“我知道地球是圓的，因為我看見了圓形；然後，又看到它還是立體的。當我往下看時，……看到印度洋上船舶拖著尾波前進，非洲壹些地方出現灌木林火，壹場雷電交加的暴風雨席卷了澳大利亞1000英裏的地區，呈現出大自然的壹幅立體風景畫。”
這是航天員在談到從航天飛機上看地球的情景時的壹段描述。
航天技術發展是當今世界上最引人註目的事業之壹，它推動著人類科學技術的進步，使人類活動的領域由大氣層內擴展到宇宙空間。航天技術是現代科學技術的結晶，是基礎科學和技術科學的集成，航天技術是壹個國家科學技術水平的重要標誌。
航天技術是壹門綜合性的工程技術，主要包括：制導與控制技術，熱控制技術，噴氣推進技術，能源技術，空間通信技術，遙測遙控技術，生命保障技術，航天環境工程技術，火箭及航天器的設計、制造和試驗技術，航天器的發射、返回和在軌技術等。由多種技術融於壹體的航天系統是現代高技術的復雜大系統，不僅規模龐大，技術高新、尖端，而且人力、物力耗費巨大，工程周期長。時至今日，航天技術已被廣泛應用到政治、軍事、經濟和科學探測等領域，已成為壹個國家綜合國力的象征。
人類很早就有遨遊太空、征服宇宙的理想。宇宙的星球對人類壹直充滿著吸引力和神秘感，許多美麗的神話和傳說，反映了人類對宇宙的向往和探索空間奧秘的心情。《嫦娥奔月》、《牛郎織女》，以及孫悟空騰雲駕霧、壹個筋鬥十萬八千裏等。
航天飛行的歷史是從火箭技術的歷史開始的，沒有火箭也就沒有航天飛行。追溯源頭，中國是最早發明火箭的國家。“火箭”這個詞在三國時代(公元220～280年)就出現了。不過那時的火箭只是在箭桿前端綁有易燃物，點燃後由弩弓射出，故亦稱為“燃燒箭”。
隨著中國古代四大發明之壹的火藥出現，火藥便取代了易燃物，使火箭迅速應用到軍事中。公元lO世紀唐末宋初就已經有了火藥用於火箭的文字記載，這時的火箭雖然使用了火藥，但仍須由弩弓射出。真正靠火藥噴氣推進而非弩弓射出的火箭的外形被記載於明代茅元儀編著的《武備誌》中，見圖1.1。這種原始火箭雖然沒有現代火箭那樣復雜，但已經具有了戰鬥部(箭頭)、推進系統(火藥筒)、穩定系統(尾部羽毛)和箭體結構(箭桿)，完全可以認為是現代火箭的雛形。
中華民族不但發明了火箭，而且還最早應用了串聯(多級)和並聯(捆綁)技術以提高火箭的運載能力。明代史記中記載的“神火飛鴉”就是並聯技術的體現；“火龍出水”就是串、並聯綜合技術的具體運用，如圖1.2所示。
世界上第壹個試圖乘坐火箭上天的“航天員”也出現在中國。相傳在14世紀末期，中國有位稱為“萬戶”的人，兩手各持壹大風箏，請他人把自己綁在壹把特制的座椅上，座椅背後裝有47支當時最大的火箭(又稱“起火”)。他試圖借助火箭的推力和風箏的氣動升力來實現“升空”的理想。“萬戶”的勇敢嘗試雖遭失敗並獻出了生命，但他仍是世界上第壹個想利用火箭的力量進行飛行的人。
19世紀末20世紀初，火箭才又重新蓬勃地發展起來。近代的火箭技術和航天飛行的發展，湧現出許多勇於探索的航天先驅者，其中代表人物K．3．齊奧爾科夫斯基(~OHCTaHTHH3ayap且oBHq UHOaKOBCKHfi)，R．戈達德(Robert Goddard)，H．奧伯特(Hermann Oberth)。
前蘇聯科學家齊奧爾科夫斯基壹生從事利用火箭技術進行航天飛行的研究。在他的經典著作中，對火箭飛行的思想進行了深刻的論證，最早從理論上證明了用多級火箭可以克服地心引力進入太空的論點。
1、建立了火箭運動的基本數學方程，奠定航天學的基礎。
2、首先肯定了液體火箭發動機是航天器最適宜的動力裝置，論述了關於液氫壹液氧作為推進劑用於火箭的可能性，為運載器的發展指出了方向，這些觀點僅僅幾十年就成為了現實。
3、指出過用新的燃料(原子核分解的能量)來作火箭的動力；並具體地闡明了用火箭進行航天飛行的條件，火箭由地面起飛的條件，以及實現飛向其他行星所必須設置中間站的設想。
4、提出過許多的技術建議，如他建議使用燃氣舵來控制火箭，用泵來強制輸送推進劑到燃燒室中，以及用儀器來自動控制火箭等，都對現代火箭和航天飛行的發展起了巨大的作用。
美國的火箭專家、物理學家和現代航天學奠基人之壹戈達德博士在1910年開始進行近代火箭的研究工作，他在1919年發表的《達到極大高度的方法》的論文中，闡述了火箭飛行的數學原理，指出火箭必須具有7．9 km／s的速度才能克服地球的引力，並研究了利用火箭把有效載荷送至月球的幾種可能方案。
德國的奧伯特教授在他1923年出版的《飛向星際空間的火箭》壹書中不僅確立了火箭在宇宙空間真空中工作的基本原理，而且還說明火箭只要能產生足夠的推力，便能繞地球軌道飛行。同齊奧爾科夫斯基和戈達德壹樣，他也對許多推進劑的組合進行了廣泛的研究。
在1932年德國發射A2火箭，飛行高度達到3 km。1942年10月3日，德國首次成功地發射了人類歷史上第壹枚彈道導彈V?2(A4型)，並於1944年9月6日首次投入作戰使用。
V-2的成功在工程上實現了19世紀末、20世紀初航天技術先軀者的技術設想，並培養和造就了壹大批有實踐經驗的火箭專家，對現代大型火箭的發展起到了繼往開來的作用。V-2的設計雖不盡完善，但它卻是人類擁有的第壹件向地球引力挑戰的工具，成為航天技術發展史上的壹個重要裏程碑。
1957年10月4日，前蘇聯用?°衛星?±號運載火箭把世界上第壹顆人造地球衛星送入太空，衛星呈球形，外徑O．58 m，外伸4根條形天線，質量83．6 kg，衛星在天上正常工作了3個月。按照今天的標準衡量，前蘇聯的第壹顆衛星只不過是壹個伸展開發射機天線的圓球，但它卻是世界上第壹個人造天體，把人類幾千年的夢想變成了現實，為人類開創了航天新紀元，標誌著人類活動範圍的又壹飛躍。 1961年4月12日，前蘇聯成功地發射了第壹艘?°東方號?±載人飛船，尤裏.加加林成為人類第壹位航天員，揭開了人類進入太空的序幕，開始了世界載人航天的新時代。 1962年8月27日，美國發射的“水手2號”探測器第壹次成功飛越金星。 1969年7月20日，美國N．A．阿姆斯特朗和E．E．奧爾德林乘坐?°阿波羅11號?±飛船登月成功，在月球靜海西南角著陸，成為涉足地球之外另壹天體的首批人員。他們在月球上安放了科學實驗裝置，拍攝了月面照片，搜集了22虹月球巖石與土壤樣品，然後自月面起飛，與指揮艙會合，返回地球。首次實現了人類登上月球的理想。 1971年4月19日，前蘇聯?°禮炮1號?±空間站人軌成功，其質量約18 t，總長14 m，軌道高度200～250 km，軌道傾角51．6。，成為人類第壹個空間站，完成了有關天體物理學、航天、醫學、生物學等方面的科研計劃，考察地球資源和進行長期失重條件下的技術實驗。 1972年3月2日，美國發射了木星和深遠空間探測器?°先驅者10號?±。它攜有表明人類信息的鍍金鋁板，經過11年飛行，於1983年6月越過海王星軌道，而後成為飛離太陽系的第壹個人造天體。 1975年6月8日，前蘇聯發射了?°金星9號?±探測器，實現了在金星表面著陸。 1975年7月18日，美國?°阿波羅號?±飛船與前蘇聯?°聯盟19號?±飛船在大西洋上空對接成功(視頻資料)。 1975年8月20日，美國發射了?°海盜1號?±探測器，第壹次在火星表面著陸成功(視頻資料)。 1977年9月，美國發射了?°旅行者2號?±探測器，對天王星、海王星進行探測。 1981年4月，世界上第壹架垂直起飛、水平著陸、可重復使用的美國航天飛機?°哥倫比亞號?±試飛成功，標誌著航天運載器由壹次性使用的運載火箭轉向重復使用的航天運載器的新階段，是航天史上壹個重要的裏程碑，標誌著人類在空間時代又上了壹層樓，進入了航天飛機時代。至2000年10月，航天飛機已成功飛行100次。 1986年2月，前蘇聯?°和平號?±軌道空間站發射成功，它成為目前人類發射的在軌運行時間最長的載人航天器，在軌運行超過15年。2001年3月23日，?°和平號?±軌道空間站被引入大氣層銷毀，完成了其輝煌的歷史使命。 目前，更大規模的國際空間站在美國、俄羅斯、加拿大、日本、意大利和歐洲空間局的合作下，正在進行在軌組裝建設人類就是以如此快速的步伐沖擊著宇宙大門!
不難看出，從公元10世紀的中國火箭到第二次世界大戰的V壹2導彈，人類是出於軍事需求發展了火箭技術，而這恰恰為航天技術的發展奠定了堅實的基礎。自20世紀40年代至今，航天技術以驚人的速度發展著並日臻完善。我們可以堅信，隨著科學技術的進步和工業基礎的不斷增強，航天技術將會有更大的突破並更趨完善。 航天技術從20世紀50年代末期的研究試驗階段到70年代中期，發展到了廣泛實際應用階段。其中60年代以來，為科學研究、國民經濟和軍事服務的各種科學衛星與應用衛星得到了很大發展。至70年代，軍、民用衛星已全面進入應用階段。壹方面向偵察、通信、導航、預警、氣象、測地、海洋、天文觀測和地球資源等專門化的方向發展，同時另壹方面，各類衛星亦向多用途、長壽命、高可靠性和低成本的方向發展。 回顧近50年來航天技術應用的歷程，具有代表性的大事列舉如下： 1958年12月，美國發射了世界上第壹顆通信衛星?°斯科爾號?±； 1960年4月，美國先後發射了世界上第壹顆氣象衛星?°泰羅斯1號?±和導航衛星?°子午儀1B號?±； 1963年7月，美國發射了世界上第壹顆地球同步軌道通信衛星； 1964年8月，美國發射了世界上第壹顆地球靜止軌道通信衛星； 1965年4月，美國成功地發射了世界上第壹顆商用通信衛星?°國際通信衛星1號?±，正式為北美與歐洲之間提供通信業務，它標誌著通信衛星進入了實用階段； 1972年7月，美國發射了世界上第壹顆地球資源衛星?°陸地衛星1號?±； 1982年11月，美國航天飛機開始商業性飛行；1984年11月，美國航天飛機成功地施放了兩顆衛星並回收了兩顆失效的通信衛星，第壹次實現了雙向運載任務； 1983年4月，美國發射了世界上第壹顆跟蹤和數據中繼衛星； 1999年，由66顆小型衛星組網形成的美國?°銥?±星全球電話通訊系統建成並投入使用。 目前，美國的GPS系統和俄羅斯的衛星導航系統已成為全世界各領域普遍應用的定位導航系統，發揮著巨大的作用。 在我國，繼1970年4月24日首顆衛星?°東方紅壹號?±發射成功以來，航天技術的發展和應用也取得了巨大的成就： 1975年11月，我國第壹顆返回式遙感衛星發射成功，並順利回收； 1984年4月，我國第壹顆靜止軌道試驗通信衛星發射成功； 1986年2月，我國第壹顆靜止軌道實用通信衛星發射成功； 1988年9月，我國第壹顆氣象衛星?°風雲壹號?±發射成功； 至2000年10月，我國?°長征?±系列運載火箭已成功發射62次。 進入20世紀90年代，我國航天技術應用的步伐進壹步加快，大容量通信衛星?°東方紅三號?±、氣象衛星?°風雲壹號?±和?°風雲二號?±以及資源衛星先後發射成功。 1999年11月20日我國成功發射了第壹艘試驗飛船?°神舟號?±，在載人航天領域邁出了堅實的壹步綜上可見，從1957年世界上第壹顆人造地球衛星發射成功算起，迄今僅40余年，航天技術取得了如此巨大的成就是前所未有的，產生了巨大的社會效益與經濟效益。
總之，隨著航天技術應用的發展，航天活動已越來越顯示出其巨大的軍事意義和經濟效益，已成為國民經濟和國防建設的壹個重要組成部分。反過來，這種社會和經濟效益又進壹步推動著航天技術日新月異的發展。
航天技術是壹門研究和實現如何把航天器送人空間，並在那裏進行活動的工程技術。它主要包括航天器、運載工具和地面測控三大部分。為了便於了解，我們首先對航天器進行分類。 同壹個航天器可兼有數種任務，故機械地、絕對地分類，是不可能的。同壹類航天器，往往包括了幾種系列，而每壹系列又可分成數種不同的衛星系統或型號。 航天器可分為無人航天器與載人航天器兩大類。無人航天器按是否繞地球運行又可分為人造地球衛星和宇宙探測器兩類。它們又可以進壹步按用途分類，如圖1.3所示。 簡稱人造衛星，是數量最多的航天器(占90％以上)。它們的軌道長度由i00多公裏到幾十萬公裏。按用途它們又可分為：目前的載人航天器只在近地軌道飛行和從地球到月球的登月飛行。今後將出現可以到達各種星球的載人飛船，以及供人類長期在空間生活和工作的永久性空間站。載人航天器按飛行和工作方式可分為：
可以重復使用的，往返於地面和高度在1000 km以下的近地軌道之間，運送有效載荷的航天器。
3．宇宙探測器
旅行者1號 旅行者2號
按航天器在軌道上的功能來進行分類，就人造地球衛星而言，可分為觀測站、中繼站、基準站和軌道武器四類。每壹類又包括了各種不同用途的航天器。衛星處在軌道上，對地球來說，它站得高，看得遠(視場大)，用它來觀察地球是非常有利的。此外，由於衛星在地球大氣層以外不受大氣的各種幹擾和影響，所以用它來進行天文觀測也比地面天文觀測站更加有利。屬於這種功能的衛星有下列幾種典型的用途。
在各類應用衛星中偵察衛星發射得最早(1959年發射)，發射的數量也最多。偵察衛星有照相偵察和電子偵察衛星兩種。
資源衛星是在偵察衛星和氣象衛星的基礎上發展而來的。利用星上裝載的多光譜遙感器獲取地面目標輻射和反射的多種波段的電磁波，然後把它傳送到地面，再經過處理，變成關於地球資源的有用資料。它們包括地面的和地下的，陸地的和海洋的等等。
海洋衛星的任務是海洋環境預報，包括遠洋船舶的最佳航線選擇，海洋漁群分析，近海與沿岸海洋資源調查，沿岸與近海海洋環境監測和監視，災害性海況預報和預警，海洋環境保護和執法管理，海洋科學研究，以及海洋浮標、臺站、船舶數據傳輸，海上軍事活動等。
當然，作為觀測站的衛星遠不止以上幾種，預警衛星、核爆炸探測衛星、天文預測衛星(如美國的“哈勃”太空望遠鏡)等均屬於這壹類。雖然它們的功能各有側重，但基本觀測原理都是相似的。2．中繼站
利用衛星進行通信和平常的地面通信相比較，具有下列優點：
①通信容量大；
②覆蓋面積廣；
③通信距離遠；
④可靠性高；
⑤靈活性好；
⑥成本低。
廣播衛星是壹種主要用於電視廣播的通信衛星。這種廣播衛星不需要經過任何中轉就可向地面轉播或發射電視廣播節目，供公眾團體或者個人直接接收，因此又稱為直播衛星。目前普通的家庭電視機配壹架直徑不到1m的天線就可以直接接收直播衛星的電視廣播節目。
跟蹤和數據中繼衛星是通信衛星技術的壹個重大發展。它是利用衛星來跟蹤與測量另壹顆衛星的位置，其基本思想是把地球上的測控站搬到地球同步軌道上，形成星地測控系統網。
3．基準站
這種衛星是軌道上的測量基準點，所以要求它測軌非常準確。屬於這種功能的衛星有：
4．軌道武器
這是壹種積極進攻的航天器，具有空間防禦和空間攻擊的職能。它主要包括：
不同類型的航天器，其系統的結構、外型和功能幹差萬別，但是它們的基本系統組成都是壹致的。典型航天器都是由不同功能的若幹分系統組成的，其基本系統壹般分為有效載荷和保障系統兩大類。
1．有效載荷
用於直接完成特定的航天飛行任務的部件、儀器或分系統。
有效載荷種類很多，隨著飛行任務即航天器功能的不同而異。例如，科學衛星上的粒子探測器，天文觀測衛星上的天文望遠鏡，偵察衛星上的可見光相機、CCD相機、紅外探測器、無線電偵察接收機，氣象衛星上的可見光和紅外掃描輻射儀，地球資源衛星上的電視攝像機、CCD攝像機、主題測繪儀、合成孔徑雷達，通信衛星上的轉發器和通信天線，生物科學衛星上的種子和培養基等，均屬有效載荷。
單壹用途的衛星裝有壹種類型的有效載荷，而多用途的衛星可以裝有幾種類型的有效載荷。 2．保障系統 用於保障航天器從火箭起飛到工作壽命終止，星上所有分系統的正常工作。各種類型航天器的保障系統壹般包括下列分系統：(1)結構系統：用於支承和固定航天器上各種儀器設備，使它們構成壹個整體，以承受地面運輸、運載器發射和空間運行時的各種力學環境(振動、過載、沖擊、噪聲)以及空間運行環境。對航天器結構的基本要求是重量輕、可靠性高、成本低等，因此航天器的結構大多采用鋁、鎂、鈦等輕合金和碳纖維復合材料等制造。通常用結構質量比，即結構重量占航天器總重量的比例來衡量航天器結構設計和制造水平。
(3)電源系統：用來為航天器所有儀器設備提供所需的電能。現代航天器大多采用太陽電池和蓄電池聯合供電系統。
(4)姿態控制系統：用來保持或改變航天器的運行姿態。常用的姿態控制方式有重力梯度穩定、自旋穩定和三軸穩定。
(5)軌道控制系統：用來保持或改變航天器的運行軌道。軌道控制往往與姿態控制配合，它們構成航天器控制系統。
(6)測控系統：包括遙測、遙控和跟蹤三部分。遙測部分主要由傳感器、調制器和發射機組成，用於測量並向地面發送航天器的各種儀器設備的工程參數(212作電壓、電流、溫度等)和其他參數(環境參數和姿態參數等)。遙控部分壹般由接收機和譯碼器組成，用於接收地面測控站發來的遙控指令，傳送給有關系統執行。跟蹤部分主要是信標機和應答機，它們不斷發出信號，以便地球測控站跟蹤航天器並測量其軌道位置和速度。
除了以上基本系統組成外，航天器根據其不同的飛行任務，往往還需要有壹些不同功能的專用系統。例如，返回式衛星有回收系統，載人飛船有乘員系統、環境控制與生命保障系統、交會與對接系統，航天飛機有著陸系統等。
壹個剛體航天器的運動可以由它的位置、速度、姿態和姿態運動來描述。其中位置和速度描述航天器的質心運動，這屬於航天器的軌道問題；姿態和姿態運動描述航天器繞質心的轉動，屬於姿態問題。從運動學的觀點來說，壹個航天器的運動具有6個自由度，其中3個位置自由度表示航天器的軌道運動，另外3個繞質心的轉動自由度表示航天器的姿態運動。
航天器的控制可以分為兩大類，即軌道控制和姿態控制。
1．軌道控制
軌道控制包括軌道確定和軌道控制兩方面的內容。軌道確定的任務是研究如何確定航天器的位置和速度，有時也稱為空間導航，簡稱導航；軌道控制是根據航天器現有位置、速度、飛行的最終目標，對質心施以控制力，以改變其運動軌跡的技術，有時也稱為制導。
軌道控制按應用方式可分為四類。
(1)軌道機動：
指使航天器從壹個自由飛行段軌道轉移到另壹個自由飛行段軌道的控制。例如，地球靜止衛星發射過程中為進入地球靜止軌道，在其轉移軌道的遠地點就須進行壹次軌道機動。
(3)軌道交會：指航天器能與另壹個航天器在同壹時間以相同速度達到空間同壹位置而實施的控制過程。
(4)再人返回控制：指使航天器脫離原來的軌道，返回進入大氣層的控制。
2．姿態控制
姿態控制也包括姿態確定和姿態控制兩方面內容。
姿態確定是研究航天器相對於某個基準的確定姿態方法。這個基準可以是慣性基準或者人們所感興趣的某個基準，例如地球。
姿態控制是航天器在規定或預先確定的方向(可稱為參考方向)上定向的過程，它包括姿態穩定和姿態機動。姿態穩定是指使姿態保持在指定方向，而姿態機動是指航天器從壹個姿態過渡到另壹個姿態的再定向過程。
姿態控制通常包括以下幾個具體概念。
(1)定向：指航天器的本體或附件(如太陽能電池陣、觀測設備、天線等)以單軸或三軸按壹定精度保持在給定的參考方向上。此參考方向可以是慣性的，如天文觀測；也可以是轉動的，如對地觀測。由於定向需要克服各種空間幹擾以保持在參考方向上，因此需要通過控制加以保持。
(2)再定向：指航天器本體從對壹個參考方向的定向改變到對另壹個新參考方向的定向。再定向過程是通過連續的姿態機動控制來實現的。
(3)捕獲：又稱為初始對準，是指航天器由未知不確定姿態向已知定向姿態的機動控制過程。如航天器人軌時，星箭分離，航天器從旋轉翻滾等不確定姿態進入對地對日定向姿態；又如航天器運行過程中因故障失去姿態後的重新定姿等。為了使控制系統設計更為合理，捕獲壹般分粗對準和精對準兩個階段進行。
(4)粗對準：指初步對準，通常須用較大的控制力矩以縮短機動的時間，但不要求很高的定向精度。
(5)精對準：指粗對準或再定向後由於精度不夠而進行的修正機動，以保證定向的精度要求。精對準壹般用較小的控制力矩。
(6)跟蹤：指航天器本體或附件保持對活動目標的定向。
(7)搜索：指航天器對活動目標的捕獲。
總之，姿態控制是獲取並保持航天器在空間定向的過程。例如，衛星對地進行通信或觀測，天線或遙感器要指向地面目標；衛星進行軌道控制時，發動機要對準所要求的推力方向；衛星再人大氣層時，要求制動防熱面對準迎面氣流。這些都需要使星體建立和保持壹定的姿態。
姿態穩定是保持已有姿態的控制，航天器姿態穩定方式按航天器姿態運動的形式可大致分為兩類。
(1)自旋穩定：衛星等航天器繞其壹軸(自旋軸)旋轉，依靠旋轉動量矩保持自旋軸在慣性空間的指向。自旋穩定常輔以主動姿態控制，來修正自旋軸指向誤差。
(2)三軸穩定：依靠主動姿態控制或利用環境力矩，保持航天器本體三條正交軸線在某壹參考空間的方向。
3．姿態控制與軌道控制的關系
航天器是壹個比較復雜的控制對象，壹般來說軌道控制與姿態控制密切相關。為實現軌道控制，航天器姿態必須符合要求。也就是說，當需要對航天器進行軌道控制時，同時也要求進行姿態控制。在某些具體情況或某些飛行過程中，可以把姿態控制和軌道控制分開來考慮。某些應用任務對航天器的軌道沒有嚴格要求，而對航天器的姿態卻有要求。
航天器控制按控制力和力矩的來源可以分為兩大類。
(1)被動控制：其控制力或力矩由空間環境和航天器動力學特性提供，不需要消耗星上能源。
4．主動控制系統的組成
航天器主動控制系統，無論是姿態控制系統還是軌道控制系統，都有兩種組成方式。
(1)星上自主控制：指不依賴於地面幹預，完全由星載儀器實現的控制，其系統結構見圖1．4
(2)地面控制：或稱星壹地大回路控制，指依賴於地面幹預，由星載儀器和地面設備聯合實現的控制，其結構見圖1．5。