人类对深空的探索和研究，具有重要的科学价值和社会影响。首先是利用航天技术的优势，更加全面地了解和认识日地空间环境，例如考察高空辐射带、宇宙射线、太阳风等对地球上生态的影响；其次，开发太阳系资源，在月球、火星上建立永久性空间基地，甚至为向这些地外星球移民创造条件；再次，通过对各大行星形成的研究，考察地球形成的历史，探索生命的起源，同时发现更多的新天体，揭开宇宙演化的奥秘，寻觅宇宙人的踪迹等。第一个月球探测器进入太空30多年以来，人类已经有计划、有步骤地对太阳系各个天体进行了广泛考察，获得了极其丰富和宝贵的资料，加深了人们对太阳系空间的认识，甚至改变了过去长期建立起来的旧观念，并为进一步征服太阳系创造了条件。
人类对宇宙的认识
“盖天说”
资料显示，“盖天说”是我国古代最早的宇宙结构学说。该学说认为，天是圆形的，像一把张开的大伞覆盖在地上；而地是方形的，酷似一个棋盘，日月星辰则像爬虫一样过往天空。所以，该学说又被称为“天圆地方说”。
虽然“天圆地方说”符合当时人们粗浅的观察常识，但实际上却很难自圆其说。比如方形的地和圆形的天怎样连接起来，就是一个问题。于是，天圆地方说又修改为：天并不与地相接，而是像一把大伞高悬在大地上空，中间有绳子缚住它的枢纽，四周还有8根柱子支撑着。但是，这8根柱子撑在什么地方呢，天盖的伞柄插在哪里，扯着大帐篷的绳子又拴在哪里？这些也都是天圆地方说无法回答的。
到了战国末期，新的盖天说诞生了。新盖天说认为，天像覆盖着的斗笠，地像覆盖着的盘子，天和地并不相交，天地之间相距8万里。盘子的最高点便是北极。太阳围绕北极旋转，太阳落下并不是落到地下面，而是到了我们看不见的地方，就像一个人举着火把跑远了，我们就看不到了一样。新盖天说不仅在认识上比天圆地方说前进了一大步，而且对古代数学和天文学的发展产生了重要的影响。
空间探测器在新盖天说中，有一套很有趣的天高地远的数字和一张说明太阳运行规律的示意图——七衡六间图。古代许多圭表都是高8尺，这和新盖天说中的天地相距8万里有直接关系。盖天说是一种原始的宇宙认识论，它对许多宇宙现象不能作出正确的解释，同时本身又存在许多漏洞。到了唐代，天文学家一行等人通过精确的测量，彻底否定了盖天说中“日影千里差一寸”的说法后，盖天说从此便破产了。
“浑天说”
日月星辰东升西落，它们从哪里来，又到哪里去呢？日月在东升以前和西落以后究竟停留在什么地方？这些问题一直使古人困惑不解。直到东汉时，著名的天文学家张衡提出了完整的“浑天说”思想，才使人们对这个问题的认识前进了一大步。
该学说认为，天和地的关系就像鸡蛋中蛋白和蛋黄的关系一样，地被天包在当中。浑天说中天的形状，不像盖天说所说的那样是半球形的，而是一个南北短、东西长的椭圆球。大地也是一个球，这个球浮在水上，回旋漂荡；后来又有人认为地球是浮于气上的。不管怎么说，浑天说包含着朴素的“地动说”的萌芽。
事实上，用浑天说来说明日月星辰的运行出没是相当简洁而自然的。浑天说认为，日月星辰都附着在天球上，白天，太阳升到我们面对的这边来，星星落到地球的背面去；到了夜晚，太阳落到地球的背面去，星星升上来。如此周而复始，便有了星辰日月的出没。
浑天说把地球当做宇宙的中心，这一点与盛行于欧洲古代的“地心说”不谋而合。不过，浑天说虽然认为日月星辰都附在一个坚固的天球上，但并不认为天球之外就一无所有了，而只是说那里是未知的世界。这是浑天说比地心说高明的地方。
浑天说提出后，并未能立即取代盖天说，而是两家各执一端、争论不休。但是，在宇宙结构的认识上，浑天说显然要比盖天说进步得多，能更好地解释许多天象。
另一方面，浑天说手中有两大法宝：一是当时最先进的观天仪——浑仪，借助于它，浑天家可以用精确的观测事实来论证浑天说。在中国古代，依据这些观测事实而制定的历法具有相当的精度，这是盖天说所无法比拟的。另一大法宝就是浑象，利用它可以形象地演示天体的运行，使人们不得不折服于浑天说的卓越思想。因此，浑天说逐渐取得了优势地位。到了唐代，一行等人通过大地测量彻底否定了盖天说，使浑天说在中国古代天文领域称雄了上千年。
“宣夜说”
资料显示，宣夜说是我国历史上最有卓见的宇宙无限论思想。它最早出现于战国时期，到汉代则已明确提出。“宣夜”是说天文学家们观测星辰常常喧闹到半夜还不睡觉。据此推想，宣夜说是天文学家们在对星辰日月的辛勤观察中得出的。
不论是中国古代的盖天说、浑天说，还是西方古代的地心说，乃至哥白尼的日心说，无不把天看做一个坚硬的球壳，星星都固定在这个球壳上。宣夜说否定这种看法，认为宇宙是无限的，宇宙中充满着气体，所有天体都在气体中漂浮运动。星辰日月的运动规律是由它们各自的特性所决定的，绝没有坚硬的天球或是什么本轮、均轮来束缚它们。宣夜说打破了固体天球的观念，这在古代众多的宇宙学说中是非常难得的。这种宇宙无限的思想出现于2000多年前，是非常可贵的。
除此之外，宣夜说创造了天体漂浮于气体中的理论，并且在它的进一步发展中认为连天体自身，包括遥远的恒星和银河都是由气体组成的。这种十分令人惊异的思想，竟和现代天文学的许多结论不谋而合。
宣夜说不仅认为宇宙在空间是无边无际的，而且还进一步提出宇宙在时间上也是无始无终的、彻底的、无限的思想。它在人类认识史上写下了光辉的一页。可惜宣夜说的卓越思想在中国古代没有受到重视，几至于失传。
“地心说”
地心说是长期盛行于古代欧洲的宇宙学说。它最初由古希腊哲学家亚里士多德提出，后来经天文学家托勒密进一步发展而逐渐建立和完善起来。
托勒密认为，地球处于宇宙中心静止不动。从地球向外，依次有月球、水星、金星、太阳、火星、木星和土星，在各自的圆轨道上绕地球运转，其中行星的运动要比太阳、月球复杂些：行星在本轮上运动，而本轮又沿均轮绕地运行。在太阳、月球、行星之外，是镶嵌着所有恒星的天球——恒星天。再外面，是推动天体运动的原动天。
地心说是世界上第一个行星体系模型。尽管它把地球当做宇宙中心是错误的，然而它的历史功绩不应抹杀。地心说承认地球是“球形”的，并把行星从恒星中区别出来，着眼于探索和揭示行星的运动规律，这标志着人类对宇宙认识的一大进步。地心说最重要的成就是运用数学计算行星的运行，托勒密还第一次提出“运行轨道”的概念，设计了一个本轮——均轮模型。按照这个模型，人们能够对行星的运动进行定量计算，推测行星所在的位置，这是一个了不起的创造。在一定时期里，依据这个模型可以在一定程度上正确地预测天象，因而在生产实践中也起过一定的作用。
中世纪后期，随着观测仪器的不断改进，行星位置和运动的测量越来越精确，观测到的行星实际位置同这个模型的计算结果的偏差，就逐渐显露出来了。
但是，信奉地心说的人们并没有认识到这是由于地心说本身的错误造成的，却用增加本轮的办法来补救地心说。起初这种办法还能勉强应付，后来小本轮增加到80多个，但仍不能满意地计算出行星的准确位置。这不能不使人怀疑地心说的正确性了。到了15世纪，哥白尼在持日心地动观的古希腊先辈和同时代学者的基础上，终于创立了“日心说”。从此，地心说便逐渐被淘汰了。
“日心说”
1543年，波兰天文学家哥白尼在临终时发表了一部具有历史意义的著作——《天体运行论》，完整地提出了“日心说”理论。在这个理论体系中，太阳是行星系统的中心，一切行星都绕太阳旋转。地球也是一颗行星，它一面像陀螺一样自转，一面又和其他行星一样围绕太阳转动。
日心说把宇宙的中心从地球挪向太阳，这看上去似乎很简单，实际上却是一项非凡的创举。哥白尼依据大量精确的观测材料，运用当时正在发展中的三角学的成就，分析了行星、太阳、地球之间的关系，计算了行星轨道的相对大小和倾角等，“安排”出一个比较和谐而有秩序的太阳系。这比起已经加到80余个圈的地心说，不仅在结构上优美和谐得多，而且计算简单。更重要的是，哥白尼的计算与实际观测资料能更好地吻合。因此，日心说最终代替了地心说。
在中世纪的欧洲，托勒密的地心说一直占有统治地位。因为地心说符合神权统治理论的需要，它与基督教会所渲染的“上帝创造了人，并把人置于宇宙中心”的说法不谋而合。如果有谁怀疑地心说，那就是亵渎神灵、大逆不道，要受到严厉制裁。日心说把地球从宇宙中心驱逐出去，显然违背了基督教义，为教会势力所不容。为了捍卫这一学说，不少仁人志士与黑暗的神权统治势力进行了前仆后继的斗争，付出了血的代价。意大利思想家布鲁诺，为了维护日心说，最终被教会用火活活烧死；意大利科学家伽利略，也因为支持日心说而被宗教法庭判处终身监禁；开普勒、牛顿等自然科学家，都为这场斗争作出过重要贡献。
“大爆炸说”
1929年，天文学家哈勃公布了一个震惊科学界的发现，这个发现在很大程度上导致这样的结论：所有的河外星系都在离我们远去，即宇宙在高速地膨胀着。这一发现促使一些天文学家想到：既然宇宙在膨胀，那么就可能有一个膨胀的起点。天文学家勒梅特认为，现在的宇宙是由一个“原始原子”爆炸而成的。这是大爆炸说的前身。俄裔美国天文学家伽莫夫接受并发展了勒梅特的思想，于1948年正式提出了宇宙起源的大爆炸学说。
伽莫夫认为，宇宙最初是一个温度极高、密度极大的由最基本粒子组成的“原始火球”。根据现代物理学，这个火球必定迅速膨胀，它的演化过程好像一次巨大的爆发。由于迅速膨胀，宇宙密度和温度不断降低，在这个过程中形成了一些化学元素（原子核），然后形成由原子、分子构成的气体物质。气体物质又逐渐凝聚成星云，最后从星云中逐渐产生各种天体，成为现在的宇宙。
这种学说一般人听起来非常离奇，不可思议。在科学界，也由于这个学说缺乏有力的观测证据，因而在它刚刚问世时，并未予以普遍的响应。
到了1965年，宇宙背景辐射的发现使大爆炸说重见天日。原来，大爆炸说曾预言宇宙中还应该到处存在着“原始火球”的“余热”，这种余热应表现为一种四面八方都有的背景辐射。特别令人惊奇的是，伽莫夫预言的“余热”温度竟恰好与宇宙背景辐射的温度相当。另一方面，由于有关的天文学基本数据已被改进，因此根据这个数据推算出来的宇宙膨胀年龄，已从原来的50亿年增到100~200亿年，这个年龄与天体演化研究中所发现的最老的天体年龄是吻合的。由于大爆炸说比其他宇宙学说能够更多、更好地解释宇宙观测事实，因此愈来愈显示出它的生命力。
目前，大多数天文学家都接受了大爆炸说的基本思想，不少过去不能解释的问题正在逐步解决，它是最有影响、最有希望的一种宇宙学说。
“星云说”
太阳系究竟是怎样产生的，这个问题直到现在仍然没有令人完全满意的答案。长期以来，人们为了解决这个问题，曾经提出过许多学说。其中，“星云说”是提出最早，也是在当代天文学上最受重视的一种学说。
最初的星云说是在18世纪下半叶由德国哲学家康德和法国天文学家拉普拉斯提出来的。由于他们的学说在内容上大同小异，因而人们一般称之为康德—拉普拉斯星云说。他们认为：太阳系是由一块星云收缩形成的，先形成的是太阳，然后剩余的星云物质进一步收缩演化形成行星。
星云说出现以前，人们把天体的运动变化看做是上帝发动起来的，称之为“第一次推动”。康德—拉普拉斯的星云说，用自然界本身演化的规律性来说明行星运动的一些性质，无疑对这种荒谬的观点是一个有力的打击，也为天文学的发展建立了不朽的功勋。
不过，康德—拉普拉斯星云说只是初步地说明了太阳系的起源问题，还有许多观测事实却难以用它来解释。所以，星云说在很长时间里陷入了窘境。直到本世纪，随着现代天文学和物理学的进展，特别是近几十年里恒星演化理论的日趋成熟，星云说又焕发出了新的活力。
现代观测事实证明，恒星是由星云形成的。太阳系的形成在宇宙中并不是一个独特的偶然的现象，而是普遍的必然的结果。另外，关于太阳系的许多新发现也有力地支持了星云说。
在这样的背景下，现代星云说逐渐完善起来了。当然，星云具体是怎样演化的，这一点还有不少分歧的意见。有一种观点认为：形成太阳系的是银河系里的一团密度较大的星云，这块星云绕银河系的中心旋转着，当它通过旋臂时受到压缩，密度增大，达到一定密度时，就在自身引力的作用下逐渐收缩。收缩过程中，一方面使星云中央部分内部增温，最后形成原始太阳，当原始太阳中心温度达到700万摄氏度时，氢聚变为氦的热核反应点火，于是，现代太阳便真正诞生了。另一方面，由于星云体积缩小，因而自转加快，离心力增大，逐渐在赤道面附近形成一个星云盘。星云盘上的物质在凝聚和吞并过程中，最后演化为行星和其他小天体。总之，现在人们已能用星云说比较详细地描述太阳系的起源过程，但还有很多具体问题未能很好解决，还有待完善和充实。
宇宙速度
宇宙速度是指物体达到112千米/秒的运动速度时能摆脱地球引力束缚的一种速度。在摆脱地球束缚的过程中，在地球引力的作用下它并不是直线飞离地球，而是按抛物线飞行。脱离地球引力后在太阳引力作用下绕太阳运行。若要摆脱太阳引力的束缚飞出太阳系，物体的运动速度必须达到167千米/秒。那时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。
神秘的宇宙探测器
探测器
我们居住的地球，只是太阳系的一颗小行星。太阳系所在的银河系中，有1000多亿颗太阳这样的恒星，而它们的行星就更是不计其数了。地球的直径只有约12756千米，而太阳系的空间范围比地球要大100万倍以上，大约为013光年。可太阳系所在的银河系的直径达10万光年。因此，科学家推测，在浩瀚的宇宙中，除地球之外，还会有存在智慧生物的星球。于是，自古以来就有“天外来客”的传闻，甚至不断有人称发现“外星人”造访过地球的踪迹。
在地球以外的星球上是否存在智慧生命？开初，人类派出了“先驱者10”号、“先驱者11”号和“旅行者1”号、“旅行者2”号两对特使，到茫茫宇宙去寻觅知音。它们在太阳系周游之后，没有发现有生命存在的迹象，将飞出太阳系去访问“外星人”或“宇宙人”。这两对探测器已经在太阳系内漫游了15~20年，现在差不多都飞到了太阳系的边缘。它们将担负起寻访地外文明和传递人类信息的使命。
探测器
美国1972年和1973年先后发射的“先驱者10”号和“先驱者11”号探测器，带有一封访问地外文明的“介绍信”。它是设计新颖别致的一块镀金铝质金属牌，上面镌刻着表示人的形象的一男一女，以及标明太阳系及其地球位置的图像。图的上部为氢原子符号；右部为一对男女裸体人像，人像背后是按比例绘制的航天器外形，表明人体的大小；下部是太阳及其9大行星组成的太阳系，箭头表示航天器从地球出发及其航行的途径；左部的一个星状符号绘出了地球相对于14个脉冲星的位置关系。这是一张通往太空的名片，能在宇宙中保留几万年之久。
在此5年之后的“旅行者1”号和“旅行者2”号探测器，则带有一套“地球之声”唱片，作为人类送给外星人的第一份礼物。这套唱片由镀金的铜板制成，直径30厘米，可放音120分钟。它首先向太空宣告：“这是来自一个遥远的小小星球的礼物，它代表了我们的声音、科学、形象、音乐、思想和感情。我们正在努力，相信将来有朝一日将会解决面临的问题，参加到我们的希望，决心和对遥远世界的良好祝愿！”这套唱片的主要内容分为4个部分：第一部分是用图像编码录制的115幅照片和图表，介绍了太阳系的概况及其在银河系中的位置、地球的面貌、人类的科学技术发展及社会状况等，其中包括中国长城的照片和中国人家宴画面；第二部分是用世界上60种语言说的问候语，其中包括中国的普通话、粤语、厦门话和江浙语；第三部分是用声音介绍地球上的各种自然现象及发展历史，有风声、雨声、雷声，各种昆虫鸟兽鸣叫吼啸的声音，以及婴儿落地的呱呱啼哭声和火箭发射的巨大隆隆声；第四部分是音乐节目，有贝多芬、巴赫的名曲，有各国的民族乐曲，包括中国古乐“流水”等。
这套唱片装在一个密封的铝盒里，把人类的信息带出太阳系，进入茫茫太空去寻找自己的知音。人们期待它们能如愿以偿。
空间探测器是用于探测外太空的飞行器，属于无人驾驶的太空飞行器，探测器通常用于执行某一特定探测或调查的任务，较先进的太空探测器通常具有一定程度的人工智慧，以便于按实际情况来进行任务。
空间探测器离开地球时必须获得足够大的速度（见宇宙速度）才能克服或摆脱地球引力，实现深空飞行。探测器沿着与地球轨道和目标行星轨道都相切的日心椭圆轨道（双切轨道）运行，就可能与目标行星相遇，或者增大速度以改变飞行轨道，可以缩短飞抵目标行星的时间。例如，美国“旅行者2”号探测器的速度比双切轨道所要求的大02千米/秒，到达木星的时间缩短了将近1/4。
为了保证探测器沿双切轨道飞到与目标行星轨道相切处时目标行星恰好也运行到该处，必须选择在地球和目标行星处于某一特定相对位置的时刻发射探测器。例如飞往木星约需1000天的时间，木星探测器发射时木星应离会合点83°（相当于木星在轨道上走1000天的路程）。根据一定的相对位置要求，可以从天文年历中查到相应的日期，这个有利的发射日期一般每隔一两年才出现一次。探测器可以在绕飞行星时，利用行星引力场加速，实现连续绕飞多个行星（见行星探测器轨道）。
空间探测器是在人造地球卫星技术基础上发展起来的，但是与人造地球卫星比较，空间探测器在技术上有一些显著特点。
空间探测器飞离地球几十万到几亿千米，入轨时速度大小和方向稍有误差，到达目标行星时就会出现很大偏差。例如，火星探测器入轨时，速度误差1米/秒（大约是速度的万分之一），到达火星时距离偏差约10万千米，因此在漫长飞行中必须进行精确地控制和导航。飞向月球通常是靠地面测控网和空间探测器的轨道控制系统配合进行控制的（见航天器轨道控制）。行星际飞行距离遥远，无线电信号传输时间长，地面不能进行实时遥控，所以行星和行星际探测器的轨道控制系统应有自主导航能力（见星际航行导航和控制）。例如，美国“海盗”号探测器在空间飞行8亿多千米，历时11个月，进行了2000余次自主轨道调整，最后在火星表面实现软着陆，落点精度达到50千米。此外，为了保证轨道控制发动机工作姿态准确，通信天线始终对准地球，并使其他系统正常工作，探测器还具有自主姿态控制能力。
为了将大量的探测数据和图像传送给地面，必须解决低数据率极远距离的传输问题。解决方法是在探测器上采用数据压缩、抗干扰和相干接收等技术，还须尽量增大无线电发射机的发射功率和天线口径，并在地球上多处设置配有巨型抛物面天线的测控站或测量船。空间探测器上还装有计算机，以完成信息的存贮和处理。
太阳光的强度与到太阳距离的平方成反比，外行星远离太阳，那里的太阳光强度很弱，因此外行星探测器不能采用太阳电池电源而要使用空间核电源。
空间探测器承受十分严酷的空间环境条件，有的需要采用特殊防护结构。例如“太阳神”号探测器运行在近日点为0309天文单位（约4600万千米）的日心轨道，所受的太阳辐射强度比人造地球卫星高一个数量级。有些空间探测器在月球或行星表面着陆或行走，需要一些特殊形式的结构，例如适用于在凹凸不平表面上行走的挠性轮等。
空间探测器的使命
星河灿烂，深空路遥。当第一颗人造卫星进入地球轨道飞行之后不久，人类向地外星球进军就提上了日程。现在，人类制造的宇宙探测器不仅为人类登上月球开辟了道路，而且已经遍访了太阳系的各大行星，同时正在向太阳系外更遥远的星球跋涉。
人类对深空的探索和研究，具有重要的科学价值和社会影响。首先是利用航天技术的优势，更加全面地了解和认识日地空间环境，例如考察高空辐射带、宇宙射线、太阳风等对地球上生态的影响；其次，开发太阳系资源，在月球、火星上建立永久性空间基地，甚至为向这些地外星球移民创造条件；再次，通过对各大行星形成的研究，考察地球形成的历史，探索生命的起源，同时发现更多的新天体，揭开宇宙演化的奥秘，寻觅宇宙人的踪迹等等。第一个月球探测器进入太空多年以来，人类已经有计划、有步骤地对太阳系各个天体进行了广泛考察，获得了极其丰富和宝贵的资料，加深了人们对太阳系空间的认识，甚至改变了过去长期建立起来的旧观念，并为进一步征服太阳系创造了条件。
探测器空间探测既包括对地球空间范围的探测，也包括对月球、行星和行星际空间进行探测。对地球以外的空间探测的主要目的是：研究月球和太阳系的起源和现状，通过对太阳系各大行星及其卫星的考察研究，进一步揭示地球环境的形成和演变情况；认识太阳系的演化，探寻生命的起源和演变历史，利用宇宙空间的特殊环境进行各种科学实验，直接为国民经济服务。
空间探测器装有科学探测仪器，执行空间探测任务。空间探测的主要方式有：（1）在近地空间轨道上进行远距离空间探测。（2）从月球或行星近旁飞过，进行近距离探测。（3）成为月球或行星的人造卫星，进行长期的反复观测。（4）在月球或行星及其卫星表面硬着陆，利用着陆之前的短暂时间进行探测。（5）在月球或行星及其卫星表面软着陆，进行实地考察，也可将获取的样品送回地球进行研究。（6）在深空飞行，进行长期考察。
空间探测的范围集中在地球环境、空间环境、天体物理、材料科学和生命科学等方面。自1957年10月4日第一颗人造卫星发射上天，到2000年全世界已发射了100多个空间探测器。它们对宇宙空间的探测取得了丰硕成果，所获得的知识超过了人类数千年所获知识总和的千百万倍。
1958年1月31日美国发射成功第一颗卫星“探险者1”号，它首次探测到地球周围存在一个高能电子、粒子聚集的辐射带，这就是著名的范·艾伦辐射带。1958年末美国发射的“先驱者3”号探测器，在飞离地球10万千米的地方又发现了第二条辐射带。这是利用人造卫星和空间探测器最初探测的典型成果。
从1958年开始，人类用人造卫星、宇宙飞船、空间站和航天飞机等作为探测手段，对近地空间的环境，如地球辐射带、地球磁层、太阳辐射、极光、宇宙射线等进行了探测。美国的“探险者”、“轨道地球物理观测站”、“轨道太阳观测站”系列，前苏联的“宇宙”号、“预报”号、“质子”号系列中的一部分，中国的“实践”系列等，借助携带的科学仪器，测量了地球大气层、电离层、磁层的基本结构，测量了太阳光辐射谱、空间粒子成分、高能电子、高能质子和太阳磁场等参量及其变化，探测了各类现象之间的相互关系等。通过对空间环境的探测和研究，为各类航天器的发射和飞行，航天员较长时间在太空生活，并实现太空行走和其他太空活动，提供了重要数据和安全条件。
从1959年开始，人类已经跨过近地空间到月球以至月球以外的深空进行探测活动。各种空间探测器相继考察了月球，拜访了太阳系的水星、金星、火星、木星、土星、天王星、海王星以及哈雷彗星等。其中对月球的考察最详细，甚至派遣了航天员赴月球实地考察；对金星、火星不仅拍摄绘制了地形图，而且还多次发射无人探测器在金星和火星表面着陆进行科学考察。科学家由此初步揭开了月球和太阳系各大行星的不少奥秘，回答了过去天文学家们争议不休的许多不解之谜。
从1960年美国发射第一颗天文卫星“太阳辐射监测卫星”开始，人类陆续发射了分别对X射线、V射线、紫外线和红外线等进行观测的天文卫星，它们突破了地球大气层对天体辐射的阻挡，获取了来自宇宙空间整个波段的电磁辐射，实现了高灵敏度和高分辨率的观测，使对天体的观测波段扩大到紫外线、X射线、V射线等地面无法观测的波段，从而不断揭示出宇宙的真实面貌。
探测器史话
人类虽然一直向往广漠的宇宙空间，但真正有意义的行动始于1783年施放的第一个升空气球。限于当时的技术条件，不可能上升很高，探测的局限性很大。第二次世界大战后发射的V-2探空火箭，最高也只达到约160千米的高度。20世纪50年代，由大量的地面台站、气球和火箭等组成全球协同的观测体系，但并未取得突破性成果。1957年10月4日第一颗人造地球卫星发射成功，从此人类跨进了宇宙空间的大门，开始了空间探测的新时代。在随后的30多年间，对月球、行星和行星际空间进行了有成效的探测，探测领域不断扩大。
空间探测的主要内容
近地空间探测：主要指对地球高层大气 、电离层、磁层等区域所进行的探测。探空火箭是近地空间探测的重要手段，它能把探测仪器带到几十至几千千米的高空进行直接测量。人造地球卫星的成功发射，使得对地球磁层可进行详尽的探查，地球辐射带的发现就是人造地球卫星的第一个重大发现，并证实地球磁层的存在。人造地球卫星围绕地球以圆形或椭圆形轨道运行，根据不同的探测目的可选择不同的轨道类型：一是极地圆轨道，对赤道面的倾角约为90°。在高层大气、电离层和高空磁场测量中，常采用这种轨道。二是大扁度轨道，它的远地点高度要比近地点高度高得多，这种轨道容易获得磁层的完整的剖面资料。三是同步轨道，当卫星在赤道面上高度为 36万千米的圆轨道运行时，卫星绕地球一周恰好与地球自转一周的时间相等，相对于地球是静止的。这种卫星的测量结果容易与地面观测结果配合起来分析。但实际中对近地空间的探测，多采用卫星系列进行。
行星际空间探测：主要是探查行星际空间的磁场、电场、带电粒子和行星际介质的分布及随时间的变化。探测证实了太阳风的存在，发现了行星际磁场的扇形结构。探测行星际空间的飞行器可以有4种轨道类型 ：一是地心轨道 ，围绕地球运行的卫星，只要以远地点超出磁层，就能进入行星际空间进行探测。二是日心轨道，利用围绕太阳运行的飞行器来探测行星际空间十分理想，并且常与行星探测结合起来。三是飞离太阳系的轨道，当飞行器达到第三宇宙速度时，就能克服太阳的引力作用，沿抛物线轨道飞往星际空间，就能够直接探测太阳系在地球轨道以外的部分。四是平衡点轨道，在太阳和地球的联线上有一个平衡点，太阳和地球的引力在这里恰好相等，飞船可以在通过这一点和日地连线相垂直的平面上沿椭圆轨道运动。对于定点监视行星际的物理状态十分理想。
月球和行星的探测：月球是离地球最近的天体，人们对月球的探测比较早，也比较详尽 。1969 年7月16日发射的“阿波罗11”号第一次载人登上月球，进行实地考察并采集月岩、月壤样品 400多千克。行星际探测器系列对行星进行了探测 ，并由对内行星发展到对外行星的探测。
人类原始的观测太空“基地”——天文台
史料表明，中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”，而商代的天文台则叫做“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。
北京古观象台
事实上，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。古代帝王在该处祀天，同时又任命专职人员在这里观测天象，占卜吉凶，编算历书。
后来，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，从此，司天机构在我国一直受到高度重视。除特殊情况外，历代现象台和观天设备都建设在京城。
河南登封古观星台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，目前这座古天文台已成废墟。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43位工作人员，分工极为详细，并且观测项目应有尽有。因此，汉代时期我国天文学十分发达，在当时的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。始建于元世祖至元十六年（1279），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，位于正南北方向。
天体仪示意图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。
而北京古观象台则安装有8件清代制作的天文观测仪器（天体仪、赤道经纬仪、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、雕刻精细而著称于世，1983年4月1日经整修正式对外开放。
圭表是我国古代度量日影长度的一种天文仪器，由“圭”和“表”两个部件组成。直立于平地上测日影的标杆和石柱，叫做表；正南正北方向平放的测定表影长度的刻板，叫做圭。
很早以前，人们发现房屋、树木等物在太阳光照射下会投出影子，这些影子的变化有一定的规律。于是便在平地上直立一根竿子或石柱来观察影子的变化，这根立竿或立柱就叫做“表”；用一把尺子测量表影的长度和方向，则可知道时辰。后来，发现正午时的表影总是投向正北方向，就把石板制成的尺子平铺在地面上，与立表垂直，尺子的一头连着表基，另一头则伸向正北方向，这把用石板制成的尺子叫“圭”。正午时表影投在石板上，古人就能直接读出表影的长度值。
经过长期观测，古人不仅了解到一天中表影在正午最短，而且得出一年内夏至日的正午，烈日高照，表影最短；冬至日的正午，煦阳斜射，表影则最长。于是，古人就以正午时的表影长度来确定节气和一年的长度。譬如，连续两次测得表影的最长值，这两次最长值相隔的天数，就是1年的时间长度，难怪我国古人早就知道1年等于365天多的数值。
仪征铜圭表是中国现存最早的圭表。1965年在江苏仪征石碑村1号东汉墓出土。仪征铜圭表长345厘米，圭表合汉制15尺，边缘上刻有尺寸单位；表高192厘米，合汉制8寸。圭、表间用枢轴连接，使之合为一体。使用时将表竖立与圭垂直；平时可将表折入圭体中留出的空档内，便于携带。根据传统的说法，表高为8尺，这一数值曾被长期沿用。该表的表高恰为8尺的1/10，说明它是一件便携式的测影仪器，可证明当时常设的天文台用8尺的表进行观测的说法是可信的。
在很多情况下，圭表测时的精度是与表的长度成正比的。元代杰出的天文学家郭守敬在周公测时的地方设计并建造了一座测景台。它由一座946米高的高台和从台体北壁凹槽里向北平铺的长长的建筑组成，这个高台相当于坚固的表，平铺台北地面的是“量天尺”，即石圭。这个硕大的“圭表”使测量精度大大提高。
史料证明，以圭表测时，一直延至明清，现在南京紫金山天文台的一具圭表，是明代正统年间（1437~1442）所造的。
远古时的人们，日出而作、日没而息，从太阳每天有规律的东升西落，直观地感觉到了太阳与时间的关系，开始以太阳在天空中的位置来确定时间。但这很难精确。据记载，3000年前，西周丞相周公旦在河南登封县设置过一种以测定日影长度来确定时间的仪器，称为圭表。这当为世界上最早的计时器。
此外，圭表还可以有多种用途，周秦时期，人们认为在同一日子里，南北两地的日影长短倘若差1寸，它们之间的距离大约有1000里。据说周王室裂地封侯的时候，用的就是这种办法。圭表还可以测定方向。在地上画许多个同心圆，将表竿竖立在圆心，当上下午表影顶点落在同一圆周上时，将这些对应点连接起来，它们的中点轨迹与圆心连线便是南北方向。在夜里，当视线通过表顶凝望北极时，这方向也即是南北方向。古人在搭建房舍，修造道路和营造宫殿的时候都要仔细地确定南北方向（即子午方向），《诗经》上说“揆之以日，作于楚室”。揆，揣度的意思。全句可以解释为：通过观测日影来决定营造楚国宫殿的方向。
日晷是利用太阳投射的影子来测定时刻的装置，又称“日规”，是我国古代利用日影测得时刻的一种计时仪器。
日冕世界上最早的日晷诞生于6000年前的巴比伦王国。中国最早文献记载是《隋书·天文志》中提到的袁充于隋开皇十四年（574）发明的短影平仪，即地平日晷。赤道日晷的明确记载初见于南宋曾敏行的《独醒杂志》卷二中提到的晷影图。
日晷通常由铜制的指针和石制的圆盘组成。铜制的指针叫做“晷针”，垂直地穿过圆盘中心，起着圭表中立竿的作用。因此，晷针又叫“表”，石制的圆盘叫做“晷面”，安放在石台上，呈南高北低，使晷面平行于天赤道面，这样，晷针的上端正好指向北天极，下端正好指向南天极。在晷面的正反两面刻画出12个大格，每个大格代表2个小时。当太阳光照在日晷上时，晷针的影子就会投向晷面，太阳由东向西移动，投向晷面的晷针影子也慢慢地由西向东移动。晷面的刻度是不均匀的。于是，移动着的晷针影子好像是现代钟表的指针，晷面则是钟表的表面，以此来显示时刻。早晨，影子投向盘面西端的卯时附近。接着，日影在逐渐变短的同时，向北（下）方移动。当太阳达正南最高位置（上中天）时，针影位于正北（下）方，指示着当地的午时正时刻。午后，太阳西移，日影东斜，依次指向未、申、酉各个时辰。由于从春分到秋分期间，太阳总是在天赤道的北侧运行，因此，晷针的影子投向晷面上方；从秋分到春分期间，太阳在天赤道的南侧运行，因此，晷针的影子投向晷面的下方。所以在观察日晷时，首先要了解两个不同时期晷针的投影位置。
这种利用太阳光的投影来计时的方法是人类在天文计时领域的重大发明，这项发明被人类所用达几千年之久，然日晷有一个致命弱点是阴雨天和夜里是没法使用的，直至1270年在意大利和德国才出现早期的机械钟，而中国则在1601年明代万历皇帝才得到2架外国的自鸣钟，清代时虽有很多进口和自制的钟表，但都为王宫贵府所用，一般平民百姓还是看天晓时。所以彻底抛却日晷，看钟表知辰光还是近现代的事。
使用日影测时的日晷，无论是何种形式都有一根指时针，这根指时针与地平面的夹角必须与当地的地理纬度相同，并且正确地指向北极点，也就是都有一根与地球自转轴平行的指针。观察这根指针在指定区域内的投影，就能确定时间。现在常见的日晷有下列几种不同的形式：
（1）水平式日晷。是最常用的日晷，采用水平式的刻度盘，日晷轴的倾斜度依使用地的纬度设定，刻度需要利用三角函数计算才能确定。适合低纬度地区使用。
（2）赤道式日晷。赤道式日晷是依照使用地的纬度，将轴（指时针）朝向北极固定，通过观察轴投影在垂直于轴的圆盘上的刻度来判断时间的装置。盘上的刻度是等分的，夏季和冬季轴投影在圆盘上的影子会分在圆盘的北面和南面，适合中低纬度的地区使用。若将圆盘改为圆环则称为赤道式罗盘日晷。
（3）极地晷。供指时针投影的平面与指时针平行，即与地平面的夹角与地理纬度相同，并朝向正北。时间的刻画可以用简单的几何图来处理，投影的时间线是平行的线条。适合各种不同纬度的地区使用。
（4）南向垂直日晷。刻度盘面朝向正南且垂直地面的日晷。这一种日晷较适合在中纬度（30°～60°）地区使用。
（5）东或西向垂直式。刻度盘面朝向正东或正西且垂直地面的日晷。这一种日晷只能在上半日（东向）或下半日（西向）使用，但全球各纬度地区都适用。
（6）侧向垂直式。刻度盘面采用垂直方向的日晷。这一种日晷需要依照建筑物的墙面方向换算刻度，不容易制作。依季节及时间的不同，有时不会产生影子。南向与东西垂直日晷都可视为此形的特例。
（7）投影日晷。不设置指时针，仅在地平面依地理纬度的不同绘制不同扁率的椭圆，在其上刻画时间线，并将长轴指向正东西方向，南北向的短轴上则需刻上日期，指示立竿测量时刻的正确位置。
在此次北京奥运会开幕式上就上演了焰火点亮日晷这一激动人心的一幕。时钟接近20∶00，焰火在“鸟巢”上空绽放，突然，一道耀眼的焰火在体育场上方滚动，激活古老的日晷。日晷将光芒反射到2008面缶组成的缶阵上，和着击打声，方阵显示倒计时秒数。缶面上连续闪出巨大的9、8、7、6、5、4、3、2、1……场面之震撼，令人终生难忘。
探测太空的千里眼——天文望远镜与射电望远镜
事实证明，人们靠用肉眼或依靠简单的工具进行天文观测，观测视野势必会受到很大限制，因此意大利科学家率先发明了望远镜，从而使人类的视线范围得到了实质性的扩大。
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。
其实，和普通望远镜一样，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）望远镜品种、式样很多，根据设计原理，大致可以分为3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。这种望远镜焦距较长，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。目前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。由于早期的折射望远镜有许多缺陷，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。目前世界上较大的天文望远镜，要数前苏联高加索山上那台口径为6米和美国帕洛玛山天文台的口径为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。
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。事实上，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，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。
射电望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。
也许读者会问，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内的辐射情况，对可见光以外范围（如γ射线、V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，由于宇宙中还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。
事实上，射电望远镜就是一套类似收音机、雷达那样的接收装置。它由天线、接收机、校准源以及记录设备等几大部分组成。该种望远镜的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。而接收机系统的作用则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。记录仪或显示器所描绘出来的图像通常是一些弯弯曲曲的线条，而这些线条正是各种遥远的宇宙天体向我们发来的各种射电信息。
“天眼”哈勃望远镜
在介绍哈勃太空望远镜之前，我们首先了解下哈勃望远镜的故事。而事实上该故事还要从1946年说起，当时普林斯顿的天文学家莱曼·斯皮策曾建议美国研制一台太空望远镜，但自从国会于1977年批准之后，这个计划一直受到进度推迟、工作混乱、经费超支的困扰。当直径24米的主透镜经过5年的研磨、抛光于1981年完成时，所耗资金就比预算超出300万美元。再加上各种各样的技术问题和1986年“挑战者”号航天飞机失事后航天飞机停飞3年的禁令，直到1990年4月24日才把这台望远镜发射上天。
哈勃太空望远镜示意图该望远镜是用埃德温·哈勃的名字命名的，因为哈勃在1929年发现了宇宙膨胀。而科学家们研制这台望远镜的目的，便是观测宇宙的边缘，以有助于对人类最高深的一些问题找到答案。
资料显示，哈勃太空望远镜是被送入轨道的口径最大的望远镜。该望远镜总长128米，镜筒直径428米，主镜直径24米，连外壳孔径则为3米，全重约115吨。这是一个完整的性能卓越的空间天文台，借助它可观测到宇宙中140亿光年远发出的光；它能够单个地观测到星群中的任一颗星；它能研究和确定宇宙的大小和起源，以及宇宙的年龄、距离标度；它还能分析河外星系，确定行星部、星系间的距离，它能对行星、黑洞、类星体和太阳系进行研究，并画出宇宙图和太阳系内各行星的气象图。
专家指出，该望远镜由3大部分组成，第一部分是光学部分，第二部分是科学仪器，第三部分是辅助系统，包括两个长118米、宽23米，能提供24千瓦功率的太阳能电池帆板及两个与地面通讯用的抛物面天线。镜筒的前部是光学部分，而后部则是一个环形舱，在这个舱里面，望远镜主镜的焦平面上安放着一组科学仪器，太阳能电池帆板和天线从筒的中间部分伸出。
望远镜的光学部分是整个仪器的心脏。它采用卡塞格林式反射系统，由两个双曲面反射镜组成，一个是口径24米的主镜，另一个是装在主镜前约45米处的副镜，口径03米。投射到主镜上的光线首先反射到副镜上，然后再由副镜射向主镜的中心孔，穿过中心孔到达主镜的焦面上形成高质量的图像，供各种科学仪器进行精密处理，得出来的数据通过中继卫星系统发回地面。
除了光学部分，望远镜的另外一个主要部分就是装在主镜焦平面上的8台科学仪器，分别是：
（1）宽视场行星照相机。
它灵敏度高，观测波段极宽，从紫外一直到红外；不仅可观测太阳系行星，还可对银河系和河外星系进行观测，且照片清晰度非常高。
（2）暗弱天体照相机。
它是两个既独立又相似的完整天体和探测系统，可探测到暗至23~29等的星体。
（3）暗弱天体摄谱仪。
它可对从紫外到近红外波段的辐射进行光谱分析，又可测算它们的偏震。
（4）高分辨率摄谱仪。
它能对紫外波段进行分光观测，能观察更暗弱、更遥远的天体。
（5）高速光度计。
它可在可见光波段和紫外波段范围内对天体做精确测量，可确定恒星目标的光度标准，又进一步识别过去人们观测到的天体情况。
（6）精密制导遥感器。
望远镜上一共有3台精密制导遥感器，分别用于望远镜定向系统和天体位置精密测量定位。
事实上，这些科学仪器是为望远镜在最初几年运转期间所配备的。为了使太空望远镜能够充分利用最新技术成果，焦平面上的这些仪器设计成可作各种不同组合和更换方式的仪器。在望远镜工作期间，可以通过航天飞机上的航天员进行维修更换，必要时，也可以用航天飞机将整个望远镜载回地面做大的修理，然后再送入轨道。太空望远镜的寿命按设计要求至少15年，估计实际可达几十年。
当发现该望远镜观测距离不够远时，因首次拍摄到一颗天体的图像带来的兴奋一下子便变成极度的担忧。原来预计可以观测140亿光年远的望远镜现在只能观测到40亿光年！后来发现是因为主透镜边缘磨得太平，多磨掉了025毫米。更糟的是太阳能电池板每跨过一次昼夜分割线（90分钟）就折曲一次，引起了使视觉模糊不清的图像跳动。于是，描述情况很糟的种种说法都加在了哈勃望远镜的身上，批评家们甚至开始对美国航空航天局是否该继续存在下去提出了质疑。
3年后，美国宇航局对“重病缠身”的哈勃望远镜进行了一次耗资25亿美元、为期11天的大修。由航天员给它装上了称作“眼睛”的矫正光学部件和不易弯曲的太阳能电池板，中止了图像跳动。另外还装上了经过改进的摄像机。
在随后的1997年2月，美国航空航天局耗资35亿美元又进行了第二次维修，这次航天员又安装了2台新的仪器，使望远镜的数据搜集能力提高了9倍。一台近红外摄像机和多天体摄谱仪，把望远镜的能力扩展到了比电磁频谱中可看到的红光波长更长的红外线范围。另一台是太空望远镜成像摄谱仪，被称作是哈勃望远镜的“彩色视觉”。与以前的摄谱仪的区别是，它可以一次观测多达512个不同的天域或天体，找到可以确定这些天体的成分、速度和温度的线索。
为了扩大数据存储能力，航天局还装上了一台固态型磁带数据记录器。同以前所用的技术相比，这些新的仪器具有人工智能，可以一起协同工作，也可以同原先安装在望远镜上的其他摄像机一起工作。在各种波长的同时成像对天文学家更深入地研究某个天体非常有利。
事实证明，“哈勃”确实为人类探索太空提供了诸多依据。首先，“哈勃”帮助解决了一些长期困扰天文学家的问题，而且导出了新的整体理论来解释这些结果。“哈勃”的众多主要任务之一是哈勃太空望远镜拍摄的蝴蝶哈勃望远镜将对黑洞研究产生深刻影响。
星云要比以前更准确地测量出造父变星的距离，这可以让我们更加准确地定出哈勃常数的数值范围，这样才能对宇宙的扩张速率和年龄有更正确的认知。在“哈勃”升空之前，哈勃常数在统计上的误差估计是50%，但在“哈勃”重新测量出室女座星系团和其他遥远星系团内的造父变星距离后，提供的测量值准确率可以在10%之内。这与“哈勃”发射之后以其他更可靠的技术测量出来的结果是一致的。
“哈勃”也被用来改善宇宙年龄的估计，宇宙的未来也是被质疑的问题之一。来自高红移超新星搜寻小组和超新星宇宙论计划的天文学家使用望远镜观察遥远距离外的超新星，发现宇宙的膨胀也许实际上是在加速中。这个加速已经被“哈勃”和其他地基望远镜的观测证实，但加速的原因目前还很难以理解。
而由“哈勃”提供的高解析光谱和影像很明确地证实了盛行的黑洞存在于星系核中的学说。在60年代初期，黑洞将在某些星系的核心被发现还只是一种假说，在80年代才鉴定出一些星系核心可能是黑洞候选者的工作，“哈勃”的工作却使得星系的核心是黑洞成为一种普遍和共同的认知。“哈勃”计划在未来将着重于星系核心黑洞质量和星系本质的紧密关联上，“哈勃”对星系中黑洞的研究将在星系的发展和中心黑洞的关连上产生深刻与长远的影响。
“哥伦比亚”航天飞机示意图
作为一个无可否认的事实是，哈勃太空望远镜已到“晚年”。它在太空的十几年中，经历4次大修，分别为1993年、1997年、1999年、2001年。尽管每次大修以后，“哈勃”都面貌一新，特别是2001年科学家利用“哥伦比亚”航天飞机对它进行的第四次大修，为它安装测绘照相机，更换了太阳能电池板，更换已工作11年的电力控制装置，并激活处于“休眠”状态的近红外照相机和多目标分光计，然而，大修仍掩盖不住它的“老态”，因为“哈勃”从上太空起就处于“带病坚持工作”状态。
美国航空航天局将于近期召集各方面专家和宇航员共同讨论，到底在何时以何种方式让NASA（美国航空航天局）骄子——“哈勃”“寿终正寝”。尽管人们仍对它恋恋不舍，但“哈勃”所剩时日不多，也许在今年或稍晚一些时候就会被换下“一线”。
目前，美国正在积极筹划研制新一代太空望远镜，旨在接替目前还在轨道运行的哈勃望远镜。据报道，新一代望远镜主镜口径达75米，其观察范围比“哈勃”大4～6倍，清晰度不亚于“哈勃”。新一代望远镜，重量预定3000千克，而“哈勃”重达10000千克。制造这么大而又这么轻的镜片，要求在材料上有巨大的突破和进展。
“哈勃”在对宇宙形成初期进行探测时留下了1~10亿年之间空白，而新一代望远镜将填补这段空白，研究宇宙的早期，观察诸星系形成时期的情况。“哈勃”专门用紫外线和可见光中的短波来观测宇宙，而新一代望远镜则用电磁光谱中波长较长的红外线部分来深入探索宇宙。因为宇宙在扩张的过程中诸星系远离地球向外运动，它们的光变成波长较长的红光，以红外线的形式传到地球上。
专家指出，新一代望远镜不像“哈勃”那样绕地球轨道，而是将稳定地占据地球与太阳之间、月球以外约150万千米的一条轨道，制造一个望远镜阵。专家预计其最终的空间分辨率可优于哈勃望远镜近千倍。
作为将于2010年结束观测活动的哈勃太空望远镜的后续机，计划于2011年发射升空。但因哈勃太空望远镜的修补等延命措施的效果，故发射改期为2013年。
自从1959年世界第一个空间探测器升空以来，人类已相继发射了拜访月球、太阳系的7大行星以及小行星和彗星的探测器。有的探测器还飞到太阳系外去揭示更遥远的深空奥秘，其中对月球的考察最详细，甚至派遣了航天员赴月球实地考察。
地外星系示意图这些探测器取得了巨大成果，大大扩展了人类的活动范围，揭开了月球和太阳系各大行星的不少奥秘，回答了过去天文学家们争论不休的许多不解之谜，促进了空间科学向着更深、更广的领域发展。
对地外星球进行探测的主要目的是：研究月球和太阳系的起源和现状；通过对太阳系各大行星及其卫星的考察研究，进一步揭示地球环境的形成和演变情况；认识太阳系的演化，探寻生命的起源和演变历史；利用宇宙空间的特殊环境进行各种科学实验，直接为国民经济服务。
探空火箭
人类对太空的探测还有一种重要工具，它就是探空火箭。探空火箭系统由有效载荷、火箭、发射装置和地面台站组成。有效载荷大多装在箭头的仪器舱内。仪器舱的直径有时可大于箭体直径。有效载荷采集到的信息通过遥测装置发送到地面台站接收处理，或者在火箭下降过程中将有效载荷从火箭内弹射出来，利用降落伞等气动减速装置安全降落到地面回收。有效载荷的重量和尺寸取决于探测要求，一般为几公斤到几百公斤，最大可达几吨。火箭包括箭体结构、动力装置、稳定尾翼等。大多数探空火箭为单级或两级火箭，也有为3级、4级的。动力装置通常用固体火箭发动机，可以简化和缩短发射操作时间。探空火箭对火箭姿态和飞行弹道的要求不像导弹和运载火箭那样严格，一般不设控制系统，仅靠稳定尾翼或火箭绕纵轴旋转来保证飞行稳定。需要精确定位和定向时才设置控制系统。发射装置通常用导轨和塔式发射架，使火箭获得足够大的出架速度。无控制火箭的飞行弹道受风的影响较大，为了保证达到预定的高度和减小弹道散布，探空火箭发射时尚需根据发射场的高空风资料采用风补偿技术来调整和确定发射角度。大多数探空火箭从地面以接近垂直状态发射，也有从移动式发射车发射的，根据需要还可从舰船或升在空中的气球上发射。地面台站主要包括接收测量信息的地面接收设备、跟踪火箭的定位测速设备（如雷达）和电子计算机等。雷达跟踪方式有反射式和应答式两种，应答式比反射式的跟踪距离更大。地面接收设备接收的遥测数据直接输入电子计算机处理，实时给出探测结果。
探空火箭通常可按研究对象分类，如气象火箭、生物火箭、地球物理火箭等。气象火箭多用于100千米以下高度的大气常规探测。生物火箭用于外层空间的生物学研究。地球物理火箭用于地球物理参数探测，使用高度大多在120千米以上。
探空火箭所获取的资料可用于天气预报、地球和天文物理研究，为弹道导弹、运载火箭、人造卫星、载人飞船等飞行器的研制提供必要的环境参数。探空火箭还可用于某些特殊问题的试验研究，如利用探空火箭提供的失重状态研究生物机体的变化和适应性，利用探空火箭进行新技术和仪器设备的验证性试验等。探空火箭一般为无控制火箭，具有结构简单、成本低廉、发射方便等优点。它更适用于临时观察短时间出现的特殊自然现象（如极光、日食、太阳爆发等）和持续观察某些随时间、地点变化的自然现象（如天气）。发射无控制火箭有一些特殊技术要求，主要是：保证飞行稳定，达到预定的探测高度和减少弹道顶点和落点的散布。世界第一枚专门用于高空大气探测的火箭是美国于 1945年秋研制成功的“女兵下士”火箭。它能将11千克的有效载荷送到 70千米的高空。此后，美国和前苏联利用缴获的V-2火箭发射了一批探空火箭。50年代的国际地球物理年活动大大推动了探空火箭的发展，许多国家开始了探空火箭的研制。到80年代，世界上已有20多个国家发展或使用了探空火箭。探空火箭的年发射量高达数千枚。
空间探测大写意
迄今，包括前苏联、美国、日本、欧洲空间局等在内的许多国家或组织都相继发射了空间探测器，获取了大量前所未有的、丰富的有关日地空间、月球和行星的探测数据，为人类认识、开发和利用宇宙提供了科学的依据。随着人类社会的发展和空间技术水平的不断提高，空间探测的广度和深度也在不断扩大。
空间探测器是通过装载的科学探测仪器来执行空间探测任务的。已发射的空间探测器主要采用以下几种方式：
（1）从地外星球近旁飞过或在其表面硬着陆，利用这个过程的短暂时间探测地外星球周围环境和拍摄地外星球照片。前苏联的“月球3”号探测器就以这种方式发回了第一批月球背面的照片。
（2）以月球或行星卫星的方式取得信息，这样能有较长的探测时间并获取较全面的资料。美、苏都发射过不少人造地外星球卫星。欧洲的“火星快车”、“金星快车”等都属于这一类。
（3）探测器在月球或行星及其卫星表面软着陆，以固定或漫游车的方式进行实地考察、拍摄探测和取样分析等。美国“勘测者”系列探测器（共7个）曾陆续在月面软着陆，详细调查月面情况，为“阿波罗”载人登月飞船挑选理想的着陆点。前苏联发射过2辆月球车，扩大了探测范围，获取了大量数据，并给“火星车”研制提供了经验。目前，美国的“勇气”号、“机遇”号火星车已在火星表面探测了好几年。
（4）用载人或不载人探测器在月面软着陆后取得样品返回地球，进行实验室分析。美国在20世纪六七十年代成功发射过6艘“阿波罗”载人登月飞船，航天员们在月球上一共停留了近300个小时，足迹达100千米，带回月岩样品约几百千克，取得了丰富的科学数据和月球岩石样本，大大充实了人们对月球的认识，其中有的载人登月飞船还带上“月球车”，车上装有许多科学仪器，航天员驾驶它在月面行走，主要用于扩大航天员的活动范围和减少体力消耗。2006年1月15日，美国“星尘”号探测器首次携带怀尔德-2彗星样本成功返回地面，在全球产生了巨大影响。
（5）在深空开展漫游式飞行，对中途所路过的星球逐一进行短期考察，飞出太阳系后仍继续探测。其典型代表就是美国的“旅行者1”号、“旅行者2”号等。
（6）进行撞击式探测，它与早期的硬着陆不同，是一种新兴起的探测方式，主要是探测地外星球的内部结构和组成，发挥探测器的余热，其中影响较大的是美国“深入撞击”探测器在2005年7月4日首次撞击“坦佩尔1”号彗星，这是人类第一个实际接触并探索彗星的空间活动；另外，2006年9月3日，欧洲SMART1号也采用了这种方式撞击了月球。将于2007～2008年发射的印度月球“初航1”号也拟搭载一个质量30千克的撞击器来撞击月球，以激起月球土壤，获取有关矿物质和水的科学数据；2008年10月升空的美国“月球坑观测与探测卫星”探测器，将于2009年1月两次撞击月球南极，希望能找到那里有水和其他化合物的痕迹。它的撞击能量将是1999年美国“月球勘测者”探测器率先撞击月球的200倍，很容易被观测到。由此可见，用撞击方式来探测月球内部正成为一种发展趋势。
（7）人类下一个重要目标是在月球建立永久性载人基地，以开发和利用月球的资源、能源和特殊环境，并为载人火星航行开道铺路。在月球上建设规模庞大的基地，是一项前所未有的创新工程，需要花费巨大的人力、物力和财力，所以在建设之前要做大量的准备工作，例如发射月球探测器对月球进行全面探测，以选择好月球基地的地址；要研制充当开路先锋的月球机器人等，为人类重返月球、建立月球基地及最终的载人火星航行开道铺路。
群雄逐星竞风流
人类现已探测了月球、水星、金星、火星、木星、土星、天王星、海王星以及一些小行星和彗星等。
（1）在月球探测方面，1959年1月2日前苏联发射了“月球1”号探测器，2天后它从距月球6000千米处飞过，首次探访了月球。同年10月7日，“月球3”号探测器在飞过月球时，拍摄了月球背面的第一张照片。前苏联总共发射了24个“月球”系列探测器。美国也不示弱，在发射了数个“徘徊者”、“勘测者”和“月球轨道器”等月球探测器后，成功把6艘载人飞船送上月球表面，创造了人间奇迹。美国1998年发射的“月球勘探者”证实了月球上有水冰，此举在全球产生了轰动。现在，已有越来越多的国家已经或正在开展探月，其中1990年1月24日日本发射的“飞天”号使该国成为世界第三个探月的国家。世界第四个探月的是欧洲局，它于2003年9月27日发射了其第一个月球探测器“斯玛特1”号。
（2）在水星探测方面，水星是太阳系中距太阳最近的行星，也是9大行星中最小的一颗。因为水星距太阳最近，被太阳耀眼的光芒所笼罩，所以探测它很困难。美国的“水手10”号探测器1974年首次掠过水星。美国2004年发射的“信使”号探测器将于2011年左右到达水星，成为第一个进入水星轨道的探测器。
（3）在金星探测方面，人类对太阳系行星的探测首先是从金星开始的。迄今虽然只有约20个探测器造访过金星，但它们已初步揭开了金星的面纱。第一颗绕越金星的探测器是美国的“水手2”号，它1962年8月发射升空，同年12月与金星近距离接触。1970年，前苏联的“金星7”号探测器首次在金星上着陆。1989年5月4日，美国用航天飞机发射的“麦哲伦”号金星探测器是目前最先进的金星探测器。
（4）在火星探测方面，火星是位于地球轨道外侧的第一颗行星，与地球很相似，所以最受人类青睐，已发射了30多个火星探测器。第一次成功到达火星的是美国的“水手4”号，它于1965年7月14日在火星表面约1万千米的地方掠过，第一次对火星作了近距离考察。1969年2月24日和3月27日发射的“水手6”号和“水手7”号，于7月31日和8月4日在距火星约3400千米处飞过，对火星的大气成分和结构作了探测。1971年5月30日发射的“水手9”号于11月14日进入火星轨道飞行，拍摄了70%的火星表面。1975年8月20日和9月9日，美国先后发射2个“海盗”探测器，1976年7月20日和9月3日它们先后在火星软着陆。此后，又发射了“火星探路者”等。
（5）在木星探测方面，木星是太阳系中最大的一颗行星，并拥有一个为数众多的卫星群，在结构上也颇似太阳系。因此，通过木星的研究，能有助于了解太阳的演变和起源。第一个拜访木星的探测器是美国1972年3月发射的“先驱者10”号，此后美国“先驱者11”号、“旅行者1”号和“旅行者2”号也先后掠过木星，对木星进行考察。1989年10月18日美国“亚特兰蒂斯”号航天飞机把伽利略号木星专用探测器带上太空并施放入轨，它于1995抵达木星后进行了卓有成效的探测。
（6）在土星探测方面，1979年9月1日，经过6年半的太空旅程，“先驱者11”号成为第一个造访土星的探测器。1980年11月12日，“旅行者1”号从距土星12600千米的地方飞过，一共发回1万余幅彩色照片。美国和欧洲合作研制的“卡西尼”号探测器1997年发射升空，2004年进入土星轨道，2005年初“卡西尼”号释放了欧洲的“惠更斯”号探测器，后者成功在土星上着陆。
（7）在天王星探测方面，天王星是太阳系的第七颗行星，距太阳的平均距离有29亿千米。第一个也是唯一的一个访客是美国“旅行者2”号。“旅行者2”号1977年发射升空，直到1986年才从距离天王星最近的点飞过。
（8）在海王星探测方面，和天王星一样，海王星只被旅行者2号近距离访问过，初访时间是1989年。
（9）在冥王星探测方面，由于冥王星离太阳最远，所以至今还没有进行过专门探测。不过，美国研制的第一个冥王星探测器也于2006年升空，它将在2015年抵达冥王星。
（10）在彗星和小行星探测方面，世界上规模最大、影响最大的彗星探测，是在1986年3月对著名的“哈雷”彗星回归所进行的探测活动。1985～1986年，全世界先后专门发射了5个“哈雷”彗星探测器，它们都取得了很好的探测成果。近年，美欧又先后发射了“星尘”号、“罗塞塔”和“深入撞击”等彗星探测器，再次掀起彗星探测的新高潮。美国宇航局的“尼尔”探测器于2000年2月14日进入了名叫爱神星的小行星运行轨道，这是人类发射的航天器首次成功地进入围绕小行星运行的轨道。
太阳系
太阳系就是我们现在所在的恒星系统。它是以太阳为中心，和所有受到太阳引力约束的天体的集合体：8颗行星冥王星已被开除、至少165颗已知的卫星，和数以亿计的太阳系小天体。这些小天体包括小行星、柯伊伯带的天体、彗星和星际尘埃。广义上，太阳系的领域包括太阳、4颗像地球的内行星、由许多小岩石组成的小行星带、4颗充满气体的巨大外行星、充满冰冻小岩石、被称为柯伊伯带的第二个小天体区。在柯伊伯带之外还有黄道离散盘面、太阳圈和依然属于假设的奥尔特云。
人造卫星
卫星，是指在宇宙中所有围绕行星轨道上运行的天体，环绕哪一颗行星运转，就把它叫做相应行星的卫星。
我们知道，月亮是地球的卫星，它像忠实的卫士，始终围绕着地球旋转。它自身不会发光，明亮的月光是月球反射太阳光的结果。在太阳系中，有好几颗行星都有自己的“卫士”，而且有些行星不止一个“卫士”。有一些较大的小行星也有自己的“卫士”，它们统称为卫星。
月球是地球的卫星许多卫星和行星很相似，它们的运动轨道具有共面性、近圆性、同向性，并且与它们守卫的行星的距离按一定的规律分布着，这样的卫星称为规则卫星。反之，不具有这些性质的卫星，称为不规则卫星。
卫星绕行星转动有两种方式：一种是和行星绕太阳转动的方向一致，称为顺行；一种是和行星绕太阳转动的方向相反，称为逆行。除了公转以外，卫星本身还有自转。
研究发现，在浩大的太阳系中，除水星和金星之外，其他行星都有自己的天然卫星。目前太阳系已知的天然卫星总数至少有160颗，其中包括构成行星环的较大的碎块。天然卫星的大小不一，彼此差别很大。其中一些直径只有几千米大，例如，火星的两个小月亮，还有木星、土星、天王星外围的一些小卫星。还有几个在太空运行的卫星却比水星还大，例如，土卫6、木卫3和木卫4，它们的直径都超过5200千米。
什么是人造卫星
“人造卫星”就是环绕地球在空间轨道上运行（至少1圈）的无人航天器。科学家用火箭把它发射到预定的轨道，使之环绕着地球或其他行星运转，以便进行探测或科学研究。并且通常把围绕哪一颗行星运转的人造卫星就称为相应行星的人造卫星，比如最常用于观测、通讯等方面的人造地球卫星。
我们知道，地球对周围的物体有引力的作用，因而抛出的物体要落回地面，并且抛出的初速度越大，物体就会飞得越远。牛顿在思考万有引力定律时就曾设想过，从高山上用不同的水平速度抛出物体，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次离山脚远。倘若没有空气阻力，当速度足够大时，物体就永远不会落到地面上来，它将围绕地球旋转，成为一颗绕地球运动的人造地球卫星，简称人造卫星。
资料表明，人造卫星是发射数量最多、用途最广、发展最快的航天器。1957年10月4日，前苏联发射了世界上第一颗人造卫星。之后，美国、英国、法国、日本、印度也相继发射了人造卫星。中国于1970年4月24日发射了“东方红1”号人造卫星，截至2008年年底中国共成功发射了近百颗不同类型的人造卫星。除上述国家外，加拿大、意大利、澳大利亚、德国、荷兰、西班牙和印度尼西亚等也在准备自行发射或已经委托别国发射了人造卫星。
人造卫星人造卫星一般由专用系统和保障系统两部分组成。专用系统是指与卫星所执行的任务直接有关的系统，也称为有效载荷。应用卫星的专用系统按卫星的各种用途包括：通信转发器、遥感器、导航设备等。而科学卫星的专用系统则是各种空间物理探测、天文探测等仪器。技术试验卫星的专用系统则是各种新原理、新技术、新方案、新仪器设备和新材料的试验设备。而保障系统则是指保障卫星和专用系统在空间正常工作的系统，也称为服务系统，其中主要有结构系统、电源系统、热控制系统、姿态控制和轨道控制系统、无线电测控系统等。而对于返回卫星，则还有返回着陆系统。
卫星的结构系统除了构成卫星的外形以外，它还有一个重要的用途，就是要经得起严酷环境条件的考验，起到保护内部的仪器设备的作用。比如说在火箭点火工作的刹那，伴随着震耳欲聋的轰鸣，成吨的燃料喷着长长的火舌从发动机的喷管倾泻而出，这样会产生强大的冲击和振动，并且立刻作用到结构上；此外，当火箭高速飞行时，它的表面和周围大气会产生强烈的摩擦。在摩擦的作用下，火箭表面很快会被加热，我们称之为气动加热。它可以使卫星表面的温度达到几百摄氏度，对卫星非常不利。当返回式卫星返回时，它是以8千米/秒的速度冲向地球，就像流星一样快。由于大气的阻挡，卫星的速度会迅速地减小，同时伴随着运动能量的减少，这些减少的能量几乎全部变成热能。这些热能会使卫星周围气体的温度高达10000℃！卫星结构温度也有2000℃~3000℃！卫星进入太空后，它的运行要经过日照区和阴影区。当卫星运行到日照区时，太阳直接照射在卫星上，会产生达到100℃的高温。而当卫星运行到阴影区时，卫星的温度就很低，最低为-100℃。
所以，为了使卫星能够经受种种的考验，保证它能够正常工作，科学家们首先要求卫星有足够的强度和刚度。那么，什么是卫星结构的强度和刚度呢？
科学上给出的强度定义是当卫星的结构在一定的外力作用下，使自身不被破坏的能力。而刚度则是指当结构受到一定的外力作用时，使卫星不产生过大变形的能力。当卫星受到外力的作用时，尽管它的结构没被破坏，但是有很大的变形也是不允许的。
除此之外，我们对卫星的结构要求是非常高的，但是在材料的选取和使用上要求更高，既要求材料的强度高、刚度好，又要求材料的密度小，也就是相同的体积下具有更小的质量。现在的低密度、高强度的非金属复合材料就很好，它在这方面已得到了“重用”，我们常听说的玻璃钢就是其中的一种。
不管是火箭还是卫星，都有众多的电子仪器设备，要想使得这些电子设备正常地运行，就需要充足的能源供给做后盾。因此说，能源系统对卫星而言就像它们的食粮，是必不可少的。卫星上的众多的电子仪器和活动部件，都需要供电后才能工作。
专家指出，与地面能源所不同的是，卫星的“食粮”有更高的标准。具体体现在以下几个方面：
首先，我们要求它能够在真空状态下工作；其次，要求用于产生能源的材料要轻，而且这种材料在相同的质量下，能够激发出更大的能量。
对于低轨道、短寿命的卫星，我们一般多采用化学电源，如银-锌电池、镍-镉电池；或者是选择性能更好的如锂电池、氢—氧燃料电池等。
而对于高轨道、长寿命的卫星，我们一般采用太阳能电池。太阳能电池从太阳取得能量，所以它的能量是源源不断的，并且可使卫星工作几年甚至几十年的时间。
有时我们从电视上能看到像蜻蜓一样伸展着两个大翅膀的卫星，那两个大翅膀可不是用来飞行的，而是太阳能电池的帆板。或许在不远的将来，随着科学技术的不断发展，更为先进的能源会越来越多地被采用，比如核能源就是一个很好的例子。
有趣的是，人造卫星对它的能源系统还挺挑剔的，可不是“吃饱了”就行，不过卫星这是为了工作的需要，所以我们要尽量满足它。那么，卫星对它的“吃食”有哪些要求呢？
首先，表现在能源系统要有电池来存储电能。为了减少卫星的重量，一般是直流电源。其次，卫星上不同的仪器需要不同的电压和不同的电流，这就需要把固定电压的直流电进行变换，所以还要有变换器。
另外，要想把电流送到每个仪器，还必须要有电缆来传输，对于大型卫星，如果把卫星的各种电缆线一根根地接起来，能够围绕地球转好几圈呢！
由于太空是一种失重环境，倘若人造卫星在该环境下不加控制的话便会乱翻筋斗，这种情况是绝对不允许的。卫星飞行时有的需要它的天线始终对准地面；有的要求它的工作窗口对准地面，而有的仪器需要始终对准太阳。我们可以简单地设想一下，如果胡乱翻滚那还能工作吗？
从广义上讲，对于卫星的控制是多方面的，有姿态控制、轨道控制、工作程序控制和无线电控制等4个方面。下面我们首先看看卫星的姿态控制和轨道控制是如何工作的。
为了防止卫星在飞行中的翻滚，首先要对它的飞行姿态进行控制，使卫星始终保持一种姿态或者在必要的时候改变现有姿态。卫星飞行时保持姿态的标准就是使它的某一个轴始终指向空间的一个特定方向。不管卫星是什么形状，总可以按照不同的方向规定它的3个轴的方向，比如卫星的长度方向规定为纵轴，记为X向，则其他两个横轴就是Y向和Z向。
卫星的姿态控制就是控制卫星的飞行姿态，保持姿态轴的稳定，使它的变化在工作允许的范围内，而一旦超出这个允许的范围，就要进行调整。根据对卫星的不同工作要求，卫星姿态稳定的方法也是不同的，有的卫星使它的一个轴始终定向，指向空间固定方向，而卫星本体围绕这个轴转动来稳定姿态，好像小孩玩的陀螺，一转动起来就有一个轴的方向保持不变，卫星的这种姿态稳定方式称为自旋稳定。产生卫星旋转的动力是在卫星的表面沿圆周方向，也称为切线方向，对称地装上小火箭，当需要时，自动点燃小火箭，用火箭的动力产生力矩，使卫星起旋。我国的“东方红”卫星和初期的通信卫星都是采用自旋稳定的方式。
而有些卫星在飞行时3个轴都要控制，不允许任何一个轴产生超出规定值的转动，这种稳定方式我们称之为卫星的三轴姿态稳定。在卫星的姿态控制中，有时需要它完成规定的动作，也就是按预定的程序绕着某一个轴转过一个角度，这也是控制系统的工作范围。
此外，控制的另一方面的含义就是轨道控制。那什么是轨道控制呢？前面我们已经说过，对于轨道较低的卫星，当它飞行一段时间后，由于大气的阻力，它的轨道高度逐渐降低，这就好像我们在刮风天迎风骑车一样，很吃力，时间长了，其速度就要慢下来一样。卫星与之同理，气体的阻力会使它的速度减慢、高度降低，这时就需要进行控制，给它一定的能量进行加速，使它回到原来的轨道高度，要不然卫星就有坠落的危险。
那卫星的控制系统又是由哪些部分组成的呢？典型的控制系统包括以下几个部分：
（1）敏感器部分。
科学家指出，卫星控制系统的敏感器的作用是用于测量卫星的姿态变化，其中包括卫星沿各个轴的转动角度有多大，是否超出规定的范围，它是向哪个方向转动。
资料显示，敏感器包括如陀螺、地平仪、太阳敏感器、星敏感器等部件；卫星上装有惯性定向陀螺，它始终指向空间的某一方向，当卫星的姿态正确时，卫星的3个轴的指向就正确，和陀螺的指向一致；而当卫星沿任一轴产生了转动而且超出了允许的范围时，陀螺的指向并不变，这样一来，卫星和陀螺之间就产生了姿态的误差，这种姿态的误差就会变成电信号的变化。信号的大小就反映了卫星的姿态变化量。而地平仪和太阳敏感器的道理也相似，只不过一个以地球定位，一个以太阳定位。
（2）变换器部分。
变换器部分的作用是把经过敏感器敏感测量的卫星的姿态角度的变化值变成电信号，经过一系列地处理和放大、比较后把信号送到控制动力部分。变换器部分都是由一些复杂的电子线路组成的。
（3）控制动力部分。
当卫星的姿态产生误差后，当然不止是能够测量它，知道误差的大小和方向，最主要的是能够控制它、纠正它，使它恢复到正确的位置，而这一任务则是由控制动力部分来完成的，有时也称这部分为执行机构。在远离卫星质心的特定部位，对称地装有小发动机的喷管，这些喷管有的沿卫星的纵向安装，有的沿卫星表面的横向安装，它们都与变换器的电子线路相连；其中小发动机的动力有的采用液体燃料，而且可以多次启动；有的采用气体，利用高速的喷气产生动力。
当卫星姿态产生误差时，变换器的电子线路就发出一个控制信号，到达相应的小发动机部分，发动机接到这个信号后就动作，使燃料或气体从发动机的喷管高速喷出，根据反作用原理就产生了推力，控制整个卫星向姿态误差的反方向转动，这样就完成了一次控制动作。所以不难想象，卫星在空中飞行时，一直受到这种控制，只要有姿态误差就进行控制、调整，使卫星始终保持在正确的姿态下飞行。
事实上，卫星的控制方法是多种多样的，上面说的只是其中的一种。此外，还有利用地球的重力场的，称为重力梯度控制；有的利用地球的磁场控制等。
虽然人们都不希望卫星出现故障，但是从国内外的航天史来看，故障总是在所难免的，比如由于卫星设计得不够结实，或者是卫星材料的可靠性差，这些都容易使卫星产生故障。虽然在卫星上天前，科学家们进行了充分的预想，并且设置了不同的对策，但是智者千虑，必有一失，故障往往是难以预料的。
为了对数百千米乃至数千千米之外的卫星下达命令，这便请出了遥控系统。它就像是卫星的指挥官。那么，它是如何做到“指挥有方”的呢？
想要指挥，首先要有控制指令。由于控制指令是无线电信号，敌人有时会有意识地进行人为的干扰，使指令不能正确地接收和执行，这就会影响整个工作甚至误大事。
如果控制指令的密码或者频率被别人知道和掌握了，那就更麻烦了，别人实际上就成了卫星的“主人”。如果是返回式的卫星，就可以命令它在什么地方返回，然后回收它。
为此，卫星不是一接收到控制指令就马上执行，而是同一指令地面要发几次。同时，卫星还能区别同一个指令是不是完全一样，如果不一样，卫星可以拒绝执行。那么，一般都有哪些方面需要进行遥控呢？
在一般情况下，重要的功能动作需要进行遥控。
卫星起码在数百千米以外的太空飞行，为了可靠和准确地工作，对于至关重要的指令，不但要由卫星自己发出，也同样要由地面的遥控系统发出。
（1）切断故障仪器停止工作。在飞行中，如果有一台仪器出现故障，我们可以由遥控命令关闭它转换到备用仪器工作。
（2）修正卫星的工作时间和轨道参数。发射卫星时，由于运载火箭实际发射的轨道往往偏离原设想轨道，这时为了保证工作的准确性，要按照实际轨道，通过遥控重新注入有关数据。
（3）执行安全指令。对火箭来说，万一在发射后的飞行过程中，由于某种故障偏离正确的飞行路线，可能坠落在人口稠密的城市时，就要通过遥控把它炸毁在空中，以保证安全。
人造卫星的运动轨道取决于卫星的任务要求，区分为低轨道、中高轨道、地球同步轨道、地球静止轨道、太阳同步轨道，大椭圆轨道和极轨道。人造卫星绕地球飞行的速度快，低轨道和中高轨道卫星一天可绕地球飞行几圈到十几圈，视野广阔，并且不受领土、领空和地理条件限制。能迅速与地面进行信息交换，包括地面信息的转发，也可获取地球的大量遥感信息。曾有资料显示，一张地球资源卫星图片所遥感的面积可达几万平方千米。
在卫星轨道高度达到35786千米，并沿地球赤道上空与地球自转同一方向飞行时，卫星绕地球旋转周期与地球自转周期完全相同，相对位置保持不变。此卫星在地球上看来是静止地挂在高空，称为地球静止轨道卫星，简称静止卫星，这种卫星可实现卫星与地面站之间的不间断的信息交换，大大简化地面站的设备。
人造卫星是个兴旺的家族，如果按用途分，它可分为3大类：科学卫星、技术试验卫星和应用卫星。
（1）科学卫星是用于科学探测和研究的卫星，主要包括空间物理探测卫星和天文卫星，用来研究高层大气、地球辐射带、地球磁层、宇宙线、太阳辐射，并可以观测其他星体等。
卫星轨道示意图（2）技术试验卫星是进行新技术试验或为应用卫星进行试验的卫星。航天技术中有很多新原理、新材料、新仪器，其能否使用必须在天上进行试验；一种新卫星的性能如何，也只有把它发射到天上去实际“锻炼”，试验成功后才能应用。此外，包括人上天之前必须先进行动物试验等等这些都是技术试验卫星的使命。
（3）应用卫星是直接为人类服务的卫星，它的种类最多、数量最大，其中包括：通信卫星、气象卫星、侦察卫星、导航卫星、测地卫星、地球资源卫星、截击卫星等等。
我们知道，每一个人造卫星均有其特定的运行轨道，并且卫星轨道与科学家设计的参数值有密切关系，也就是说假如我们精心设计各种参数值，就可以得到许多种卫星轨道。下面我们向大家介绍几种典型的卫星轨道：
大倾角椭圆轨道
这是一般卫星常用的轨道，其轨道倾角一般在50°~80°之间，卫星的近地点离地球200千米以上，而远地点离地球达数千千米甚至数万千米。可想而知，这样的卫星轨道是一个大椭圆。
这种轨道对于科学探测卫星很有用，使它能飞经地球的广大的地区，能探测到从近地面到几万千米的上空，所以可用于探测宇宙射线、地球辐射带、太阳的活动等。
太阳同步轨道
太阳同步轨道是指卫星的轨道平面在不停地围绕地球转动，而且它转动的方向和转动的角速度，与地球围绕太阳公转的方向和平均角速度保持一致。科学家指出，该种轨道的最大特点是经过地球上同一地点的时间相同。比方说，卫星上午10点飞经北京上空，而下一次它飞经北京上空的时间还是上午10点。这种轨道也很有用，可以对地球上同一地区的情况进行重复观察，比如对庄稼长势及有无病虫害的地区长期监测等。
地球静止轨道
地球静止轨道也称为地球同步轨道。当卫星在这种轨道运行时，在地球上看起来好像静止不动，所以我们称它为地球静止轨道。
事实上，卫星不是真的不动，而是因为卫星绕地球一圈的时间为24小时，而地球自转一圈的时间也是24小时，所以说卫星和地球的自转周期相同，加上它们的运行方向相同，所以在地球上看卫星就好像不动。
这种轨道的倾角为0°，也就是说，轨道面与地球的赤道面相重合，卫星只能在赤道上空飞行。它的轨道高度为36000千米。
目前大多数的通信卫星和气象卫星都是采用地球静止轨道，这是因为它可以在某一个地区上空定点，使卫星的天线指向另一个固定的地区，这样就能实现两地的通信。
倘若在静止轨道上每隔120°放置一颗卫星的话，那么只要3颗卫星就能实现全球的通信。
极地轨道
这种轨道是通过地球两极的轨道。显而易见，这种轨道的轨道倾角为90°，即卫星的轨道面与赤道面垂直。
在这种轨道上飞行的卫星可以经过地球的南北极，所以它能够覆盖全球的范围。一般来说，导航卫星和侦察卫星都采用这种轨道。
与其他航天器有所不同的是，人造卫星的运动轨道取决于卫星的任务要求，所以可分为低轨道、中高轨道、地球同步轨道、地球静止轨道、太阳同步轨道，大椭圆轨道和极轨道。人造卫星绕地球飞行的速度快，低轨道和中高轨道卫星一天可绕地球飞行几圈到十几圈，不受领土、领空和地理条件限制，视野广阔。它能迅速与地面进行信息交换，包括地面信息的转发，也可获取地球的大量遥感信息，一张地球资源卫星图片所遥感的面积可达几万平方千米。
卫星的“空调”
每到炎热的夏季，当气温达到35℃~40℃时，人们就感到很不舒服，如果温度再高，就会出现中暑等症状。这时，如果人待在有空调的地方，就不会出现这种问题。对于卫星来说更是如此，它也需要自己的“空调”。
我们知道，人造卫星在空中飞行时，所处的太空环境与在地球上十分不同，主要表现在两方面：
其一，卫星有严重的“外患”。在数百千米到数千千米的高空，只有非常稀薄的气体，太阳会直接照射到卫星的表面，卫星的温度会快速升高。而当卫星飞行到地球的另一面时，得不到太阳的热量，温度会迅速降低。
其二，卫星的“内忧”也在时时困扰着它。由于卫星的仪器设备工作时要散发大量的热，同时，还要经受地球的低温辐射。
为了解决卫星的“内忧外患”，我们在卫星上装有温度控制系统，它就像我们房间里的冷热空调，保证了卫星内部的温度保持在一定的范围内。
事实上，对卫星的温度控制的方法有很多。主要有两大类：被动式和主动式。
被动式的温度控制。在对卫星进行温度控制时不需消耗能量，只需要在卫星的内外表面上来“做做文章”，就可以控制温度。被动式的温度控制的方法是很多的，主要有外层喷涂和内层隔热。外层喷涂是在卫星外表面喷涂上不同性能的漆，使太阳的热量只有一部分能够进入卫星，而其余的全部被反射回空间；也有的卫星表面采取抛光和电镀的办法，都能起到同样的效果。内层隔热是在卫星的内表面加一个隔热层，以进一步调节控制温度。显而易见，被动式最大的优点是简单、经济，而且是在卫星上天前就已经做好，所以如果设计得好，将十分可靠。
主动式的温度控制。主动式的温度控制是在卫星飞行时，主动地加温或降温来控制温度。这很像我们家庭用的冷热空调，热了吹冷风，而冷了送热风，当然比起空调要复杂得多。主动式的温度控制主要采用卫星内部的电热丝加热来提高温度，还可以通过卫星表面的百叶窗的开关来散发热量。主动式的温度控制得精度高、范围大，但是活动的部件多，容易出现故障，所以被动式和主动式可一起采用，在运行中互相取长补短。
哈勃空间望远镜（HST）
由美国宇航局主持建造的4座巨型空间天文台中的第一座，也是所有天文观测项目中规模最大、投资最多、最受到公众瞩目的一项。它筹建于1978年，设计历时7年，1989年完成，并于1990年4月25日由航天飞机运载升空，耗资30亿美元。但是由于人为原因造成的主镜光学系统的球差，不得不在1993年12月2日进行了规模浩大的修复工作。成功的修复使HST性能达到甚至超过了原先设计的目标，观测结果表明，它的分辨率比地面的大型望远镜高出几十倍。 1997年的维修中，为HST安装了第二代仪器：有空间望远镜成像光谱仪、近红外照相机和多目标摄谱仪，把HST的观测范围扩展到了近红外并提高了紫外光谱上的效率。
1999年12月的维修为HST更换了陀螺仪和新的计算机，并安装了第三代仪器——高级普查摄像仪，这将提高HST在紫外—光学—近红外的灵敏度和成图的性能。
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