1957年10月4日，前苏联第一颗人造卫星上天，拉开了人类航天时代的序幕。时至今日，人类在太空的许多坐标上都留下了印迹，包括各式各样的空间探测器、人造卫星等等，但迄今为止人类在太空最有意义的探索是空间站的建立和应用。空间站将人类从地球摇篮带往更遥远、神秘的宇宙提供了必不可少的重要条件；空间站是人类认识太空、利用太空的前进基地，是人类在地外生存的根据地。可以说现代空间探索如果没有空间站，就根本不会有现在人类对太空的认识和如此进步的宇宙以及天体物理学等学科的快速积累。
太空有着太多的秘密等待着人类去探索，太空是人类发展的必经之路。
开发太空飞向太空的意义
我们知道，地球是万物的摇篮。人类历经沧桑，终于以其高超的智慧和灵巧的双手征服了地球上的万物，成为了世界的主宰。但是人们并未因此而满足，他们抬头仰望，对美丽的天空产生了无尽的兴趣，于是便开始了征服太空的宏伟事业。
万物摇篮——地球人类之所以不倦地探索登天之路，是因为从千百年的生产和生活实践中越来越清楚地认识到，其赖以生存的地球属于宇宙中的一个星球，而且地球上发生的许多现象都与空间的现象有直接的联系。为搞清楚这种联系，人类从远古时代就开始进行孜孜不倦的研究和探索，虽然取得了很大的成就，但是人们也发现，没有人的参与，很多的情况不能搞清楚。为了突破地球大气的屏障和克服地球引力，把人类的活动范围从陆地、海洋和大气层扩展到太空，更广泛和更深入地认识整个宇宙，就要充分利用太空和载人航天器的特殊环境进行各种研究和试验活动，开发太空及其丰富的资源。
载人飞行不只是为了人能上天而上天，而是对人类和平利用空间、开发宇宙、造福后代有着重要的意义。
卫星用胶卷记录所拍内容所以说，人类登天的原因之一便是人类自身发展的需要。人类最终要利用空间、开发宇宙。要实现这个目的，首先要弄清楚宇宙空间的环境对人体的影响，因此要进行生理学、生物学的研究，目的在于研究在空间那特有的环境下的种种现象，不但能为确保宇航员在长时间的航天活动中的身体健康与安全提供重要的资料，而且也为一般人能进入太空旅行提供可能。人类一直在寻求移居其他星球的可能性，因此不但要清楚地球附近的环境对人的影响，而且对太阳系内的其他星球乃至宇宙中的其他星系都要进行探索才能达到目的。
其次，便是提高国际地位，壮国威。我们知道，在目前的情况下，载人航天的另一个作用就是提高一个国家的国际地位从而壮国威。载人航天的发展水平是一个国家综合国力的体现，可以全面衡量一个国家的发展水平。事实证明，世界上的几个航天大国及集团都很重视载人航天技术的发展。比如，美国前总统肯尼迪曾说：“如果苏联控制了空间，他们就能控制地球……我们合众国是以能力和远见来立国的，我们这一代美国人一定要实现世界上领先的星际航行的目标。”美国前总统里根把发展载人航天作为美国的重大国策。他声称：“载人航天是取得航天领先地位的必要因素，这是文化价值观念和人类实现冲破地球生存局限这一理想的必然结果。”法国人也曾说：“如果欧洲不参与载人航天活动，整个欧洲将被看做是不敢涉足最困难技术领域的二等洲。”因此目前除了美、俄以外的西欧、日本、加拿大等国家和地区已经涉足载人航天领域。因此，载人航天技术的发展本身就显示了一个国家的技术实力和综合国力水平，同时可以大大提高一个国家的国际威望和地位。
再者，人类的登天行动也有不可低估的军事价值。资料显示，前苏联以及美国都利用载人飞船和空间站完成军事任务、空间侦察、指挥控制地面军事行动等工作。有人的侦察比无人卫星的侦察带有更多的有利方面，它不像卫星按程序工作，而是靠人的主观能动性，可以对目标进行有选择的侦察，当预定的侦察地区被云层覆盖时就可以停止工作，待有利时机出现再工作。而卫星是按程序工作，不管有没有云，到时间就工作，这样往往信息的可用率比较低。而主动控制不但可以节省胶卷，同时提高了信息的质量和可用性。前苏联和美国都曾在载人航天器上进行过侦察、监视、研制空间兵器、协助指挥与控制地面军事力量等方面的试验。由于宇航员可以有目的地选择侦察和跟踪目标，可以灵活地根据不同需要选用不同的侦察仪器和手段，可以筛选、滤掉不必要的数据，这样就大大提高了军事侦察情报的实际质量。
前苏联就利用“礼炮”号空间站对从北纬516度到南纬516度所有的国家、地区进行地毯式的照相侦察，这当然也包括了我国全部的领空和领海，而且每隔两天就可以重复一次，从而进行对比分析，探测别国的军事动态。前苏联利用该空间站进行了反弹道导弹观测试验、指挥控制陆军释放烟雾训练，进行天基激光瞄准跟踪试验等大量军事行动。而美国的航天飞机则是潜在的最有效的卫星、导弹防卫和进攻两栖武器，宇航员可以利用航天飞机在轨道上自由地检修、回收自己的卫星及其他航天器，也可以拦截、搜查、破坏、偷窃敌方的卫星，这种制天权对敌方的威胁远远高于制空权。
而且这种活动还没有被认为是非法的行为，因为一个国家的领空还没有划到太空的范围。如果是飞机飞到其他国家的上空进行侦察，那就是侵犯主权，肯定遭到抗议甚至有被击落的危险。而航天器还不存在这个问题，因此它的安全性好，不易受到攻击，这在战争时期尤其有用。
通过以上我们所列举的事实说明，在进行空间活动中，有人的飞行，尤其是长时间的飞行是非常必要的，是无人的航天器所替代不了的。因此，发展长寿命的有人的空间飞行器是完全必要的，而且并不是为了研究而研究，为了发展而发展。人类并不满足能够把人送上天这一成就。
登天“梦”想的实现
人类第一个宇航员——加加林
“联盟”号飞船我们知道，多少年来，人们在形容做一件非常困难的工作或者事情时经常说：“这比登天还难！”这足以说明人们一直认为登天是何等之难！事实上在技术不发达的过去，登天确实是无法实现的，顶多只是梦想而已。然而后来，在人造卫星上天以后，人们打开了上天的希望之路。
就在人造地球卫星上天后的第四年，即1961年4月12日，前苏联就成功地发射了“东方1”号载人飞船，第一次真的把宇航员加加林送入了太空。尽管加加林在天上只围绕地球转了一圈就返回了地面，但就是这么一圈，揭开了人类进入太空的新纪元，同时也说明了人能够进入太空，并且可以在太空生存，人类千百年的梦想终于在20世纪60年代实现了，这是人类文明史的一大进步。
自那以后，前苏联又不断地研制发射了新的载人飞船，如继“东方1”号以后的“上升”号以及“联盟”号，先后把多名宇航员送入了太空。与此同时，美国也不但用“水星”、“双子星座”飞船把人送上天，而且还曾6次利用“阿波罗”飞船把人送到月球上，写下了人类历史上不朽的篇章。
我国“神舟1”号无人试验飞船
我国在1999年11月20日把无人试验飞船送上了太空，运行近一天的时间准确、安全地返回地面。这一切说明了人能够上天，而且以现在的观点看，人上天不再是不可思议的难事了。
截止到2003年2月，俄罗斯（包括前苏联）和美国共进行了200多次的载人航天发射，共把727名宇航员送入了太空。其中俄罗斯发射85次，被送上天的宇航员有190名；美国发射181次，被送上天的宇航员有537名。而在这些载人航天飞行和试验中有22名宇航员为了航天事业而殉难，献出了自己宝贵的生命。正是在这些不屈不挠的奋斗中，我们进军太空的步伐在不断地加大，我们的美好梦想在一个个地实现着。
永不止步的太空探索
尽管事实表明，我们现在能够把人送上天，但是人类并不满足这一已取得的成就，上天并不是人类最终的目的，而是在千百年探索太空的过程中，对太空的认识逐渐进步、深化。
正是由于这种深化，我们人类在对太空加深认识的同时进一步地发现，宇宙空间的种种现象的发生比我们想象的要复杂得多；而且进一步地发现，宇宙空间的各种现象对我们生存的地球的影响也比我们想象得要大得多。从我们的祖先开始，对于神秘的宇宙空间就产生了浓厚的兴趣，这其中不光是出于好奇，而且是通过人类长期的生产活动和生活的实践，逐渐认识到了地球上的许多现象，如天气的变化、四季的产生、风雨雷电的形成以及自然灾害的出现，虽然发生在地球上，但是它的根源在天上。因此，人类一直想弄清楚，是一种什么样的力量给人类赖以生存的地球带来如此巨大的变化，对人类的生产活动及生活带来这么大的影响。
我国古代劳动人民所发明的司南
后来，随着载人航天的成功，我们人类能够驾驶和乘坐载人航天器在太空中从事各种探测、研究、试验、生产和军事应用的往返飞行活动。其目的在于突破地球大气的屏障和克服地球引力，把人类的活动范围从陆地、海洋和大气层扩展到太空，更广泛和更深入地认识整个宇宙，并充分利用太空和载人航天器的特殊环境进行各种研究和试验活动，开发太空极其丰富的资源。
郑和下西洋纪念碑综观我们人类文明的发展史，单从活动范围的角度去看，人类的活动空间和活动范围随着科学技术的不断发展也在不断地扩大。最初在那刀耕火种的时代，人类的活动场所只能局限在地球陆地的范围内，居住在洞穴之中，以树叶为衣；尽管我们的祖先对神秘莫测的太空产生着浓郁的幻想，但却只能是望空兴叹；后来人类发明了造船和指南针，进而发展了航海业，从此人类的活动范围从陆地延伸到了海洋。像郑和下西洋、哥伦布发现新大陆，都是航海业发展的巨大成果和最好的见证；再后来，人类又发明了飞艇和飞机，这一次的技术飞跃，使我们人类的活动空间又一次地扩大了，从海洋扩大到了大气层以内的空间；尤其在后来又发明了超音速的喷气式飞机，它的作用不用说我们也明白，大大缩短了国际间的距离，扩大了国际间的交往与合作。
而今天，航天技术的发展使人类的活动空间再一次地扩大了，不但能够在大气层以内的空间自由飞行，而且已经实现了从大气层内到大气层以外的外层空间的活动，人类还不止一次地登上了月球。人类活动范围的每一次飞跃，都大大增强了对外层宇宙空间的认识，提高了改造自然的能力，促进了生产力的发展和人类社会文明的进步。
人类的第四环境——太空环境
事实上，我们所称的外层空间，就是指地球稠密大气层以外的空间区域，有时我们也称之为宇宙空间或太空，即我们的祖先俗称为“天”的那部分空间。正是由于航天技术的出现和成熟，我们已经预见到人类的活动范围必将再次扩展到太空。因此，在1981年召开的国际宇航联合会第三十二届大会上，与会的各国代表重新界定了人类活动的范围：把陆地称为人类活动的第一环境；把海洋称为人类活动的第二环境；把大气层称为人类活动的第三环境；把宇宙空间称为人类活动的第四环境。从这里也可以看出，人类对在空间的活动是多么的重视，当然所谓的活动也不单单是能够把人送上天而已，而是要在那里从事各种有益于人类发展的活动，其中包括人类的居住环境。我们想想到那个时候将是什么样子？所以说，人类并不满足能上天。当然人类要进入第四环境，比进入第二、第三环境要困难得多。
太空环境
自宇宙大爆炸以后，随着宇宙的膨胀，温度不断降低，现在，太空已成为高寒的环境，平均温度为零下2703℃。
在太空中，各种天体也向外辐射电磁波，许多天体还向外辐射高能粒子，形成宇宙射线。如太阳有太阳电磁辐射，太阳宇宙线辐射和太阳风，太阳宇宙线辐射是太阳在发生耀斑爆发时向外发射的高能粒子，而太阳风则是由日冕吹出的高能等离子体流。
许多天体都有磁场，磁场俘获上述高能带电粒子，形成辐射很强的辐射带，如在地球的上空，就有内外两个辐射带。由此可见，太空还是一个强辐射环境。
太空还是一个高真空、微重力环境。重力仅为百分之一到十万分之一g（g—重力加速度），而人在地面上感受到的重力是1g。
太空资源
或许一说到资源，大家首先想到的是水、石油、煤炭和各种矿物等，很少有人一下子会想到太空资源。事实上太空资源是取之不尽用之不竭的。只是因为科技所限，所以才未能大规模开发。下面简单介绍几种常见的太空资源：
太空轨道资源
太空中人类信息的提供者——卫星事实上，与海、空航线一样，太空中的卫星轨道也是一种资源，而且是一种重要资源。
如在对地静止轨道上的卫星，可以更有利地为固定地区提供通信、气象、环境监测、发电和照明等各种服务。各种顺行和逆行轨道，可以满足对地球不同纬度地区进行观测和信息传递的要求。由多颗卫星组成的网络，则可以随时随地提供各种服务。
地球资源探测
地球资源的合理开发和科学管理，是关系到人类当前和长远利益的大事。
我们知道，地球资源分布在广阔的地球上，地球表面积达到51亿平方千米，绝大多数重要的矿藏还深埋在地下。如煤炭、石油、天然气、各种珍贵金属等。要开采需要的各种资源，除了木材等表面资源，都必须要靠地质人员跋山涉水，一点一点地勘探，需要通过地质分析和判断，然后再通过钻探来确定，其艰苦和缓慢程度可想而知。然而这还不是全部，深海远洋、高山密林、沙漠深处等地区目前人类还无法涉足或还没有条件勘探，同时野外勘探还要受到黑夜和恶劣气候的影响。
目前人类还无法涉足沙漠深处
另外，对地面上的资源管理也存在着麻烦。地面上有大量的农田、森林、河流、湖泊、海洋和已开采的矿业，这些资源都非常重要，然而要对所有这些资源进行有效的管理，就要建立庞大的机构，耗资巨大，即使这样也会顾此失彼，既浪费金钱又收效甚微。然而在太空轨道上进行地球资源调查和管理，就可以省去麻烦，大大地提高效率。
当地面接到太空发回的图像后，研究人员便可以根据这个图像绘制地矿图。因为不同的地下矿藏，具有不同的地表特征，而且对地上植被的生长也会产生不同的影响。这样可以准确地探测出地下矿藏的所在，甚至能准确地估出此矿藏的产物、类型和储量，为找矿工作提供了很大的便利。
人类在地面上管理森林既浪费金钱又收效甚微
通过太空发回的图像，研究者们还可以绘制土地利用图和分布图。因为太空图像是利用光谱区分物体的，同一物体处于不同的状态下，其光谱特性也有区别。例如：农作物在健壮状态、生命力低下或有病虫害的状态下的光谱反应都是不同的。这样，我们就可以在空中大面积地了解到农作物、牧草、森林的长势，监视病虫害和森林火灾的防治情况，还可以对大面积农作物进行估产和对森林进行估算贮藏量，其中对农作物的估产准确率可以达到97％以上。
通过太空发回的图像还可以对城市进行规划另外，通过太空发回的图像还可以对城市进行规划；确定铁路线路和渠道、大桥的选址；了解河水水位变化，预报洪水；调查水利资源，寻找新水源，以指导、制定灌溉计划；对海洋进行综合考察，了解洋流和冰情、渔情；还可以绘制更加准确有用的海图和地图。
总之，太空图像可以让我们俯览地球，方便我们现在的生活，并有利于对将来做出规划与预测。当然，我们所说的太空图像和我们常见到的图像图片都不同。这些图像是航天器从高空用多光谱扫描仪、可见光和红外辐射计、微波辐射计等遥感设备，对地球表面依次扫描，遥感成像的。从太空中发回的图像必须由地面的专业人员进行分析和判断，才能绘制出各种反映地球问题的图表。
太空轨道通信
中国著名的长城烽火台
随着人类生活范围的扩大和对世界认识的增强，人类互相之间的联系越来越频繁，想与更远的地方的人联系的欲望也越来越强烈。由于整个地球面积广阔，生活在地球各地的人们的通信联系就成了一个大问题。
在没有交通工具的古代，人类发明了各种方法来互通信息，例如中国著名的长城烽火狼烟。如果有敌人来犯，白天就点燃狼烟，用事先约定好的信号使烟或长或短地发送出去，一个烽火台接一个烽火台，很快就可以把消息传递出去了。如果是晚上就点燃火，用火的一明一暗来传递消息。
电话发明者——贝尔烽火狼烟传递消息确实很快，但是也有许多不足，例如必须在有长城的地方使用，而且一般只能传递较短较单调的信息，否则就容易出错。这种办法在古代不失为聪明之举，但效率低又受各种因素制约，随着人类生活的发展，越来越不符合人类的要求。直到1837年摩尔发明了电报以后，人类的信息传递方式才有了质的飞跃。这时，人们可以用无线电的方式快速传递信息了。但是因为电波受到高层建筑物和高山的阻隔，必须架设高高的发射塔，而且电波还受到地球球形曲面的影响，所以每隔约60千米还必须架设一个中转站。无线电通信必须通过许多条件的干扰才能实现遥远距离间的信息传递，耗资巨大且费时费力。1876年，贝尔发明了电话，人们可以通过电话线与远方的人通话了，但是，由于电话线越长对信号的削弱程度越厉害，所以长途电话很不清晰。
卫星是空中无线电的中转站
然而利用太空轨道通信就没有以上这些麻烦了。卫星是挂在空中的无线电中转站，它居高临下，不受建筑物和高山的阻隔，地球曲面对它的影响也小得多。因此，要实现全球通信所需要的卫星数量要比地面上需要的中转站的数量少得多。在地球赤道上空，离地球35786千米的卫星轨道相对地面是静止的，这条同步轨道就叫地球静止轨道。在地球静止轨道上等距离设置3颗卫星，就可以将地面上发出的无线电信号，发送到地球除南北极少数地区以外的任意一个角落。
太空环境资源
太空特有的微重力、高辐射、高真空、高低温、无菌、高洁净的环境，是一种重要资源。在这种特殊环境下，人类可以进行工业加工、生物试验、空间制药等。
太空工业加工
说到太空工业加工，我们就必须谈一谈太空最重要的特殊环境——微重力环境。
翻滚过山车时可以产生失重
说起失重，人们并不陌生，大家或许都有这方面的经验。例如我们从高处落下时，人就暂时处于失重状态，最鲜明的例子就是过山车了，它利用加速度下滑使人们产生失重状态，因为很大的加速度暂时平衡了地球的吸引力。但是这只是暂时的，由于地球吸引力的作用，人们最终还是要回到地面上来。
空间站中的某些干扰因素——来自太阳光的压力
而在太空中，无论是宇航员还是各种物体都处于长时间的失重状态下。太空中的失重与地面上的失重还不太一样。确切地说，当一个航天器沿着太空轨道运动时，环绕地球旋转所产生的离心力和重力达到平衡，因而出现了失重状态。
而实践证明，空间站等航天器在太空中并不能形成完全真正的零重力环境，实际上总有某种干扰因素存在。例如太阳光的压力、反作用力矩、稀薄气体阻力、地球磁场的作用力与重力梯度影响等会形成微小重力。还可能产生干扰的有航天器中人员的走动、机器运转时的振动、定向系统发动机的工作、零部件的更换、陨石的撞击等诸多因素。因此，航天器中很难达到完全的失重，确切地说，航天器是处于微重力环境下。
在太空中，所有物体处于微重力环境中，这种失重环境就成了一种资源，可以帮助人类做许多在地面上无法做到的事。
在太空中可以制造出百分百圆度的滚珠轴承首先，我们可以轻而易举地制造100％圆度的滚珠轴承。或许大家有些不解：地面上可以生产出来的东西，何苦跑到太空去生产？滚珠轴承是一种非常重要的工业零件，是许多机械中不可缺少的一部分，如果没有它，很多大型精密仪器就无法运转。一些高精密度仪器，对滚珠轴承在制造工艺方面的要求非常之高，绝不是普通自行车轴承里用的滚珠可以相比的，这些有特殊精度要求的滚珠制作起来非常不易。
在远古时代，人们就知道利用失重方法制造金属球。方法是从高塔上用筛子过滤熔融的金属液，让金属液滴在下落时的失重状态下冷却成型，使制成的金属球近似于理想的球体状态。
现代工业需要大量的轴承，其内装的滚珠在地面上生产，通常要经过锻造、轧机、冲模、切削和研磨等多道加工工序，一般难以保证有很高的质量，因而影响轴承的使用和寿命。
在太空微重力环境下就没有这些麻烦了。因为处于微重力状态下的熔化金属，其表面张力很大，但不产生地面上常见的自重变形，能自动地收缩成理想的球体。
如果需要空心球体，则在加压下把气体注入自由蒸发的液滴中，就像吹肥皂泡那样将其吹胀，等液体冷凝后就自然而然地形成了空心球体。空心球体比实心球体更加坚固耐用。经测试，带空心球体滚珠的轴承比实心球体滚珠轴承的寿命长4～7倍。
如果在空心球体上再浇上几层同一金属熔体或其他金属熔体，新浇的熔体能均匀地蒙在整个球体上，即可得到无缝多层的空心滚珠。这种滚珠综合体现了理想球体、空心球体、多层材料等具有的各种优良性能，是轴承上不可多得的优良材料。
在微重力环境下，液滴较之在地面更容易悬浮。因此，冶炼金属时可以不使用容器，而是采用悬浮冶炼法。在太空中可以制造出更好的金属纤维这种冶炼法的优点是，冶炼金属时的温度不受容器耐温能力的限制，所以可以进行高熔点的金属冶炼。这样还可以避免被冶炼的金属与器壁的污染，使被冶炼金属的纯度大幅度提高。
与制造金属球的原理相同，在地球上，制造金属纤维、金属丝、金属薄膜或薄片都比较困难，产品常常由于自身的重力作用而断裂，很难产生很长很薄并且很均匀的金属丝或膜。而在微重力条件下，这些生产技术都很简单，只要将金属溶液不断地送入喷头，喷出后经冷却、拉伸，就可以随意制成极细的纤维、长丝或极薄的薄膜、薄片了。
其次，人们可以制造许多地球上难以合成或合成后难以达到要求的合金以及各种晶体物质。在微重力条件下，产生了许多与地球上截然相反的物理现象，动摇了在地球上重力场中已经形成的物理概念和定理。人们必须重新审视早已熟悉的定理和定律，依据新的情况建立新的定理与定律。
阿基米德
在太空中可以生产出很好的半导体材料众所周知的阿基米德定律，即浸在液体中的物体受到浮力的作用，浮力的大小等于排开液体的重量。作用于浸在液体中的物体上部和下部的压力是不同的。同理，也可以推广到空气中。在太空中这个众所周知的定律就失去了效用。
按照阿基米德定律，如果物体的密度小于液体的密度，就应该上浮，反之就应该下沉。在通常条件下，在装有油、水、沙粒的试管中，如果试管静止不动，那么，油应该悬浮在水上，沙粒应该沉在水底，三者应界线分明。
然而在微重力环境中，因表面张力而产生的微弱压缩力各处都是相同的，是均匀地分布在液体的所有面上，放在液体中的物体既不上浮也不下沉。我们上面说到的油、水、沙混合的试管，在太空中油滴、沙粒会始终悬浮在水中，形成一种乳浊状。同理，水中的气泡不会自动上浮逸出，就是在水里放一个铅球也不会下沉。
也就是说，在微重力条件下，不同比重的物质之间的分层和沉淀消失了。利用这个原理可以制造出含有多种元素的金属合金，不论组成合金的各种元素的密度相差多大，它们在合金中都会均匀混合，而不会存在在地面上最恼人的热扰动现象。这样制造的合金比在地球上熔炼的合金品质要好许多倍。
而制造晶体材料也是出于同样的道理。半导体材料是信息产业不可或缺的重要基石之一，在计算机、通信系统、光学系统及能量转换系统中都有广泛的应用。但是半导体器材对半导体材料的要求很高，也很严格。现在地面上虽然也可以生产半导体材料，但是微观的缺陷、材料的不均匀分布以及杂质和沉淀物的存在，使得现代半导体材料的低质量生产已成为半导体器材业发展的最主要障碍。而在太空中的微重力环境下生产的晶体物质，就没有以上这些缺陷，而且其晶体生长的潜在效益显著地提高了。因为结晶物质的传递不受对流的影响，晶体生长时的晶格趋向于理想状态的排列，具有晶体结构完善、错位密度低、掺杂均一性高等许多地面上的晶体无法比拟的优良性。
在太空中生产的优质砷化镓价值连城
在太空中还可以生产泡沫金属
举个例子，在现代生产中具有广泛应用价值的砷化镓，就是在太空中成功生产的晶体化合物。由于砷化镓中镓的比重为5904，而砷的比重为197，两者的比重相差太大，所以在地面砷镓融体中生长的砷化镓晶体不可避免地存在着组分对流。固液界面的热不稳定性，必将导致砷化镓中化学配比的偏离。所以，在地面上生长的砷化镓，存在着清晰的、高密度的杂质条纹。这是化合物半导体区别于单质半导体所特有的、长期没有能够解决的严重问题。在太空中生产的砷化镓，由于在微重力条件下没有组分的重力驱动对流，所以可以获得比较精确的化学配比的单晶，与地面上生产的砷化镓相比，明显的没有杂质条纹。
美国的一家公司仅1990年一年就在太空中生产了40千克优质砷化镓，每千克价值高达100万美元。这些砷化镓如果在地面上生产，不仅耗资巨大，而且不会有如此高的质量。
此外，在太空中还可以生产一种奇特的金属——泡沫金属。这种特殊的材料轻如木材，可以在水中漂浮，又坚如钢铁，可以有效地抵制压力。这种材料是在金属中均匀地充加了气体而制成的，而在地面上，要想在金属溶液中充气而且是均匀地充气是绝对不可能的。如果向金属溶液中充气，气体一般不会停留，更不会均匀地分布在金属溶液中，绝大部分气体会逸出液体，剩下的一小部分也会在金属中形成大小不同的空洞而使金属更加脆弱。
而在太空中这些就是最容易不过的事了。在微重力环境下，气泡既不上浮也不下沉，而是均匀地分布在液体中。至于如何把气体注入液体，在太空中至少有3~4种办法。
在太空中生产的泡沫金属钢材，按它的体积计算，最多可以充入88％的气体，同理，还可以制造更轻的泡沫铝材、泡沫钛材等。
泡沫金属除了质量轻和抗压力强以及一切多孔物质所具有的一般机械性能外，随着其气泡在固体物质内部分散程度的不同，还分别具有特殊的电、磁、过滤等特性，实在是不可多得的现代优质材料。
太空生物试验
我国利用返回式卫星成功研制出太空水稻
太空特有的微重力、高辐射、高真空以及高低温差条件，可以对植物的生长产生一定的影响。
美国曾在“挑战者”号航天飞机上
搭载西红柿的种子
1984年4月，由美国“挑战者”号航天飞机施放到太空轨道上的“暴晒舱”，重11吨，装有120个品种的200亿颗植物种子，其中包括1200万颗西红柿种子。他们把这些种子放置在太空中，长期暴露在宇宙辐射、真空和低温状况下，再把种子带回地球播种，以研究长期宇宙环境对突变率和植物生长的影响。
我国利用返回式卫星搭载农作物种子，培育了优质高产的粮食作物和蔬菜品种。例如著名的太空水稻，其生长期比同类地球水稻缩短了10天，亩产达到750千克之高，蛋白质含量也比普通水稻提高了8%~20%。在太空中“住”过的青椒种子，在地面上生产的青椒耐寒能力大大地增强了，其病情指数比一般青椒减轻了55％，维生素含量却比一般青椒提高了20％，而且亩产量达到了5000千克，最大的青椒长到了每个400克。当然，像这样的例子还有许多。
太空制药
在太空特殊的环境下，可以高效率地生产许多地面上难以生产或难以大规模生产的昂贵药物，所以说太空是一个大的药品加工厂一点儿也不过分。
空间制药是空间材料加工最容易获得经济效益的产业之一，而且是对人类最有现实意义的产业之一。
地球上生产药物，虽然做了各种预防措施，但还是很难避免受到微生物、有害气体以及尘埃的污染。然而太空却是一个无菌、高真空、高洁净的世界，在这里制造药品可以免受污染，使药效得到更好的发挥。当然太空制药的最重要意义还不在于此，而是在于药品的高度提纯。
现在制造高纯度的特效药品一般都采用电泳法。所谓电泳法就是让含有生物物质的溶液，在两片带电的极板之间的槽中流过，由于不同的生物物质在溶液中所带的电荷不同，因此，它们沿着不同的路线流动。这样，就把细胞、血球、酶或干扰素等不同的生物物质分离开来。
在地面上使用电泳法提纯生物物质，由于重力的作用，液体内各部分的温度是不均匀的，一部分较热，另一部分则相对较冷，热的液体上浮，冷的液体下沉，形成了对流。对流是破坏电泳法高效提纯药物的大敌，因此，地面上很难使用电泳法得到理想纯度的药物。在地面上虽然也可利用超高真空来制取少量的高纯度药物，但产量很低，为了取得1克的生物物质，往往需要用几十千克的原始材料，所以价格昂贵，不是一般患者可以接受的。而且，就是这样高价生产出来的提纯药品，其质量也不是很稳定，难以保证药效。
然而在太空得天独厚的环境下，人们几乎可以用电泳法任意提纯药物而不受干扰，顺利分离生物中的各种有效物质。与地球相比，在太空提纯同一种药物，其纯度可以提高5倍，提纯速度可以提高400~800倍。
空间制药可以大大地提高药物的纯度和产量，以上数据意味着太空中一个月的产量相当于地球上30~60年的产量，这是一个多么惊人的数字呀！
太空药品纯度和产量的提高，还大幅度地降低了提纯药品的成本，特效药将成为一般患者也可以随时使用的药品。
激素是人体协调各个器官组织功能的重要分泌物，通常对于缺乏激素的疾病，都采取注射的办法，利用动物或人腺体的提取物加以治疗。
由于一般激素只能通过注射的方法进入人体，因此，对激素药物纯度的要求极高。而随着人们生活水平的提高，各种激素缺乏类疾病发病率也越来越高，激素类药品的要求量越来越大。所以光凭地面制药厂越来越难以满足人类的需求。
糖尿病是困扰人类的难以根治的激素缺乏类疾病之一，据报道，世界上有6000多万糖尿病患者，其中多数需要每天注射胰岛素来维持生命。按平均用量计算，如果每人每天需要2毫克胰岛素注射液，那么全世界一天就需要12000多万毫克胰岛素注射液，这还是最保守的计算。即使这样，地面药品加工厂也根本无法满足这些患者的巨大需求。在太空中利用连续电泳法，可以有效地将胰B细胞与其他细胞分离开来。临床试验充分表明，如果将这些细胞移植到人体内，就能持续地产生胰岛素，使糖尿病患者从根本上得到治疗。这样不仅可以解决地面胰岛素产量不够的问题，而且有可能从根本上治疗糖尿病这一困扰人类的疾病。
太空制药可以制造许多我们目前在地面上无法制造的特效药，而且产量大，质量好，是太空科技发展最有潜力的一项产业，一旦大规模正式投入生产，可以给人类带来意想不到的益处，也许可以使人类永远摆脱某些病魔的困扰，真是仙药天上来！
太空矿产资源
大家都清楚，在有限的地球空间里，人口的密度在不断地加大，而过度开采造成的资源匮乏和能源短缺一直在威胁着人类的生存，有远见的人们开始为子孙后代担忧，人类一直在寻求出路。
现在，载人航天为我们展现了一个美好的前景：通过不同手段的探测，人类了解到地球以外其他星球上有着丰富的矿物资源，而载人航天的发展使得这些资源归为我用成为可能，也就是意味着人类的资源危机将在不远的将来得到缓解。
太空中除了地球还有无数的星球，这些星球上都有它们特有的资源可以供人类利用。远的不说，下面就具体说一下地球的姊妹星球——月球。月球是地球唯一的卫星，是地球的近邻与伙伴。人类要想解决所面临的资源枯竭的问题，就必须首先认真考虑如何利用月球资源。
被人类看好的未来矿产源头——月球自从1969年7月21日，“阿波罗11”号载人航天飞船上的宇航员阿姆斯特朗走下登月舱的扶梯，在月球的土壤上印下人类的第一个脚印开始，人类就开始了对月球的真正探索与研究。
月球具有丰富的物质资源，月岩中含有地壳中含有的全部元素和60多种矿物，另外，月岩中还有6种地球上所没有的矿物。
在月球的土壤中，氧占40％、硅占20％、铝占6%~8％、镁占3%~7％、铁占5%～113％、钙占8%~103％、钛占5%~6％，这些都是月球上含量比较高的元素，也正是人类比较缺乏的元素，如果可以大规模开发，将大大地解决人类的资源匮乏问题。
另外，月球上还有钠、钾、锰等元素，虽然含量没有上述几种元素高，但就整个月球的含量来看，也是很可观的。月球上还有锆、钡、钪、铌等稀有珍贵金属元素，这些更是不可多得的财富。
科学家们把从月球上带回来的土壤样品加热到2000℃后，发现有惰性气体从土壤中逸出，其中有氦、氩、氖、氙等放射性粒子。月球中还富含地球上所没有的能源氦-3，这是核聚变反应堆的理想燃料。
月球上最奇特的就是“纯铁”了。从月球带回的岩石标本上有一层很薄的无锈铁薄膜，开始科学家们认为，如果让这些铁处于地球氧条件下，它一定会马上被氧化腐蚀。但是，试验结果证明，这种铁即使在地球高氧空气条件下也不会被氧化，是所谓的“纯铁”。
“纯铁”对人类生活的现实意义非常重大，因为，每年全球由于金属的氧化腐蚀所造成的损失已成为了一个天文数字。如果可以在月球上生产“纯铁”，在地球上大量使用，不仅可以弥补地球生产上的一个空白，还可以避免金属氧化造成的巨大损失，可以获得很大的经济效益。这可以说是载人航天对人类做出的又一个巨大贡献。
月球上矿藏丰富，开采月球天然矿藏是人类解决资源危机的有效方法，具有广阔的前景。而在月球资源的大规模开发中，载人航天的发展是最重要的一步。
太阳能资源
太空中有着丰富的太阳能资源太阳能对于人类来说并不稀奇，由于地球资源的日益匮乏和日益严重的环境污染问题，人类早已将眼光投向了这个取之不竭又清洁无污染的新型能源。
然而，在地球上收集太阳能要受到这样那样的限制和阻碍。例如，地球大气层对太阳光的吸收和反射、散射等就阻挡了大部分的太阳光到达地球，而且，在地面上收集太阳能还要受阴雨天气以及昼夜变换的限制，非常不方便，且效率很低。
从太空直接利用阳光来发电就没有这么多的麻烦了。在太空直接发电，由于不受昼夜限制，而且避开了大气层和云雾对太阳光的吸收、反射、阻隔，效率可以是地面太阳能发电的5~10倍。太空中的阳光不仅可以用来发电，还可以直接反射回地球为人类造福。1993年2月4日，俄罗斯用已经完成任务的“进步M15”号货运飞船进行了“人造小月亮”的试验。“进步M15”号张开一张直径20米的伞状阳光反射器，用以向地面反射阳光，在地面上看到其亮度比一轮满月还亮。
“进步M15”号的试验证明，利用太空飞行器向地球反射太阳光是完全可能的。在地球同步轨道上用多个反射镜向地面上一个地区反射阳光，可以在夜晚为城市或野外作业工地提供照明。还可以增大反射镜的面积，增加光照强度，形成所谓的“人造小太阳”，延长高寒地区的日照时间和无霜期，提高农作物的产量。
对太阳能的开发和利用是挖掘太空能源的又一个重要方面。
重力
由于地球的吸引而使物体受到的力，叫做重力，生活中常把物体所受重力的大小简称为物重。重力的单位是N，但是表示符号为G。公式为：G=mg。m是物体的质量，g一般取98N/kg。在一般使用上，常把重力近似看作等于万有引力。但实际上重力是万有引力的一个分力。重力之所以是一个分力，是因为我们在地球上与地球一起运动，这个运动可以近似看成匀速圆周运动。我们做匀速圆周运动需要向心力，在地球上，这个力由万有引力的一个指向地轴的分力提供，而万有引力的另一个分力就是我们平时所说的重力了。
太空生物实验的收获
自1957年10月4日前苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星以来，人类活动范围从陆地、海洋、大气层扩展到宇宙空间，从此，宇宙空间成为人类的第四疆域。而人类发展空间技术的最终目的则是开发太空资源。而要开发太空资源，首先要在太空进行生命科学和宇宙医学研究，以深入了解太空环境对地球上各种生物的影响。
我们知道，太空环境最显著的特点是失重。多年来，科学家将多种生物随着航天器带入太空，进行失重生物学的实验研究，并取得了不少成果。
研究表明，太空失重环境对生物生长的影响很多，而主要则分以下6个方面。
（1）影响生物正常生长的机理
20世纪60年代，在前苏联“宇宙110”卫星上，前苏联科学家装载了两只小狗，在太空中飞行了22个昼夜后，发现它们的水盐代谢，特别是钙的代谢功能被破坏，肌肉萎缩，血液成分改变，心血管系统功能也受到影响。但是，这些影响并没有危及小狗的生命，当它们回到地面后又进入了正常的发育状态。研究发现，植物在太空中受失重的影响，改变了根向地和茎背地的习性；同时，由于航天器每天绕地球14～16圈，昼夜交替很快，破坏了原有的正常生长的机理。但是，当这些植物返回地面后，却又恢复了原有的生长习性。这些太空生物实验说明失重环境对生物的影响有可逆性。
（2）太空失重环境影响生物的遗传性
在1962年8月和1964年10月，前苏联科学家在“东方3”号和“上升”号宇宙飞船上搭载了紫跖草，发现紫跖草在细胞分裂时染色体的性状遭到破坏。美国科学家则在太空失重的环境中辐射谷盔甲虫，发现它在发育过程中基因突变的频率增加。1987年8月中国在返回式卫星上搭载种子，返回后经地面种植，也发现了种子诱变的情况，产量增加。例如，江西宜丰县播种卫星搭载过的水稻种子，经6年培育，水稻穗多、颗粒大，亩产达600千克，最高达750千克，蛋白质的含量增加8％～20％，生长期平均缩短10天。在黑龙江播种卫星搭载过的青椒种子，经几年优选，也达到高产、优质，单果从90克提高到160克，有的达到300～400克，亩产4000～5000千克，是对照组产量的两倍，维生素含量提高20％。卫星搭载的西红柿种子，当代的发芽率比地面的种子低，而栽种后的长势比地面的强，到第二代就全面优化，经过5年的种植，其平均产量提高20％以上。
（3）太空失重环境使生物生长过程变化很大
在失重环境下，有一些生物的生长速度变得缓慢。1994年9月8日，日本航天员把4条青鳟鱼和340颗青鳟鱼卵带到太空。结果是，从地面上带到太空的鱼卵经过4～5天就孵出了鱼苗，而青鳟鱼在太空产下的鱼卵过了13天才开始孵化。看来在太空孵化养鱼没问题，但在太空中鱼的繁殖却很慢。
而另外一些生物的生长速度却加快。1990年12月，俄罗斯科学家曾把人参组织培养基带到空间站，进行太空培植实验，10天后发现人参在太空的生长量已相当于地面上一个月的生长量。还有，在太空中蚕蛹孵化成成虫、产卵、再孵化成幼蚕的时间比地面缩短两个月。许多微生物的生长速度要比地面快得多，有的生长速度甚至提高了400倍。
（4）失重环境会影响生物机体的形状和功能
前苏联科学家在“礼炮”号空间站
曾种植了一批豌豆
研究表明，地面上的植物，其80％的能量用于茎的生长，而在太空空间站的温室中植物几乎没有茎，但是叶更加茂盛，果实更加丰硕。1975年，前苏联科学家在“礼炮”号空间站种植了一批豌豆，发现豌豆的幼芽总是朝着明亮的地方生长，而新生的根和茎却朝着相反的方向生长，苗的生长期很短，不久就枯萎。
1985年4月，美国科学家在“空间实验室3”号上放置了12只出生仅56天的幼鼠，经过7天飞行后，发现幼鼠的前脚重量减少了14％，腰骨的重量减少了7％，前脚抗弯曲的强度也减弱了28％。
（5）失重与辐射的综合影响
在失重和太空辐射的共同作用下，植物品种会发生变异，动物机体会发生变化。如家鼠的造血器官和淋巴组织的变化要比仅处于失重状态下的变化更加剧烈，有的家鼠的肺部出现点状出血现象。
（6）失重对生物节律的影响很明显
1990年12月2日，日本航天员将6只2～3厘米长的雨蛙带上航天飞机。这种雨蛙背绿腹白，体侧有黑斑，趾的末端有吸盘，趾间有蹼，因而它们在太空失重状态下能平稳行走，跳动自如，既能向前跳，又能向后跳，但很少吃东西。日本航天员曾将雨蛙带上航天飞机。
1991年6月，美国航天员将2478只水母带上航天飞机，研究水母的生活和动物的定向能力。水母在太空很活跃，不停地搏动身体，但行为异常，在水中不停地转圆圈。
美国宇航员曾将大量水母带上航天飞机
1992年9月，美国航天员将12枚已受精的青蛙卵带上航天飞机，结果孵化出7只蝌蚪。这些小蝌蚪行为很怪，在水面上窜来窜去，飞快地转圈游动，不停地摇动尾巴或前后翻滚。
而前苏联航天员则在“和平”号空间站进行了孵化鹌鹑蛋的试验，鹌鹑孵化出来后，不能抓住铁笼的铁丝，在笼内挤成一团，最后因营养不良而死亡。
在“和平”号空间站上收获小麦
1990年12月，俄罗斯科学家在“和平”号空间站试种过一批小麦，但结果并不理想，生长期远远超过地球上的生长期，只生长却没有收获。后来在1996年12月，俄罗斯和美国科学家合作成功地在“和平”号空间站的暖棚里培育并收获了第一批太空小麦。这块麦田只有900平方厘米，收割了150多穗。这批墨西哥矮小型杂交小麦从播种到成熟只有97天。这证明生物在太空站内是可以生长发育的，为人类未来在星际旅行时解决食品问题走出了可喜的一步。
“太空植物园”试验
我们知道，要在太空长期居住先要解决食物问题。为此，科学家正在开展“太空植物园”的试验，准备在太空建造一座农场，种植各种植物，饲养动物。
虽然美国的“生物圈”试验以失败而告终，但美国科学家在佛罗里达州迪斯尼乐园附近建造的一座生态研究中心正在研究太空农业开发项目。他们将从月球上带回的土壤制成“月土”，栽培植物，以了解月土中哪些成分可供植物生长。
1984年，前苏联曾在仿造太空飞行条件的装置内，放入人工土壤。这种人工土壤是两种塑料的混合物，很像沙土，其中含有15种养分。在这种人工土壤中栽培植物，植物的生长周期大大缩短，产量明显提高。例如，在普通土壤中，每平方米的面积上70天产1千克萝卜；而在人工土壤中，每平方米的面积上21天就可产10千克萝卜。这一试验基本上解决了太空农场的土壤问题。
“太空动物园”试验
日本曾将果蝇带进太空进行动物饲养试验
1992年9月，日本科学家曾进行过太空动物饲养试验。他们将果蝇带到太空中，其中有1／10在太空死掉了，其余的被带回地面，后代在地面上一样生长发育。将受精的青鳟鱼卵带往太空，鱼卵照常孵化。
为了能在太空养鸡，莫斯科航空学院的学生成功地设计制造了太空孵化器和饲养装置，并已收获了200只成年鸡。人们正在进一步为在太空饲养鸟类、哺乳动物进行试验，以期在太空中营造一个植物茂盛、鸟语花香的新世界。
失重
失重就是物体对支持物的压力小于自身的重力。所谓重力，是物体所受天体的引力。引力的大小与质量成正比，与距离的平方成反比。就质量一定的天体来说，物体离它越远，所受它的引力越小，即重力越小，在足够远的距离上，它的引力可以忽略不计。但宇宙中不止一个天体，众多天体的引力会形成一个引力场。因此，太空不会是失重环境。当然，就局部地区来说，如在地—月系统中，只考虑地球与月球的引力，在地球与月球之间的某些点上，地球与月球的引力相互抵消，重力为零。在日—地之间也有引力平衡点。绕地球飞行的载人飞船，离地面一般只有几百千米，那里的太空当然不会是零重力环境，即使在36000千米高空绕地球飞行的航天器，其周围太空也不会是零重力，而只能是轻重力，即重力比地球表面上轻。利用飞机作抛物线飞行或利用自由落体原理设计的失重塔只能提供短暂的失重。航天器在环绕地球运行或在行星际空间航行中处于持续的失重状态。在环绕地球运行的轨道上，实际上只有航天器的质心处于零重力，其他部分由于它们的向心力与地球引力不完全相等而获得相对于质心的微加速度，这称为微重力状态。航天器上轨道控制推进器点火、航天员的运动、电机的转动以及微小的气动阻力等都会使航天器产生微加速度。因此，航天器所处的失重状态严格说是微重力状态。航天器旋转会破坏这种状态。在失重状态下，人体和其他物体受到很小的力就能飘浮起来。长期失重会使人产生失重生理效应。失重对航天器上与流体流动有关的设备有很大影响。利用航天失重条件能进行某些在地面上难以实现或不可能实现的科学研究和材料加工，例如生长高纯度大单晶，制造超纯度金属和超导合金以及制取特殊生物药品等。失重为在太空组装结构庞大的航天器提供了有利条件。
从空间改变气候
我们知道，全球变暖正在成为一种趋势。为此科学家告诫人们，如果对此不设法加以制止，长期下去，两极冰盖将会逐渐融化，海平面升高，而沿海城镇将有被淹没的危险。与此同时，大气环流与海洋水流也会发生变化，使地球气候出现异常现象，这将有可能给人类带来不可估量的灾难，甚至威胁到人类的生存。
随着航天技术的发展，航天科学家提出了造福人类的“空间气候工程”，即利用空间科学技术来控制、改变地球的气候。目前，科学家提出的方案有：
科学家们认为塑料薄膜是制造
“太阳伞”的理想材料（1）在空间支起“太阳伞”
科学研究表明，要解决目前气候变暖的问题，只需要把照射到地球的太阳光遮挡掉3％即可。按照计算，在空间支起一把“太阳伞”的伞面积需要有2000平方千米左右，伞面要用薄如蝉翼的金属薄膜或塑料薄膜制造。
如此庞大的伞面应该如何制造、运输和安装呢？这个庞大的伞面由4万个单元拼接而成，每个单元都有一个由计算机和制动器组成的自动控制机构，用来调节其位置和方向。这把太阳伞是依靠太阳光压和星球引力维持在空间规定的位置上，而事实上这个空间位置也不是任意选择的。
据研究，这个空间位置应位于从地球至太阳距离的1％处的点上。在这个点上，任何物体相对于太阳、地球和月亮的距离始终是保持不变的。这样，在这个空间位置上，就可以保证太阳伞具有恒定的遮蔽效果，并且不会影响其他的空间活动。被遮蔽的空域仅仅相当于蒙上一层隐隐约约的薄雾，对人类生活和植物生长没有任何影响。
（2）在空间制造“尘埃云”
宇航科学家提出：如果在位于地球至太阳距离的1％处的某点位置上，设法飘浮一片尘埃云，用它来遮挡太阳光，也是一种行之有效的方法。
在空间制造“尘埃云”的材料可取自月球采用这种方法所用的尘埃可以取材于月球。把装有月球尘埃的若干个圆筒发射到空间规定的位置上。在每个圆筒内，除装有月球尘埃外，还装有一定量的炸药。
当圆筒抵达规定的位置时，让炸药爆炸。依靠炸药的爆炸力使尘埃扩散开来，制造成一片永久性的、具有一定密度的尘埃云，用它来遮挡阳光。
令人担心的是，如果这些尘埃进入地球，对地球会有什么影响？科学研究的结果表明：即使这些尘埃每年散失l％，并且全部落入地球的话，也只相当于通常行星星际尘埃的流入量，不会给地球构成明显的危害。
（3）在空间竖起“反射镜”
有的科学家提出，在空间安置一面反射镜，把部分太阳光集中反射到某个局部地区，就能改变这个地区的气候状况。例如，由于高空云层能阻挡地球向空间散发热量，会使地球表面越来越热。人们利用空间反射镜，就能把太阳光集中反射到高空云层上去，让云层逐渐受热而散开，这样就能加快地表热量的散失而降低地球上的温度。
又如，我们也可以利用空间反射镜，把太阳光反射到南、北极的海区，促使那里浮游生物生长。这样，浮游生物就能不断地从大气中摄取大量的二氧化碳，这不仅会减少温室效应，而且能使浮游生物的产量增加，有利于海洋生物和渔业生产的发展。
（4）在空间编织“激光网”
上述的3种方法，都是在太空设置庞大的遮蔽物以遮挡阳光。世上的事，不怕一万就怕万一，万一出了故障，容易造成过多的太空垃圾。为此，有的航天科学家提出建议：向太空发射多颗人造地球卫星，并且从卫星上发射激光，形成“激光网”，让太空中对海面温度颇有影响的红外线发生变化，以阻止气候变暖。
根据这一设想，美国科学家提出了一个具体的实施办法：发射4颗人造地球卫星，科学家们设想用激光网为地球降温在卫星上配置激光发射装置和巨大的反射镜，4颗地球卫星上发射的激光互相碰撞。这样，当太空中红外线通过时，就会被与红外线能量相当的激光网阻挡，发生折射并照到海面上。于是，海面温度便人为升高，产生气流，兴云播雨，以此调节地球上的温度。
空间天气
空间天气是一个近地空间环境变化的概念。它与行星大气层内的天气截然不同，涉及空间等离子、磁场和辐射等现象。“空间天气”通常与近地空间磁层紧密相连，但其也研究行星际空间的变化。在我们的太阳系内，空间天气主要受太阳风的风速和密度以及太阳等离子体带来的行星际磁场三者的影响。各种各样的物理现象都与空间天气相关，包括地磁风暴和亚暴，在范艾伦辐射带的电流，电离层扰动和闪烁，极光和在地球表面的磁场变化诱导的电流等。日冕物质抛射及相关冲击波，也是空间天气的重要动力，因为它们可以压缩地磁层和触发地磁风暴。太阳高能粒子，日冕物质抛射或由太阳耀斑加速，也是对空间天气的重要驱动力，因为它们可以破坏航天器电子设备，并威胁到宇航员的生命。空间天气对空间探索和发展这些领域产生深远的影响。地磁的变化可引起大气密度的变化导致低地球轨道航天器的高度迅速降低。由于太阳活动引起的地磁风暴能够致盲航天器上的传感器并干扰机载电子设备，对于人造航天器的防护系统的设计来说了解空间环境至关重要。磁暴同样会增加高空飞行情况下飞机乘务员的辐射量。
空间天气是一个全新的概念，太阳上出现的耀斑和日面物质的抛射等剧烈活动，给地球磁层、电离层和中高层大气，卫星运行和安全，以及人类健康，带来严重影响和危害，人们把这种由太阳活动引起的短时间尺度的变化，称为空间天气。
空间发电站
研究表明，太阳上的核聚变反应，把巨大的能量投射到茫茫的宇宙空间，也投射到地球上，每一秒钟就等于把550万吨原煤运送给地球，然而这只占太阳辐射能的二十亿分之一。
在宇宙空间建立发电站——大型卫星太阳能电站的设想，经过多年酝酿，已逐渐成熟。在地面和轨道上进行的实验研究提供了可靠的设计资料。因此，现在积极进行的卫星电站计划，无论在规模和建造途径上，都和早期提出的方案有所不同。
1968年，美国工程师彼得·格拉塞尔提出了在空间建立卫星太阳能电站的大胆设想，一时舆论为之哗然。有人讥笑说，这不过是一个空间乌托邦式的幻想。事隔不久，波音公司公布卫星太阳能电站的第一个设计。由于空间技术和电能转换材料的进步，人们开始看到这个计划的现实性和它对地球能源革命可能带来的深远意义。
卫星太阳能电站是在距地球约36万千米高空绕地球转动的一颗人造卫星，绕地球一圈的时间，与地球自转周期相同，正好是23小时56分4秒。因此从地球上看，它仿佛总是停留在固定的位置上，所以叫做地球同步卫星。
生活在地面上的人们，很难看到真正的阳光充沛的场面，因为只有64％的阳光照射到地面上，其余全部被大气层吞掉了，何况还会经常遇到云遮雾障的情况，接收到的太阳光更少。而在宇宙空间，无云雾干扰，无昼夜之分，可以无休止地接受灼热阳光的强烈照射。
与建造在地球上的太阳能电站比较，卫星太阳能电站还有下列优点：
①地球上接受的太阳能受地理纬度的影响很大，赤道是地球上日照最充沛的地方，接收到的太阳能也只及宇宙空间得到的太阳能的1/6。
②地球上日照时间只占全天24小时的一小部分，而同步轨道卫星一年之中有275天全天24小时日照不断。只有90天出现被地球挡住阳光的机会，何况一天之内最多不超过72分钟，可见卫星太阳能电站效率比地面电站高得多。
设计中的卫星太阳能电站像一座在宇宙空间浮动的岛屿，在耀眼的阳光下不分昼夜地连续工作，为地球居民提供巨大的能源，而对地球没有任何损害和污染，这种电站是何等理想啊！
卫星电站的原理是利用大面积太阳能电池板将太阳能转换为电能。一个卫星电站所用太阳能电池板的面积达100平方千米以上，所以产生的电能也是相当惊人的：200万~2000万千瓦。地球上最大的水力发电站也无法和它比拟。
要把这样多的电能从几万千米的高空传输到地面，采用电缆是无论如何也行不通的，唯一的办法是使用微波传输。微波传输系统由4个基本部分组成，即：直流—微波转换系统、发射天线、地面接收天线、微波—直流转换系统。整个系统的效率为55％~65％。微波传输系统的核心是几十万个特高频功率管组成的发射天线，它可以把高压直流电转换成微波能，对准地面接收天线发射，像雷达天线发射电波一样。发射微波的最佳频率为2～4千兆赫，相当于波长75～15厘米。
这样，在宇宙空间和地面之间建立起一条看不见的巨型电缆。在地球一端，地面接收天线阵是一群蜂窝式排列的建筑物，由背衬金属的半波偶极子组成，能捕获微波能量，经固体二极管整流，接入高压直流电网，供给用户。地面接收天线阵分布在直径13×95千米的椭圆区内，面积也为100平方千米，蔚为壮观。椭圆中心的微波能为23毫瓦／平方厘米，边缘为1毫瓦／平方厘米。
卫星太阳能电站是一个庞然大物，总重在10万吨以上。如何将这样大的结构运送到轨道上进行安装和运行，的确是一个难题。现有的计划都是先将材料和人员送到距地面数百千米的低轨道上，然后再转运到高空的地球同步轨道上去。由于设计、材料和工作重点的不同，现在，提出了低轨安装和高轨安装两种方案。
低轨安装方案：这项方案的设计者是美国约翰逊空间中心和波音公司，计划建造一座输出功率为1000万千瓦的装置，太阳电池板面积21×5平方千米，两端各有一个外伸的发射天线，直径约1千米，全部重量10万吨。也可以建造500万千瓦级卫星电站，面积相应减少一半。主要结构用复合材料制造。太阳能电池板为硅和镓，整个结构分为8块，在距地球的低轨道上安装，然后分别转移到同步轨道去完成全部安装工作。
估计一座发电量1000万千瓦的卫星电站的建造期为一年，在此期间每天发射一次运载材料的轨道飞行器（航天飞机或运载火箭）。
高轨安装方案：杷歇尔空间飞行中心与洛克维尔国际公司制订了另一项计划。它们计划在地球同步轨道上进行全部安装工作。卫星电站的面积为213×38平方千米，呈盒形。全部结构由铝合金组成，重量为37万吨。镓太阳电池位于带反射面的凹槽中，反射面使太阳电池接受的太阳能增加一倍。它的发电量为500万千瓦，通过位于结构中部的直径1千米发射天线向地面传输。
反射镜
反射镜是一种利用反射定律工作的光学元件。反射镜按形状可分为平面反射镜、球面反射镜和非球面反射镜三种；按反射程度，可分成全反反射镜和半透半反反射镜（又名分束镜）。过去制造反射镜时，常常在玻璃上镀银，制作标准工艺是：在高度抛光的衬底上真空蒸铝后，再镀上一氧化硅或氟化镁。特殊应用中，由于金属引起损失可由多层介质膜代替。因反射定律与光的频率无关，此种元件工作频带很宽，可达可见光频谱的紫外区和红外区，所以它的应用范围愈来愈广。
空间站对接
事实上，载人空间站的交会对接可以说是空间站与其他的飞行器连接的唯一方法和手段，而且也是一个基本功。这还是一项极其复杂和要求很高的技术。因此，交会对接在载人航天技术中占有重要的位置。
事实上，无论是俄罗斯的空间站，还是美国的空间站，它们都不是长时间地单独运行，而是要与其他的飞行器组成一个整体，这就要靠交会对接技术来完成。
交会，是指使一个空间飞行器与另一个飞行器在规定的同一时刻、以相同的速度到达空间轨道上的预定位置的过程。说得再通俗一点，就好比两个人要共同完成一件工作，约好在什么时间、什么地点见面一样。对于空间站也是如此，交会只是使它们到了一起，以相同的速度和方向飞行，但是并没有连接在一起。而对接，则是指两个已经交会的空间飞行器通过彼此的专门机构使它们在结构上连接成一体的过程。只有可靠的连接并保证密封，才能打开舱门，才能进行宇航员的换班和物资的交接。可以看出，交会是对接的基础，美国、前苏联都进行了大量的工作和多次的试验才掌握了交会对接技术。
事实上，交会对接过程是发射一个飞行器与已经在轨道飞行的飞行器如空间站进行交会对接。我们通常把已经在轨道上飞行的飞行器比如空间站称作目标飞行器，而把要与这个飞行器对接的飞行器比如飞船或者航天飞机称作对接飞行器。实现两个飞行器的交会对接有很多的步骤和条件限制。
要想实现两个飞行器的交会，这便对对接飞行器的发射时刻提出了苛刻的要求，这是因为一个飞行器比如空间站已经在空间围绕地球飞行着。它有固定的轨道和轨道周期，在它围绕地球转动的同时地球也在不停地转动，而要与它进行交会的飞行器是从地球上发射，当它竖立在发射台上时就与地球一起转动。发射后，它要逐渐接近和赶上空间站也就是目标飞行器。那么，什么时间发射、发射后要按什么轨道飞行它们才能在规定的时间地点会合，这就不是随意的了。因此，什么时间发射就有了严格的限制，发射后它们之间的位置关系就确定了。
许多人认为航天器在交会对接时很危险。因为它们飞行的速度极快，在这样的高速之下对接航天器当然是件很危险的事。其实并非如此，航天器的高速度是它的绝对时速，这不会给对接造成任何危险，只有航天器与它所要对接的目标之间存在相对速度才有可能造成危险。而交会工作的任务之一就是让两个飞行器以相同速度飞行，也就是使它们的相对速度几乎为零，所以，只要相对速度掌握好，对接准确，即使它们的飞行速度再快也没有危险。
而交会对接则是个复杂的过程。概括起来，则可以把它分成4个阶段：
（1）远距离引导
飞船发射入轨后与空间站在太空的相对位置就确定了。而它们的距离却相距很远，而且不在同一个轨道上飞行。因此，第一个工作就是远距离的引导，这主要靠地面的测控站与飞船上的测控系统配合进行。首先，修正由于火箭的制导精度给飞船带来的各种误差；然后，飞船在一定的位置加速使它从发射时的椭圆轨道进入一个更高的圆形的轨道，引导飞船不断地加速变轨，使它们之间的相对位置满足进行交会的最佳要求，并且不断向空间站靠拢，使两者的距离在100千米左右的范围内。
（2）近距离引导
在这个阶段中，飞船及空间站上都装有各种无线电交会雷达设备及光学设备，并且在相互的作用范围内彼此看得见，依靠这些交会设备使飞船能够发现目标即空间站，并且加速跟踪它和逐渐地接近它，此时它们之间的距离已经越来越近了，近到在500米的范围内。
（3）停靠阶段
当两个飞行器的距离逐渐接近在100~300米以内时，飞船以每秒15~3米的相对速度进入停靠阶段。此时的飞船相对于空间站而言，可能有位置和角度的偏差。因此，要进行上下左右的平移控制和角度的调整，并慢慢地向前靠，当到达大约100米的距离内飞船停止前进，此时两个飞行器的相对速度为零，一个在前，一个在后，一起在轨道上飞行。
（4）壮观的对接时刻
此时它们之间的距离是如此之近，最后的关键时刻到了，两个飞行器在雷达和瞄准器的作用下慢慢地靠近，再靠近，最终相遇。当两个飞行器的对接机构接触后，对接机构的锁紧装置把它们拉住并逐渐地收拢锁紧，两个飞行器的对接面达到密封的程度，使两个飞行器紧紧地连接在一起了。
事实证明，这个对接的过程是相当复杂和必须十分精确小心的。这是因为不光是两个飞行器到达一起就行了，在两个飞行器的对接面上有多个电缆的插头、插座，每一个插头上又有几十个插针、插孔，还有气体、液体的连接管路，都要一个不错地连接好。全部连接好之后的飞船和空间站已经联成一体，共同在轨道上飞行。然后，宇航员打开舱门，飞船上的宇航员进入空间站，而空间站的宇航员进入飞船，并把空间站上已经经过试验的装置装在飞船上，把飞船上从地面带上去的物品及新的试验装置送上空间站，进行交接和换班。
所以说，交会对接是一项极其复杂的技术，为了掌握交会对接技术，俄罗斯自家的空间站之间，飞船与空间站之间进行过多次的试验，美国人同样如此，俄罗斯和美国也做过联合飞行，完成交会对接任务。
美国、前苏联两国飞船对接记
据史料记载，美国与前苏联在1972年签署了空间探索合作的双边协议。而1975年7月，两国航天员则分别乘“阿波罗”号和“联盟”号飞船进行首次太空对接试验。美方参加的有“阿波罗”飞船指令长汤姆逊·史坦福，航天员多纳尔特·史拉通和万斯·勃朗特；苏方参加的是“联盟”号飞船指令长阿列克赛·列沃诺夫和航天员万来列·库巴索夫。
这次太空对接是两个航天大国从自己的利益和彼此需要出发认真进行的一次合作。主要目的是要看一看，两国的载人航天飞船是否能在空间进行对接和怎样才能进行对接，这对轨道救援工作有重大意义；其次还希望共同在空间物理学、材料科学、医学与生物学等方面做一些科学技术试验，双方都想从试验中获益。
由于美国和前苏联是完全独立地发展自己的载人航天飞船的，双方还希望通过对接的机会，实地考察一下对方的飞船技术状况，这无疑是有极大好处的。要合作，就必须让对方在一定程度上了解自己，这对竞争来说则是不利的，所以在对接成功之后，其中有一方考虑到技术保密，中止了继续进行空间合作的协议。
事实上，如果想使得“阿波罗”号与“联盟”号飞船在空间轨道上实现对接，不是一件易事，需要解决许多棘手的技术问题。
首先，要进行对接，就意味着两飞船在太空应能互相找得着；
第二，要确定空间两飞船交会坐标。然而，“阿波罗”号和“联盟”号两飞船的雷达搜索和集合系统实际上是不相容的。两飞船的对接舱，总的说来也是不同的。两艘飞船舱内航天员维持生命所必需的大气更是互不兼容：“阿波罗”飞船用的是一个260毫米水银柱压力的纯氧大气；而“联盟”号拥有压力为760毫米水银柱正常的地球大气。单是这个问题就排除了两国航天员简单地从一艘飞船进入另一艘飞船作互访的可能性。
飞船对接示意图
而在弹道专家面前也有着一些困难。例如，前苏联的专家在他们的计算中使用的坐标系统和美国专家用的坐标系统是不一样的；莫斯科的飞船地面测控中心工作时用莫斯科时间，而设在美国休斯敦的中心则是使用飞行时间，也就是飞船发射时刻起始的时间；前苏联的科学家度量用米制单位，而美国使用传统的英制单位。所有这些问题是怎样解决的？显然没办法一一介绍。这里仅介绍一下两国航天员互访时，大气过渡是怎样解决的。
参加对接试验的“阿波罗”和“联盟”号飞船基本结构变动都不大，为解决两艘飞船座舱内大气环境的不同，科学家们还专门设计了一个对接过渡舱作为两船的过渡段。它是一个长315米、直径约142米的由厚铝板构成的圆柱体，两端分别可以与两艘飞船对接，两船对接好后它便构成航天员互访时的通道。过渡舱外带有两个气瓶，舱内设有无线电通信和电视设备、温度控制系统以及显示大气成分和压力的设备等。
两飞船完成对接后，航天员互访的程序是这样进行的：
首先，两名美国航天员（另一名留在“阿波罗”座舱内）进入对接过渡舱，经25分钟，舱内转变为一个大气压的普通空气之后，两人便进入“联盟”号访问。访问约数小时之后，他们再回到对接过渡舱。为了防止低压症，两个人要在一个大气压的条件下，在这里呼吸纯氧两个小时，用以排除血液中的氮气，再经25分钟，舱内气压转变为035大气压纯氧，然后才回到“阿波罗”号飞船的座舱。第二天，一名前苏联航天员（另一名留在“联盟”号内）仿此程序进行回访。至此，互访就算完成了。
对接中的所有其他技术问题，在美、苏两国所有参与对接人员的友好和通力合作下，都获得了很好的解决。“阿波罗”号和“联盟”号飞船的空间对接取得圆满成功。
“联盟T13”号飞船如何与失控的“礼炮7”号空间站进行对接的
第三批航天乘员结束“礼炮7”号—“联盟T12”号空间站复合体的工作之后，自1984年10月2日起，“礼炮7”号空间站工作在自动方式状态。在5个月的时间里，地面测控中心定期和它进行无线电联系，工作均很正常。
可是，最后的一次会期，发现空间站处理地面命令的发射接收设备有故障，导致和“礼炮7”号的所有无线电联系中断。地面得不到空间站系统状态和遥测信息，不再有可能通过无线电频道有效控制空间站位置、启动其高度控制设备和发动机，以保证自动汇合以及运输飞船和它的对接。
很明显，只有太空航天乘员才有可能恢复空间站的正常功能。为此，①必须算出运输飞船已经接近寂静的空间站天线方向图。一般说来，空间站无线电信号作为航天员的信标。②航天飞船和航天员乘务组准备进行一次飞行来完成这一困难工作。为此，飞船需要配置附加设备。然后非常重要的是拟定一个新的弹道汇合方向图，并和测控中心进行会期训练。
用于测定空间站轨道位置的地面雷达地面雷达设备用于测定空间站的现在轨道位置，其足够的测量精度用于计算和预测空间站的运动参数，这些信息使得可能引导运输飞船到达空间站所在区域：地面观测表明，空间站稳定飞行，没有自转和翻转现象，是非常重要的。因为快速转动的空间站，运输飞船是不可能与其进行对接操作的。
由地面拟定的运输飞船接近“礼炮7”号空间站的方案是按下列顺序进行的：在距离空间站大约10千米处，航天员用光学仪器使运输飞船的一个轴对准空间站。在地球视线这边，空间站像一颗异常明亮的星照耀着黑色的天空背景。一旦飞船轴对准了空间站，其信息便输入船上计算机。几个这种信号送入船上计算机内存，计算机便“知道”船的确切位置，使飞船在接近空间站轨迹上接收数据，计算机能控制轨迹修正量使飞船接近空间站。
当飞船离空间站只有2~3千米时，如果交会正常，航天员将对飞船进行控制。在接近站后，飞船应围绕它飞行到达对接舱并靠近。为此拟定了所需要的计算方法，很多数据进入计算机内存，使飞船能完成这些调度。航天员带上专用光学导航仪器，一个激光测距器和一个夜视仪。夜视仪在飞船进入地球阴影之前尚未接近空间站时使用。飞船必须“悬浮”在空间站上面，对空间站保持一定距离，既要在视线内，又不要撞上它。
运输飞船和航天乘员组的准备工作是在1985年3月开始的。航天乘员包括弗拉基米尔·捷尼贝可夫和维克多·塞维尼克。弗拉基米尔曾4次航天，是很有经验的航天员，他曾进入开放空间，特别重要的是他有过人工对接的经验。1982年前苏联和法国联合飞行期间，他显示了高超的技能。维克多曾致力于空间站的设计，他知道空间站的每一个部位，同样，他也不是第一次航天飞行。1981年他曾在“礼炮6”号工作、停留过75天。
6月6日“联盟T13”飞船载着弗拉基米尔·捷尼贝可夫和维克多·塞维尼克进入轨道。6月8日早上它来到离空间站大约10千米处。弗拉基米尔将飞船侧轴对准空间站并且通过返回舱的舷舱对它进行观察；同时维克多·塞维尼克用他的命令将信息送入计算机。最后的轨道校正调度是自动进行的。在“礼炮7”号空间站离飞船25千米处，航天员对飞船手控。在船站间距离为200米时，“联盟T13”停止接近并悬浮。航天员记录下飞船接近空间站的照明条件，发现并不理想。于是他们和地面测控中心商量，测控中心同意接近，使飞船更靠近空间站。弗拉基米尔·捷尼贝可夫驾飞船围绕空间站飞行，把飞船引到对接舱，实现对接并获得成功。地面测控中心全体当班人员看到此情此景，发出热烈掌声和喝彩。
参加这次非常困难的交会和对接的专家们认识到，这是具有根本性重要意义的技术成就，它远远超出完成这次交会对接任务本身的意义，对今后载人航天飞行的发展有重大影响。这次对接成功的事实证明，人类不仅可能接近要检查和修理的失效卫星，而且可能援救因技术原因不能返回地球的载人航天飞船的乘员。
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到3名航天员。
世界上第一艘载人飞船是前苏联的“东方1”号宇宙飞船，于1961年4月12日发射。它由两个舱组成，上面的是密封载人舱，又称航天员座舱。这是一个直径为23米的球体。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，它长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。它和运载火箭都是一次性的，只能执行一次任务。
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