此时此刻，在地球人的头顶上空，穿梭飞行着大大小小的卫星、飞船、航天飞机、宇宙空间站等各类宇航飞行器。是科学技术的进步，让人类有了冲出地球引力的条件，有了太空漫步旅行的工具，有了与外星生命对话的机会，有了造访其他星球的可能。当日益先进的宇航工具更多的出现时，等于人类已经握有了开启通天之门的钥匙。
一、运载火箭：毅然割断引力锁链
1.向上帝挑战的庞然大物：运载火箭
根据物理学知识，我们知道，要使卫星或飞船克服地球引力，进入环绕地球的轨道运行，需要达到或超过7.9公里/秒的第一宇宙速度才行；要使飞船或星际探测器摆脱地球引力的束缚，实现太阳系内的星际航行，进行科学考察，至少需要达到11.2公里/秒的第二宇宙速度才行；要使星际探测器摆脱太阳的引力，到太阳系外去银河系探索宇宙的奥秘，则必须要达到16.6公里/秒的第三宇宙速度。在目前技术条件下，要达到这么高的速度，只有利用火箭推动，而且单级火箭是无能为力的，只有依靠多级火箭。所以，运载火箭都是多级的，又细分为有两级的，三级的，也有四级的。
运载火箭按组合方式基本上可以分为两大类，一类是各级首尾相接的串联式运载火箭；另一类是下面两级并联，上面一级串联的串并混合式运载火箭。
整个运载火箭是由箭体结构、动力装置和控制系统三大部分组成的。
运载火箭的大小是由飞行任务要求的有效载荷和飞行轨道决定的。飞行轨道相同，有效载荷越大，起飞重量越大；有效载荷不变，飞行轨道越高，起飞重量越大。由于卫星和飞船等空间飞行的轨道都比较高，重量较大，所以运载火箭都是一些身高体重的庞然大物。它们的重量少则几十吨，一般为一百多吨到几百吨，重的可达二三千吨。高度一般在30米左右，有的40～50米，有的可达100多米。粗直径在1米以上，一般为3米左右，最粗的可达4.8米。通常，有效载荷占运载火箭起飞重量的1％～2％。就是说，发射一颗一吨重的人造卫星，运载火箭就得有50～100吨重。这与飞机等运输工具相比，其运输效率是不高的。
2.直冲九霄——运载火箭的发射
运载火箭从地面发射起到把有效载荷送入预定轨道止，称为发射阶段。在这一阶段所飞经的路线就称作发射轨道。发射轨道一般分为加速飞行段、惯性飞行段和最后加速段三部分。下面，就以三级运载火箭发射轨道人造卫星为例，介绍一下典型的发射过程。
发射前，运载火箭最后检验合格、准备完毕，载着卫星耸立在发射台上，由地面控制中心倒计数到零便下令使第一级火箭发动机点火。在震天动地的轰鸣声中，火箭拔地而起，冉冉上升，加速飞行段由此开始了。经过几十秒钟，运载火箭开始按预定程序缓慢地向预定方向转弯；100多秒钟后，在70公里左右高度，第一级火箭发动机关机、分离；第二级接着点火，继续加速飞行。这时火箭已飞出稠密大气层，可按程序抛掉卫星的整流罩。在火箭达到预定速度和高度时，第二级火箭发动机关机、分离，至此加速飞行段结束。随后，运载火箭靠已获得的能量，在地球引力作用下开始惯性飞行段，一直到与卫星预定轨道相切的位置止。此时，第三级火箭发动机点火工作，开始了最后加速段飞行。当加速到预定速度时，第三级发动机关机，卫星与火箭分离，进入预定轨道。至此，运载火箭的运载使命就全部完成了。
与上述发射轨道相比，发射地球同步卫星、载人登月飞船及星际探测器等的轨道要复杂得多，但原理雷同。
3.遥探“大力神”：运载火箭的控制
现以中国“长征3号乙”运载火箭将菲律宾马部海卫星送入预定轨道的全部控制过程为例，说明火箭入轨的各个阶段的工作情况和各级箭、星分离的时间。各个控制的控制程序列于表1和表2中。表1为发射准备程序，表2为飞行程序。
4.冯·布劳恩：掌握通天大门钥匙的人
二次世界大战末期，德国法西斯为了挽救自己垂死的命运，从1944年9月6日到1945年3月27日，向英、比利时等国发射了4300多枚“复仇”2号（V-2）火箭（导弹），造成人员和财产的惨重损失。V-2箭虽在战争中扮演了极不光彩的角色，但它在技术上的成功却使人类向征服太空迈进了一大步，成为现代大型火箭的鼻祖，构筑了航天史上重要的里程碑。
“孕育”V-2火箭的首要人物是冯·布劳恩。
布劳恩（1912～1977）出生于德国维尔西茨（今波兰维日斯克）一个富豪家庭，父亲做过魏玛共和国教育部和农业部部长。中学时代，布劳恩发奋读书，刻苦钻研，还给奥伯特写信，表示自己如何喜爱火箭研究。1930年，18岁的布劳恩由于才学出众，被破格吸收为德国宇宙航行学会最年轻的会员。1932年他毕业于柏林工学院，2年后成为该校的物理学博士。
1932年11月1日，尚在大学中的布劳恩便被聘用为非军人雇员，帮助多恩伯格从事火箭研究。在距柏林不远的库默斯多夫试验场内，火箭研究小组很快就试制成功了一台小型液体火箭发动机，燃烧60秒，推力达到1370牛。透过成功，布劳恩意识到火箭研制是一项十分复杂的系统工程，不是几个人就能把技术问题全部解决的，必须组织一批科学家分工协作，才能使火箭工程顺利发展。在他的倡议、组织下，德国宇宙航行学会中一批才学出众的专家集中到了火箭研究小组中，从1932年11月至1935年，研究小组已有80名科学家，布劳恩成为小组的核心人物。
在布劳恩的领导下，火箭研究小组从1933年开始研制A系列火箭，到1942年他们已经研制了推力分别为2646牛、8820牛、13328牛和27970牛的A1～A4液体火箭，并且于1937年建成了世界闻名的佩纳明德火箭研究中心，这时布劳恩小组有118名工程技术专家，平均年龄26岁。
A-4火箭1942年10月首飞成功，它的飞行速度接近2公里/秒，飞行距离达到189.8公里。法西斯垂青于它的军用价值，下令把A-4火箭改型为V-2导弹，用作战争武器。V-2导弹全长14米，直径1.65米，起飞质量13吨，装有十字形尾翼，以酒精和液氧作推进剂，发动机推力为260千牛，飞行速度5倍于音速，能将1吨重的弹头发射到275～320公里的地方。
战后，布劳恩为美国政府工作，1945年至1955年，他组织领导了美国弹道导弹武器计划的实施，先后在V-2导弹基础上研制成功了单级液体红石导弹和丘比特导弹。1957年10月4日苏联抢先把世界上第一颗人造卫星送上地球轨道后，布劳恩又受命主持把单级丘比特导弹改为四级丘比特运载火箭的工作。1958年2月6日，布劳恩主持研制的丘比特C运载火箭，把美国第一颗人造卫星送上了天空，开拓了美国通向天空的道路。这种火箭的第一级是红石导弹的改进型，第二、三、四级分别是11个、3个和1个固体火箭，由于推力较小，美国第一颗卫星的重量只有前苏联的第一颗卫星的1/10。
此后，布劳恩参加了包括研制宇宙飞船及运载火箭的“水星”载人飞行计划、“双子星座”载人飞行计划，参与了把几种中程导弹改制成“雷神”系列、“宇宙神”系列、“大力神”系列运载火箭的工作，为美国的航天计划立下了汗马功劳。而他最辉煌的成就，是他为美国阿波罗登月计划而研制的“土星5”号巨型运载火箭。“土星5”号是一种三级液体火箭，加上阿波罗飞船全长110.6米，直径10米，起飞质量2840吨，能把100吨重的卫星送上地球轨道，或者把50吨重的飞船送上月球轨道。从1967年至1973年，“土星5”号一共发射了13次，其中6次将阿波罗载人飞船送上了月球。布劳恩和他的杰作“土星5”号火箭在人类航天史上写下了最为光辉的一页。
1970年，布劳恩到华盛顿任美国航宇局副局长，负责空间计划，1972年退休，1977年因患癌症去世。
5.初战告捷以外的梦想
（1）形形色色的设想
齐奥尔科夫斯基曾经说过：“火箭对我来说，只是通向太空深处的一种办法，如果有另外的登天办法，我也会采纳，问题的实质是能够飞离地球并到太空居留。”
在齐奥尔科夫斯基之后，还有人提出过形形色色的登天设想。如美国人提出的“戴松球”、“擎天柱”，英国人提出的“轨道塔”，苏联人提出的“宇宙梯”、“宇宙链”、“太空传送带”等等。
一个叫马依波罗的人提出，在地球赤道上建一座很长很高的桥，桥顶高出地面几百千米，远在稠密大气层之上。如果让航天器沿桥面往上行驶，当到达桥顶时，不需要很大的动力，就可离开桥顶进入太空飞行。
由于月球总是用同一面对着地球，因此，有人设想，如果在月球的这一面中央拴一条绳子，让绳子一直垂到地面，那么，沿着绳子就可爬上月球，或到达在不同高度轨道上运行的航天器上。其实，只要把人员和物资吊在绳头上的篮子里，也可以到达约4万公里的高空。因为月球是沿着一条椭圆轨道绕地球运行的，就是说，它有时离地球近，最近时，距离为363300公里；有时离地球远，最远时，距离为405500公里。如果绳子的长度为363300千米，那么，当月球离地球最近时，篮子就正好到达地面。这时，人员和物资进入篮子中，随着月球继续绕地球运行，篮子离地面越来越高。到月球离地球最远时，篮子就到了42200公里的高空了。因此，这个篮子可以给42200公里轨道高度以下的航天器运送人员和物资。当然，也可以给更高轨道上的航天器，甚至给月球基地运送人员和物资，而且不用费力爬绳子，只要在绳子上安装升降机就可以了。
那么，在对地静止轨道卫星上拴一条绳子，可不可以利用这条绳子向太空运送人员和物资呢？大家可以独立思考，作出回答。
（2）电磁线圈炮
电磁线圈炮是将强电流通入线圈，产生巨大的电磁力，使线圈内载着航天器的射弹不断加速，最后被弹射出去的航天发射装置。
美国桑迪亚实验室研制的长0.8米，直径0.1米，有6级线圈的原型线圈炮，可使5千克重的射弹的出口速度达到335米/秒，一些工程问题解决后，线圈炮是发射小卫星的理想工具。一个线圈炮一天可以发射100多次，费用只有火箭的百分之一，特别适合高频次的发射。
（3）氢气炮
氢气炮好比一支巨大的气枪，它用高压氢气将卫星从发射管中弹射出去。
美国劳伦斯·利弗莫尔实验室正在研制的氢气炮，结构形状呈L形。一部分在地面上，是一根长82米，直径36厘米的泵管，泵管中有一个重4吨的钢制活塞；另一部分由塔架支撑着，倾斜地指向天空，是一条长47米、直径10厘米的发射管。两部分呈直角。发射时，将甲烷与空气的混合物注入泵管的一头，隔着活塞靠近发射管的一头泵管内则充氢气。点燃甲烷和空气的混合物，产生爆炸，推动活塞，压缩氢气，使氢气的压力迅速上升到4100大气压，将炮管中的卫星高速推出。为承受氢气压缩时产生的巨大冲击，装在泵管两端滑橇上各重100吨的缓冲器向后滑动3米，而发射管中的反作用力则由一个10吨重的缓冲器和填满胶体物质的容器来吸收，反作用力使胶体物质通过容器的孔隙喷出，使发射管得到保护。
1993年，劳伦斯·利弗莫尔实验室在范登堡空军基地用原型氢气炮向太平洋上空发射炮弹，5千克重的炮弹可达到450千米高度的轨道。全尺寸的氢气炮建成后，可将10吨重的有效载荷送入450千米高的轨道，或将2吨重的有效载荷送上月球。发射费用只有航天飞机的1/40。
二、人造卫星：各路“星”神显神通
1.人造卫星的大家族
每当仰望黄昏或黎明前的晴朗夜空时，我们常常会看到有明亮的“星星”快速飞过，时间不过二分钟就会消失。其运行轨迹有时为东西向，有时呈南北向。这就是人类自己制造的人造地球卫星。
（1）人造地球卫星概况
人造卫星的运行轨道（除近地轨道外）通常有三种：地球同步轨道、太阳同步轨道、极轨轨道。
①地球同步轨道：是运行周期与地球自转周期相同的顺行轨道。
②太阳同步轨道：是轨道平面绕地球自转轴旋转的、方向与地球公转方向相同、旋转角速度等于地球公转的平均角速度（360度/年）的轨道，它距地球的高度不超过6000公里。
③极轨轨道：是倾角为90°的轨道，在这条轨道上运行的卫星每圈都要经过地球两极上空，可以俯视整个地球表面。气象卫星、地球资源卫星、侦察卫星常采用此轨道。
在地球上的许多国家中，能够自己制造和发射卫星的国家并不多。其中最早实现自己制造、发射卫星的国家有前苏联、美国、法国、日本和中国。这五个国家可以称为发射卫星的明星国家。
（2）人造地球卫星的分类和应用
在目前发射成功的卫星中，包括科技实验考察、通信、气象、导航、地球资源、军事侦察、海洋监视、早期预警、数据中继、军用测地等用途的卫星。它们在各自的领域大显神通，使人类传统文明和军事技术发生了革命性的变化。
