的四大发现——脉冲星、类星体、星际有机分子、微波背景辐射，都是从射电望远镜中观测到的。
为什么射电望远镜能看到光学天文望远镜无法观测到的许多宇宙秘密呢？我们知道，宇宙中的各种天体都能发出不同波长的辐射。而人眼只能看到天体在可见光范围（即波长在040~075微米之间）内的辐射情况，对可见光以外范围（如γ射线、X射线、紫外线、红外线及无线电波等）的辐射情况却视而不见。射电望远镜就是接收和记录各种天体在不同波段上辐射的各种信息，再根据天体物理理论，推算各类天体的有关物理情况，其中某些是光学望远镜难以测定的。有些天体在可见光波段的辐射并不明显，但在无线电波段却有很强的辐射，这时就只有依靠射电望远镜才能进行接收观测。此外，由于宇宙中存在着许多尘埃粒子，它们能挡住我们在可见光波段的视线，但对无线电波的阻挡却较少，因此，射电望远镜能观测到一些光学望远镜无法看到的天体。
射电望远镜实际上就是一套类似收音机、雷达那样的电子装置。它由天线、接收机、校准源以及记录设备等几大部分组成。天线系统的作用类似于光学望远镜中的物镜，用以收集来自天体的无线电波。接收机系统的作用是在预定的频率范围内，把天线接收到的微弱太空信号，从强大的噪声中挑选出来，然后进行放大、记录、显示。记录仪或显示器上描绘出来的图像通常是一些弯弯曲曲的线条，它们正是各种遥远的宇宙天体向我们发来的各种射电信息。
1971年，德国建成了世界上最大的可动式射电望远镜抛物两天线，直径达100米，可以指向太空任何方向，是一座性能优良的天线。1981年8月，美国又在新墨西哥州建成一个世界上最大、最现代化的综合孔径射电望远镜，它有27面直径为25米的天线，放置在臂长为21千米的Y形基线上。
为了突破电离层对射电观测的限制和干扰，科学家们已进行了太空射电观测，并且提出了更大胆的设想：建立起太空规模的射电观测网。到那时，人们将获得更多更新的太空信息。
月球探测器
月球探测器是对月球和近月空间探测的宇宙飞行器。分为无人探测和载人探测两个阶段。迄今，人类已经向月球发射过几十颗探测器，有前苏联的“月球”号系列，美国的“徘徊者”号系列、“月球轨道环行器”系列、“月球勘测者”系列和“阿波罗”载人飞船系列等。首先是进行无人探测，它们各自携带所需的仪器设备，前往月球的周围空间或深入月球本土探测，初步摸清月球的性格和脾气。这些仪器设美国“勘测者”号月球探测器备主要有电视摄像机、无线电通信设备、月岩采集器、月球车等。探测方式有飞近月球拍照，将探测器直接撞击月岩（探测器的仪器工作到碰撞月岩时才中断），绕月拍摄月球背面照片，采用着落月面之前启动探测器上的逆向火箭，使探测器缓慢软着落，软着落后探测器仍然可以继续探测；围绕月球轨道环行，对月球拍摄特写镜头；用采集器采集月岩，分析月球的月质条件；利用月球车对月面进行考察和在月面做科学实验。
经过无人探测打下基础，紧接着开始载人探测。1969年7月16日美国发射的“阿波罗11”号载人飞船登月舱在月面着落，使神话“嫦娥奔月”成为现实，宇航员在月面行走，成为“奔月”的男“嫦娥”。其后，“阿波罗”的另5艘载人飞船登月舱也相继登月成功，详细地揭示了月球表面结构性质、月球表面物质的化学成分和物理性能，并探测了月球的重力、磁场和月震等。人类撩开了月亮女神神秘的面纱，一睹她秀丽的风采。
月球车
月球车是一种能够在月球表面行驶并完成月球探测、考察、收集和分析样品等复杂任务的专用车辆。月球车分为无人驾驶月球车和有人驾驶月球车。无人驾驶月球车由轮式底盘和仪器舱组成，用太阳能电池和蓄电池联合供电，行驶是靠地面遥控指挥。有人驾驶月球车由发动机驱动，靠蓄电池提供动力，有宇航员驾驶操作。
行星探索器——“旅行者”号探测器
“旅行者”号探测器是美国行星和行星际探测器系列之一。它们是一对孪生姐妹，作为地球使者，前往木星、土星、天王星和海王星访问。“旅行者2”号“慢鸟先飞”，于1977年8月20日先行动身，“旅行者1”号是“飞毛腿”，晚半个月启程。它们身重约800千克，主体是一个扁平十面棱柱体，中央有球形推进剂箱，周围安置电子设备，头戴一顶“大草帽”——抛物面天线，左右各伸出一支“手臂”，一长一短，短的是科学仪器支架，长的是磁强计支杆，侧身还挂着3节补充能源用的“食品袋”——同位素电池。携带的科学探测仪器有：为行星和卫星画像留影的电视摄像机，红外光谱计、干涉仪和辐射计，紫外光谱计和偏光计；探测行星际空间环境的宇宙线探测器、低能带电粒子探测器、等离子探测器和磁强计、行星射电天文接收机及其鞭状天线。“旅行者”姐妹俩于1979年3月5日和7月9日先后与行星的“老大”——木星相会。拜访木星时，借助木星的强大引力，给自己“加油”，并改变航向，又于1980年11月13日和1981年8月26日先后到达土星访问。此后，“旅行者1”号便径向太阳系边陲直奔而去，于1988年3月穿越冥王星轨道和1988年11月穿越海王星轨道，首先飞出太阳系而进入宇宙太空。“旅行者2”则在茫茫太空翱翔了整整12年、行程70多亿千米，来到离“边疆”的第二颗行星——海王星访问，并于1990年以148千米每秒的速度携带着给“外星人”的礼物——“地球之音”离开太阳系，去寻找宇宙中的“知音”。
“旅行者2”号飞出太阳系“旅行者1”号距离木星278000千米处越过木星时，信号传输到地球用37分钟，发现木星卫星1上至少有6座火山正以时速1600千米喷发，木星卫星4上的环形山比木星卫星3多，还观测了厚达30千米的木星环和大红斑。1980年11月发回了土星环照片，11月11日靠近土卫6飞行，看到它上空笼罩有至少280千米厚的稠密不透光雾层，温度约为零下181摄氏度，推翻了1944年所认为是甲烷的论点，而证实是氮气。“旅行者2”号于1979年7月9日飞临木星，迫近木星卫星2时发现它地势平坦，无火山口，完全由一层薄冰覆盖。发现木星卫星1有7座火山在爆发。1981年8月26日飞近土星，观测了土星、土星环，发现6颗新土星卫星。到1982年底“旅行者2”号已拍回照片32000幅，后来1986年1月又飞过天王星，1989年8月飞近海王星。
行星探测器——“先驱者”号探测器
“先驱者”号探测器是美国行星和行星际探测器系列之一。1958年10月至1978年8月发射，共13个。用来探测地球与月球之间的空间，金星、木星、土星等行星及其行星际空间。其中“先驱者10、11”号最引人注目。
“先驱者10”号木星之旅“先驱者10、11”号是一对同胞兄弟，相貌相似，体重约260千克，主体都是一个六棱柱，身高24米，最大直径27米。它们个头不算太大，却背负着10多种科学仪器。“兄弟”俩是人类派往访问外行星的第一批使者。“先驱者10”号于1972年3月2日先踏上征途，经过1年又9个月的长途跋涉，穿过危险的小行星带，闯过木星周围的强辐射区，于1973年12月3日与木星相会合。它在距木星13万千米处为这颗行星拍摄了第一张照片，并进行10多项试验和测量，向地球发回第一批木星资料，为揭开木星的奥秘立下头功。在木星巨大引力加速下，直向太阳系“边疆”遁去，于1989年5月24日飞越冥王星轨道，带着给“外星人”礼品——“地球名片”，向银河系漫游而去。
“先驱者11”号于1973年4月6日启程。它以探测土星为主要重任，因此，于1974年12月5日抵达木星附近时，进行礼节性访问后，便直奔庞大的土星家族，1979年8月16日到达，9月7日告别。在22天访问中，测定了土星轨道和总质量；测量了土星的大气、温度、磁场、光环，并对10颗卫星作近距离观测。握别土星后，便从天王星近旁掠过，与“先驱者10”号同于1989年飞离太阳系。
探索外层空间的新标志——人造地球卫星
随着人类科学技术的不断发展，探索太空的能力和手段越来越多，其中人造地球卫星的成功发射，为人类探索太空开创了新纪元。
人造卫星的概念始于1870年。人造地球卫星是指发射到绕地球轨道上作短期或长期运行的人造航天器。其运动服从开普勒行星运动定律，其轨道一般是以地心为焦点的椭圆，特殊情况下是以地心为中心的圆。它离地面的高度根据用度而定，从几百千米到几万千米不等，一般不低于200千米。
1957年10月4日，苏联在拜科努尔发射场发射了世界上第一颗人造地球卫星——“斯普特尼克1”号，首先闯入浩瀚的太空，人类从此进入了利用航天器探索外层空间的新时代。
第一颗人造卫星由镀铬合金制成，重836千克，外表呈圆球形，直径58厘米，轨道远地点为98696千米，近地点为23009千米，每96分钟绕地球一周。卫星载有两部无线电发报机，通过安置在卫星表面的4个天线，发报机不美国制造的第一颗人造地球卫星断地把最简单的信号发射到地面。世界各地许多无线电爱好者当时都接收到了这一来自外空的信号。第一颗人造地球卫星在近地轨道上运行了92个昼夜，绕地球飞行1400圈，总航程6000万千米。
继前苏联成功发射第一颗人造地球卫星后，美国、法国、日本、中国先后也成功独立发射了人造地球卫星。其中，1970年4月24日，我国用自己研制的“长征1”号运载火箭送上太空的“东方红1”号卫星是一个直径约1米的近似球形多面体，重173千克，它比苏、美、法、日的第一颗人造卫星总重量还重。轨道的近地点为439千米，远地点为2388千米，轨道倾角为685度。
人造卫星是发射数量最多的一种航天器，占全部航天器的90％左右，在科学、军事和国民经济各个方面都获得了极其广泛的应用。以科学探测和研究为目的有天文卫星、观测卫星、地球物理卫星、大气密度探测卫星和电离层卫星等。
正是考虑到1957年10月4日发射的第一颗人造卫星开辟了人类探索外空的道路，以及1964年10月10日外空条约生效，1999年联合国第三次外空会议的与会国一致建议，将每年的10月4日~10日作为“世界空间周”。这一意见得到了联合国第54届大会的核准。
载人航天器——宇宙飞船
宇宙飞船是一种运送航天员、货物到达太空并安全返回的一次性使用的航天器。它能基本保证航天员在太空短期生活并进行一定的工作。它的运行时间一般是几天到半个月，一般乘2~3名航天员。
世界上第一艘载人飞船是“东方1”号宇宙飞船。它由两个舱组成，上面的是密封载人舱，又称航天员座舱。舱内设有能保障航天员生活的供水、供气的生命保障系统，以及控制飞船姿态的姿态控制系统、测量飞船飞行轨道的信标系统、着陆用的降落伞回收系统和应急救生用的弹射座椅系统。另一个舱是设备舱，长31米，直径为258米。设备舱内有使载人舱脱离飞行轨道而返回地面的制动火箭系统，供应电能的电池、储气的气瓶、喷嘴等系统。“东方1”号宇宙飞船总质量约为4700千克。“东方1”号宇宙飞船打开了人类通往太空的道路。
至今，人类已先后研究制出三种构型的宇宙飞船，即单舱型、双舱型和三舱型。其中单舱式最为简单，只有宇航员的座舱；双舱型飞船是由座舱和提供动力、电源、氧气和水的服务舱组成，它改善了宇航员的工作和生活环境，世界第一个男女宇航员乘坐的前苏联“东方”号飞船、世界第一个出舱宇航员乘坐的前苏联“上升”号飞船以及美国的“双子星座”号飞船均属于双舱型；最复杂的就是三舱型飞船，它是在双舱型飞船基础上或增加1个轨道舱（卫星或飞船），用于增加活动空间、进行科学实验等，或增加1个登月舱（登月式飞船），用于在月面着陆或离开月面，前苏联/俄罗斯的联盟系列和美国“阿波罗”号飞船是典型的三舱型。联盟系列飞船至今还在使用。
虽然宇宙飞船是最简单的一种载人航天器，但它比无人航天器（例如卫星等）复杂得多，到目前只有美、俄、中三国能独立进行载人航天活动。
我国于1999年11月20日6时30分7秒在酒泉卫星发射中心成功发射了第一艘宇宙飞船“神舟1”号。在这次发射实验中，首次采用了在技术厂房对飞船、火箭联合体垂直总装与测试，整体垂直运输至发射场，进行远距离测试发射控制的新模式。在原有的航天测控网基础上新建的符合国际标准体制的陆海基航天测控网，也在这次发射试验中首次投入使用。飞船在轨运行期间，地面测控系统和分布于公海的4艘“远望”号测量船对其进行了跟踪与测控，成功进行了一系列科学试验。
“神舟7”号宇宙飞船开始巡天之行此次实验标志着我国航天事业迈出重要步伐，对突破载人航天技术具有重要意义，是我国航天史上的重要里程碑。
继这次成功发射宇宙飞船后，我国又相继成功发射神舟系列宇宙飞船“神舟2”号“神舟3”号“神舟4”号“神舟5”号“神舟6”号“神舟7”号。在最后一次“神舟7”号宇宙飞船上实施了我国航天员首次空间出舱活动，突破和掌握出舱活动相关技术，同时开展卫星伴飞、进行“天链1”号卫星数据中继等空间科学和技术试验。飞船运行期间，1名航天员着我国研制的“飞天”舱外航天服出舱进行舱外活动，回收在舱外装载的试验样品装置。这是人类载人航天技术的一个重大跨越。
轨道舱
轨道舱也称留轨舱，就是宇宙飞船在运行轨道上的舱，是航天员在轨道上的工作和休息的场所，里面装有各种实验仪器和设备，可实行对地观测，其两侧装有可收放的大型太阳能电池翼、太阳敏感器和各种天线以及各种对接结构，用来把太阳能转换为飞船的能源、与地面进行通讯等。
载人科学卫星——空间站
空间站是一种大型载人科学卫星。人在空间站里可以居住、生活和进行各种科学实验。在这种空间站上装上巨型望远镜，就成为空间天文台。空间站也是一个无菌、无污染的特殊实验室。特别是在空间轨道上存在着真空失重等条件，可以进行一些在地面上不能进行的科学实验，还可以进行一些特殊产品的制造，进行各种无重力条件下的生物实验等。
“和平”号空间站1973年5月14口，美国第一个空间站发射进入地球轨道。先后有3批共9名宇航员登上“天空实验室”进行生物、航天医学、太阳物理、天文观测、对地观测和工程技术试验，拍摄了约1000万平方千米地球表面的照片共4万多张。创造了宇航员在太空停留84天的纪录。
1986年2月20日，前苏联发射了它的第8个空间站——一种新型的“和平”号空间站。它有6个接口，可以同时停靠6艘宇宙飞船。
站内设有专用乘员仓，里面有小桌一张和一把椅子，用来写宇航日记，还可以放文件。还安装有脚踏装置进行体育锻炼：骑自行车记录器，或在“跑道”上奔跑。室温高达28摄氏度，宇航员在业余时间可以聊天、听音乐、看录像。最使他们激动的是每周一次与地球上亲人的通话。
1988年9月19日，美国与欧洲9个国家及日本、加拿大达成协议，决定共同参加建造一个大型轨道空间站，使其规模更加庞大、更加复杂、完整，并真正成为一个自由的宇宙基地。这项计划从1996年开始，1998年完成。
空间试验基地——太空实验室
人们早就幻想，在宇宙空间建立永久性的居住村，让地球上的人长期在那里生活、工作，并作为到其他星球旅行的中转站。20世纪70年代，宇宙飞船围绕地球做太空旅行和登上月球并安全返回地面以后，建立宇宙空间站的目标就近在咫尺了。前苏联最先迈出了这一步。
1971年4月19日，世界上第一个长期围绕地球运转的人造天体——轨道空间站，从前苏联拜科努尔宇航中心发射升空，它取名“礼炮”号，其意思可能就是人类进入太空长期生活和工作的开张典礼吧。“礼炮”号轨道空间站的近地点为200千米，远地点为222千米，相当接近于一个圆形轨道，这个近圆形轨道与地球赤道面的夹角为516度。“礼炮”号轨道空间站实际是一个天空实验室，里边很宽阔，分成几个部分，可以同时进行几种科学实验工作。它与宇宙飞船“联盟”号对接后，总重量为256吨。
1971年4月23日，前苏联发射了“联盟10”号宇宙飞船，宇航员沙塔洛夫、叶利谢耶夫和鲁卡维什尼科夫乘“联盟10”号飞船，跟随“礼炮”号轨道空间站，在太空飞行了5个小时，并同礼炮号对接，然后就按预先规定的地区返回地面安全着陆，很多人都猜想，这次飞行没有完成任务，失败了。1971年6月6日，前苏联又发射了“联盟11”号飞船，宇航员是冬布罗夫斯基、沃尔科夫和帕察耶夫。一昼夜后，完成会合、对接程序，宇宙飞船乘员组进入空间站，宇航员在空间站逗留23昼夜，完成了大量而复杂的综合科技实验和研究任务。6月30日，“联盟11”号宇宙飞船和“礼炮”号轨道空间站分开，返回地球时，由于回收舱漏气，3名宇航员全部死亡。10月11日，按地面指令“礼炮”号轨道空间站进行制动，进入稠密大气层后陨毁。
1973年5月14日，美国用“土星5”号运载火箭把空间站“天空实验室”送入近地轨道（近地点高434千米，远地点高437千米），运行周期93分钟，倾角50度。它在轨道上重770吨，长246米，最大直径66米。利用改进型的“阿波罗”宇宙飞船将乘员送入轨道，并返回地面。自1973年5月25日至1974年2月8日，曾先后把3个探险队发送上“天空实验室”。
他们在“天空实验室”制造了各种材料，在失重条件下，他们用不着使用任何容器，就能熔化金属并把它们混合起来。把“天空实验室”制造的材料与在地球上工厂生产的材料相比，前者更纯。这就证明了容器污染材料——一项对工业有重要意义的发现。
在“天空实验室”中，宇航员们用特殊摄影机，在大气层以外拍摄了上万张太阳照片，其中包括对太阳爆发的描绘。这些照片可以指引科学家发现由太阳能转变为电能的新途径。他们还拍摄了几千张地球地质照片，这些照片可以帮助科学家去发现各种矿藏。
按原定计划，“天空实验室”将在轨道上运行10年，但因其各种缺陷，于1979年7月11日坠入稠密大气层烧毁。
1983年11月28日美国东部时间上午11时，耸立在肯尼迪航天中心39号发射台上的“哥伦比亚”号航天飞机，开始了它的第六次航天飞行。在“哥伦比亚”号航天飞机货舱内，装载着目前世界上规模最大的太空实验室。
这个太空实验室是由欧洲空间局负责研制的一种可重复使用的载人空间实验装置。整个空间实验室计划于1973年开始，欧洲空间局的11个参加国为它的研制耗资约10亿美元。该实验室是由标准构件组合而成，组合形式可视各种不同的实验需要而定。标准构件有密封科学舱和托盘两种，密封科学舱呈圆筒形，长约7米，直径约4米，内装实验所需的各种仪器设备，科学家在它的里面工作。这次首航的太空实验室—1采用的是一个密封舱与一个托盘的组合。按设计要求，太空实验室—1的使用寿命可达10年，使用中它还可以根据需要重新组合。
太空实验室这次历时10天23个小时的科学实验飞行中，科学家们进行了由4个国家提出的73项实验达数百次，实验内容涉及面很广，包括大气学、气候学、地球学、天文学、医学、生物学和冶金学等很多方面，取得了丰硕的成果。
1986年2月20日，前苏联用“质子”火箭发射的世界最先进的“和平”号轨道空间站进入轨道。这是前苏联的第三代轨道空间站。3月15日，“联盟”T15号飞船与它对接，宇航员及工程师进入“和平”号空间站工作。7月16日，宇航员基齐姆和索洛维约夫结束了125天的宇宙飞行，回到地面。“和平”号轨道空间站仍在太空自动飞行。
“发现”号宇宙飞船拍摄的“和平”号空间站“和平”号轨道空间站还有一个豪华的生活场所，它第一次使宇航员有单人房间，房间内有睡袋、椅子和桌子，宇航员可随时伏案书写宇航日记。还可以用桌子上的电炉烹调自己吃的食物。由12人组成的定期轮换的标准航天队伍，可长期舒适地在站内生活和工作。
“和平”号轨道空间站接待了很多宇航员、科学家、医生和工程师，进行物理学、化学、医学、工程等各方面的科学实验。有些人在“和平”号轨道空间站工作和生活很长时间。1987年2月6日，前苏联著名宇航员尤里·罗曼年科进入空间站，进行了天文学、物理学、工艺学、地球物理学等科目的科学实验1000多次，绕地球飞行5000多圈，于12月9日返回地面，连续在太空飞行326天，创造了人类航天史上长时间飞行的最高纪录。
据报道，由目标飞行器“天宫1”号以及“神8”、“神9”、“神10”三艘飞船组成的中国首个太空实验室，可能在2009年底前进入发射场，进行联合演练。通过“神7”成功发射，中国掌握了太空行走技术，这也令载人航天工程正式进入第二阶段——建立小型太空实验室。
目前中国太空实验室研发顺利，已完成初样设计，进入正样研发阶段。这一阶段的中国载人航天工程，主要将突破“交会对接”技术，目标飞行器将通过这一技术与多艘飞船组合成小型太空实验室。同时，从“天宫1”号到“神10”飞船，堪称中国载人航天史上最密集的发射，4个飞行器要保证在1年时间内全部升空。
中国航天的目标分为三大步，第一步是把人送上太空，这个目标在“神5”顺利升空时即已达成。第二步是继续突破载人航天的基本技术：多人多天飞行、航天员出舱在太空行走、完成飞船与空间舱的交会对接。第三步就是建立永久性的空间试验室，进行科学试验。“神7”升空，意味着三部曲中的第二音阶已然奏响，随后的“神8”到“神10”飞船将相继升空，以奇丽的太空之舞构筑起中国自己的“天宫”系列太空实验室。
我国将在2010年至2015年间发射“天宫1”号目标飞行器和“天宫2”号、“天宫3”号两个空间实验室，还将分别发射2艘无人飞船进行无人对接试验，然后再发射5艘飞船进行载人对接试验和载人驻留试验，预计在7年内连续发射7艘太空飞船。
在“神5”和“神6”的时候，我国的载人航天工程就有八大系统，对外宣称七大系统，只是正在研制中的空间实验室系统，没有参与此前的“神舟”系列。实际上关于“天宫”太空实验室的研制，早在“神舟6”号飞行期间就已经展开。在实现“太空行走”和交会对接技术之后，以空间实验室为平台的空间应用系统将发挥更大的作用。
有了自己的空间实验室甚至空间站，也就有了更多用于空间科学试验的空间，空间应用系统在载人航天工程中的比重也将随之增大。外太空处于真空和失重状态，而且没有大气的阻隔，太空中还有太阳电磁辐射和高能粒子辐射，这样的环境不适合人类居住，但却为人类提供了独特的试验环境。太空生命科学试验不仅可以进行植物育种、发明新的药物，而且在半导体、特种材料、天文学、对地观测等方面的好处更是不一而足。“神舟7”号飞船将进行固体润滑材料的外太空暴露试验，试验数据有助于改善润滑剂效能，应用于汽车还能达到节能减排的作用。因此，以“神7”为起点的空间站建设，将为科学研究带来更大的舞台。
近地轨道
近地轨道又称低地轨道、顺行轨道，是指航天器距离地面高度较低的轨道，一般高度在2000千米以下的近圆形轨道都可以称之为近地轨道。由于近地轨道卫星离地面较近，绝大多数对地观测卫星、测地卫星、空间站以及一些新的通信卫星系统都采用近地轨道。多级火箭和“一箭多星”
要到太空中去，乘飞机是不行的，因为飞机的速度也不过每秒1千米左右。要想使飞船加速到每秒1千米以上，目前常采用火箭来完成这个任务。火箭自带燃料和助燃剂，即使到了真空地界，火箭照样可以工作。如果火箭在大气层中就达到79千米／秒这样的速度，那么，物体与空气摩擦产生的高热将把它烧成灰烬。所以，无论是人造卫星或是宇宙飞船，都得先以较低的速度穿出大气层，然后再加速到所需的速度。因为火箭所带的燃料是有限的，要想用单级火箭把卫星送上天是不可能的。后来，人们采用了多级火箭解决了这个矛盾。所谓多级火箭就是在大火箭上再装上数个更小点的火箭。起飞之后，大火箭先工作，到一定的速度时，它的燃料用完，便把一级火箭的壳体抛掉，这样一级一级地加速，并一级一级地抛掉壳体，最后将卫星送入轨道。
人类采用多级火箭技术，已发射了数以千计的人造卫星及载人飞船，并且还发射了许多星际探测器，对太阳系及其他行星进行了考察，取得了不少宝贵资料。
另外还有一种重要技术叫“一箭多星”。所谓“一箭多星”就是用一枚运载火箭同时发射多颗人造卫星的发射方式。大多用于将同一枚运载火箭中的多颗卫星送入基本相同的轨道上。在末级火箭发动机熄火之后，卫星一一分离，前后只相隔几秒钟的时间。只是由于各个卫星与火箭分离速度不同，它们的运行轨道才略有差异。如果需要把几颗卫星分别送入不同的运行轨道，那么末级火箭发动机就应有多次启动的能力。当第一颗卫星分离以后，末级火箭发动机再次点火工作，改变轨道。在发动机第二次熄火后，第二颗卫星分离……后面的卫星发射以此类推。
发射多颗卫星的运载火箭常常配置有专用的卫星安装支架。支架的下端与末级火箭连接，支架上可以同时安放几颗卫星。卫星的“座位”下有弹簧或顶杆机构，入轨时靠弹簧或杆机构将卫星推出。
中国航天“长征”运载火箭最早实现“一箭多星”的国家是美国。1960年美国用一枚火箭发射了两颗卫星，1961年又实现了“一箭三星”。前苏联曾经多次用一枚火箭将8颗卫星送入运行轨道。1981年，欧洲空间局的“阿丽亚娜”运载火箭，将一颗欧洲气象卫星和一颗印度实验通信卫星，同时送入地球同步轨道。我国于1981年9月20日也成功地将3颗科学实验卫星送入近地轨道，开始了一箭多星技术的研发。
为了提高火箭在宇宙航行中的飞行速度，科学家一直在寻找新的能源。1953年，一位德国科学家提出了光子火箭的设想。光子，就是构成光的粒子。当它从火箭的尾部喷出来的时候，就具有光的速度，每秒可以达到30万千米。如果用光子来作为火箭的推力，我们到达太阳的近邻——比邻星就只要4～5年的时间。
可是，光子火箭的设想还只是停留在理论上，制造它的困难在于它的结构。
我们已经知道，原子是物质化学变化中最小的微粒，原子又是由带正电的原子核和围绕原子核运动的带负电的电子组成的。原子核由带正电的质子和不带电的中子组成。质子、中子和电子还可以分成许多微小的粒子，如中微子、介子、超子等等。
科学家还发现，宇宙中还存在着和这些粒子对应的、电荷相等而符号相反的粒子，如带正电的“反电子”、带负电的“反质子”等，这些粒子被称为“反粒子”。科学家预言，在宇宙空间还存在着“反粒子”组成的“反物质”，当粒子与“反粒子”、物质和“反物质”相遇的时候，就会发生湮灭，同时就会产生大得惊人的能量：500克的粒子和500克的“反粒子”湮灭，所产生的能量就相当于1000千克铀核反应时释放的能量。
如果我们把宇宙中存在的丰富的氢收集起来，让它和其“反物质”在火箭发动机内湮灭，产生光子流，从喷管中喷出，从而推动火箭，这种火箭就是“光子火箭”，它将达到光的速度，以30万千米／秒的速度前进。
虽然湮灭得到的能量十分诱人，科学家在实验室里也已获得了各种“反粒子”，如“反氢”、“反氚”和“反氦”，但是它们瞬息即逝，无影无踪，按目前的科学技术水平，不可能将它们贮存起来，更难以用于推动火箭的飞行。
然而，科学家还是乐观地认为，光子火箭的理想一定会实现。他们设想，在未来的光子火箭里，最前面的是航天员工作和生活的座舱，中间是粒子和“反粒子”的贮存舱，最后面是一面巨大的凹面反射镜。粒子和“反粒子”在凹面镜的焦点处相遇湮灭，将全部的能量转换成光能，产生光子流。凹面镜反射光子流，推动火箭前进。
当然，在这样的光子火箭里，航天员的座舱必须有防辐射保护。否则，航天员的生命就会受到伤害。
可以反复使用的航天飞行器——航天飞机
正在升空的航天飞机航天飞机是一种新型航天工具，它是有人驾驶可以反复使用的一种新式航天飞行器。大家知道，要把人造卫星、宇宙飞船等航天器送到大气层外的宇宙空间去旅行，就需要火箭作为运载工具，但是，在把航天器送到预定轨道的路上，火箭就被逐级抛掉了，也就是说，每发射一次卫星或飞船，就得报销一枚火箭。火箭高几十米，甚至上百米，直径也有十几米，而且，里面还装着许多精密仪器和部件，价格十分昂贵，使用一次就报废了，十分可惜。使用航天飞机可以像火箭那样垂直发射，又能在完成运输任务后重新返回大气层，随后像飞机一样方便地降落在地面，可以达到多次使用的目地。
航天飞机可以把卫星送入预定的地球轨道或是把需要回收的卫星从轨道上取下来，带回地面。在轨道上，它能对航天器进行检查、维修，使其延长使用寿命，甚至对敌人的军用卫星进行拦截、破坏或摘除。它还可以为天上的航天站运送物资，营救遇难的宇航员或为航天器添加推进剂等。
1981年4月12日，第一架航天飞机“哥伦比亚”号起飞，成功地返回地面，结束了人类只能把航天器扔在太空的一次性使用方式的历史。1982年11月11日，航天飞机首次进行商业性飞行，“哥伦比亚”号航天飞机将两颗通讯卫星送入地球静止轨道。1983年欧洲“空间实验室”航天站就是由美国航天飞机带到太空去的。在“哥伦比亚”号之后，“挑战者”号、“发现”号、“亚特兰蒂斯”号相继飞行。从1981年试飞到1986年1月“挑战者”号失事，在这4年多的时间内，美国共进行了24次航天飞机的飞行，发放人造卫星30颗，回收3颗，空间修理两次，携带航天站一座，还进行了各种太空试验。使人类的太空事业进入了一个崭新阶段。
可航空又可航天的飞行器——空天飞机
空天飞机是一种正在研究的飞行器，它的全称叫航空航天飞机。顾名思义，它既可航空，在大气里飞行；又可航天，在太空中飞行，是航空技术与航天技术高度结合的飞行器。
美国在1981年研制成功了航天飞机，成为航天发展史上的一个重要里程碑。但是，航天飞机仍存在着许多不足，主要是维护复杂、费用昂贵和故障经常发生等。而空天飞机与航天飞机相比，则更多地具有飞机的优点。它的地面设施简单，维护使用方便，操作费用低，在普通的大型机场上就能水平起飞和降落，就连它的外形也酷似大型客机。它以液氢为燃料，在大气层内飞行时，充分利用大气中的氧气。加之它可以上万次地重复使用，真正实现了高效能和低费用。
美国预研中的新一代空天飞机研制空天飞机最大的关键技术是动力装置。它的动力装置必须能在极广的范围内工作，即从起飞时速度为零，到进入太空轨道时的超高速度范围内都能正常运行。这就要求它的动力装置具有两种功能：一是火箭发动机的功能，用于大气层外的推进；另一就是吸气式发动机的功能，用于大气层内的推进。吸气式发动机工作时，利用冲压作用对空气进行压缩液化，为其提供液氧燃料。
可以预料，空天飞机一旦研制成功，航天飞机将会被它完全代替，而地球上任何两个城市间的飞行时间都不会超过2小时，速度有多快可想而知。
1986年2月，美国前总统里根在国情咨文中正式宣布了研制一种代号为“新东方快车”的空天飞机，其速度可达音速的25倍。空天飞机在起飞开始时靠空气涡轮冲压发动机提供推进动力，它利用空气中的氧与机上携带的氢产生所需的动力，起飞达到6倍音速后则开始使用超声速燃烧冲压发动机，它也是用空气中的氧与携带的氢提供动力，但由于速度的快速增大，所以工作运转的技术难度也就更大。在飞过大气层之后，空天飞机便依靠能在稀薄空气和真空中工作的氢氧发动机。这种混合式推进系统的使用，显然比火箭系统的发射重量大大地减轻了，所需携带的燃料也大幅度减少，除了在大气层内使用的氢和穿过大气层后使用数量已经较少的氢氧火箭燃料外，整个空天飞机是完全可以重复使用的。它的实现，将会使人类在地球与太空间来往自如，犹如太空列车，在地球和太空站之间来往对开。
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