1.人造卫星的发射
人造卫星虽然有很多强大的功能，但是它只有在远离地球的情况下才能实行对地球的观察，所以这就需要把卫星送到天上去。从地面上把卫星送到太空中，被称为人造卫星的发射，在发射人造卫星时，必须要有足够大的推力才行，这就需要使用一种很大的助力。而这种助力就是通过火箭来实现的。目前人造卫星的发射所使用的方法都是火箭捆绑发射法。
千百年来，人类为了打开神秘的太空大门而经历了漫长的历史过程。从一定意义上来讲，人类探索宇宙的过程实际上就是人类克服地球引力、大气阻力的过程。直到20世纪50年代，人类经过长期的知识积累和大量的科学实验，终于研制出能闯过地球引力关卡的火箭，卫星遨游太空才逐渐由梦想变为现实。
（1）火箭的故乡——中国
如果要追根溯源，中国可以说是最早发明火箭的国家。“火箭”这个词早在中国古代的三国时代（公元3世纪）就已经出现了。不过那时的火箭只是在箭杆前端绑有易燃物，点燃后由弓弩射出，故也被人们称为“燃烧箭”。随着原始火药的出现，火箭迅速应用到军事中。唐末宋初（公元10世纪）已经有火药用于火箭的文字记载。北宋的军官冯继升、岳义方、唐福等曾向朝廷献过火箭及火箭法。这时的火箭虽然已经使用了火药，但仍由弓弩射出。真正靠火药喷气推进而非弓弩射出的火箭的外形，被记载于明代茅元仪编著的《武备志》中。这种原始火箭虽然没有现代火箭那样复杂，但已经具有战斗部（箭头）、推进系统（火药筒）、稳定系统（尾部羽毛）和箭体结构（箭杆），完全可以认为是现代火箭的雏形。
中华民族不但发明了火箭，而且还最早应用了串联（多级）和并联（捆绑）技术以提高火箭的运载能力。明代史记中记载的“神火飞鸦”就是并联技术的体现，而“火龙出水”就是串、并联综合技术的具体运用。
（2）多级火箭
多级火箭是目前世界各国发射卫星的主要运载工具。它是由数级火箭组合而成的运载工具。每一级都装有发动机与燃料，目的是为了提高火箭的连续飞行能力与最终速度。从尾部最初一级开始，每级火箭燃料用完后自动脱落，同时下一级火箭发动机开始工作，使飞行器继续加速前进。
多级火箭可以是串联式的、并联式的或串并联式的，但常用的形式是串联和串并联。串联就是将多个火箭通过级间连接或分离机构连成一串，第一子级在最下面，先工作，工作完毕后通过连接或分离机构被抛弃掉；接着，其上面级火箭依次工作并被依次抛弃，直到有效载荷进入飞行轨道。并联就是将多个火箭并排地连接在一起，周围的子级火箭先工作，工作完毕后被依次抛弃，中央的芯级火箭最后工作，直到有效载荷进入飞行轨道。以这种方式连接的多级火箭又称为捆绑式火箭。如果芯级火箭本身是串联式多级火箭，这种形式就是串并联。在“长征”系列火箭中，长征二号E、长征二号F和长征三号B是串并联式火箭，而其余的“长征”系列火箭则都是串联式火箭。
当你看完前面的介绍后，你明白了火箭的发射程序了吗？如果你还不明白，那么我们以三级火箭为例来进行实例讲解吧！
装载卫星的运载火箭在发射台通过各项检测后，由地面发射指挥控制中心下达点火命令，三级火箭的第一级开始工作。发动后推动火箭徐徐升空，当火箭垂直上升穿过稠密大气层后，按原先设定的程序指令，使第一级发动机熄火并自动脱落。与此同时，第二级发动机开始工作，推动二、三级火箭加速飞行并进行程序拐弯，到预定时间，第二级发动机熄火后自动脱落。这时第三级火箭并不是紧跟着马上点火工作，而是与卫星在空中做惯性的飞行，待飞行到离预定的卫星轨道较近的地方，第三级火箭按指令启动，继续加速到卫星所需要的速度和预定位置时，卫星被释放进入运行轨道。第三级火箭同卫星分离，分离后的第三级火箭圆满完成了它的使命，将在太空中永远的遨游下去。而与第三级火箭分离后的卫星，则靠惯性作无动力飞行，其运行轨道的形状，将取决于进入轨点处的速度和方向。
运载火箭飞行时所能达到的最大速度，其实也就是燃料燃尽时获得的最终速度，这主要取决两个条件：一是喷气速度，二是质量比（火箭开始飞行时的质量与燃料燃尽时的质量之比）。喷气速度越大，最终速度就越大，由于现代科学技术的条件下一级火箭的最终速度还达不到发射人造卫星所需要的速度，所以发射卫星要用多级火箭。
虽然目前大部分都是以多级火箭发射卫星，但并不意味着火箭的级数越高越好。级数越多，它的构造也就越复杂，工作时间的可靠性就越差。火箭和喷气式飞机一样都是反冲的重要应用。为了提高喷气速度，需要使用高质量的燃料。当燃气从细口喷出或水从弯管流出时。它们具有动量，根据动量守恒定律，装燃气的容器就要向相反方向运动。其实，火箭是靠喷出气流的反冲作用获得巨大速度的。
（3）美国主要的运载火箭
美国在进入航天时代以来，曾经研制过10余种运载火箭。随着火箭技术的发展，特别是火箭性能的不断提高以及通用性的不断改善，一些老旧的、性能和级别重复的火箭逐步停止使用，目前只剩下三个主要系列，分别是“德尔它”系列、“宇宙神”系列和“大力神”系列，它们都是美国主要的运载系统。
美国“德尔它”系列运载火箭是一种中等运载能力的火箭，经过了数十年的发展和演变过程，已经成为能够发射轻、中、重型载荷的完整系列。最新型号是“德尔它”4型，它的低轨道运载能力可达23000千克，静止轨道运载能力可达13000千克。该火箭在美国航天事业中有着举足轻重的作用。截止2007年，该火箭共计进行了331次发射。
“宇宙神”系列运载火箭是在洲际导弹的基础上改进和发展而来的，它一直是美国航天器发射的主要运载火箭。“宇宙神”5号是这一系列火箭的最新型号，地球同步转移轨道运载能力可达4500千克。各种类型的“宇宙神”火箭截止2007年已经进行了340次发射，是美国发射次数最多的一种火箭。
“大力神”系列运载火箭也是在洲际导弹的基础上逐步发展而来的，曾经用于发射载人飞船、大型军用卫星和深空探测器。最新的“大力神”4型火箭的近地轨道运载能力为17800千克，极轨道运载能力为14090千克，同步轨道运载能力为4550千克。该系列火箭共发计进行了220次发射。除了上述3种主要的火箭外，在它们的基础上也诞生了几百个新型号，例如“大力神”4号、“宇宙神”5号等。在美国航天事业的发展中发挥着非常重要的作用。
（4）俄罗斯主要的运载火箭
在火箭世界里，除了美国有几种非常出名的火箭外，俄罗斯的火箭也毫不逊色。
俄罗斯的运载火箭有许多系列组成，其中也有很多是以弹道导弹为基础改进而来的。目前俄罗斯还在使用的运载火箭主要有联盟号火箭、宇宙号火箭、旋风号火箭和质子号火箭。另外还有天项号火箭、起点号火箭、闪电号火箭、安加拉号火箭、呼啸号火箭等。
联盟号系列火箭有多个不同的型号，它们主要用于载人飞船联盟号的发射，也用于各类卫星的发射。联盟号火箭总长49.5米，底部最大宽度10.3米，起飞重量为31万千克，起飞推力4942千牛（热力学单位）。它的近地轨道运载能力为7240千克。“联盟”系列是发射次数最多的火箭，达1675次之多。
宇宙号火箭是俄罗斯利用退役的SS-4、SS-5等中程导弹改进研制而成的中小型运载火箭，可以发射300千克左右的卫星，这些卫星大多是科学卫星和技术试验卫星。由于这类卫星被前苏联通常混编成宇宙系列卫星，因而这种火箭得名为“宇宙号”。该系列火箭是俄罗斯也是全世界发射数量居第二位的运载火箭，到2007年共计发射457次。
旋风号火箭是在洲际导弹SS-9的基础上而改进研制的中型运载火箭，它的运载能力介于宇宙号和联盟号之间，近地轨道运载能力约为3000千克。该火箭共有三个型号，共计发射了234次。
质子号火箭是目前俄罗斯运载火箭中运载能力最大的。该火箭是专门研制、用于发射大型航天器的火箭，由原切洛梅设计局研制。该火箭根据发射航天器类型与大小的不同，分别有三、四、五级结构布局。该火箭的最大运载能力可达20600千克，主要用于空间站、行星探测器、大型应用卫星的发射，目前已经完成了300余次的发射任务。
（5）中国长征系列火箭
随着近些年来科技的快速发展，目前中国的火箭运载能力在世界中也是首屈一指的。
中国现代火箭的研制工作开始于1956年，而多级火箭的研制工作始于1964年中国自行设计研制的中程火箭试飞成功之后。经过了五年的艰苦努力，1970年4月24日，“长征一号”运载火箭诞生，首次成功发射了“东方红一号”卫星，这代表着中国航天技术迈出了重要一步。现在，“长征”系列火箭已经走向世界，享誉全球，在国际发射市场占有重要的一席。
“长征一号”运载火箭是一种三级火箭，主要用于发射近地轨道小型有效载荷卫星。火箭全长29.86米，最大直径2.25米，起飞重量81600千克，起飞推力112000千克，能把300千克重的卫星送入440千米高的近地轨道。
在此基础上，又诞生了长征一号的其他变种。例如“长征一号D”，“长征二号”，“长征二号C”等，它们都是中国航天事业的功臣。
“长征一号D”运载火箭是“长征一号”火箭的改进型。它提高了第一子级发动机的推动力，同时提高第二、三子级性能，还采用“平台——计算机”全惯性制导。经过改进的“长征一号D”火箭可以发射各种低轨道卫星，并已投入了商业发射。
“长征一号”运载火箭是中国的航天运载器的基础型号。在“长征一号”的技术基础上，我国相继发展了“长征二号”、“长征三号”和“长征四号”系列运载器。
“长征二号”火箭是一种两级火箭，全长31.17米，最大直径3.35米，起飞重量19万千克，能把1800千克的卫星送入距地面数百千米的椭圆形轨道。1975年11月26日，“长征二号”火箭完成了中国第一颗返回式卫星的发射任务。
“长征二号C”火箭属于“长征二号”的改进型，它采用了大推力液体火箭发动机，动力比较强。火箭全长增加到35.15米，近地轨道的运载能力增加到2400千克，火箭的可靠性也大大提高。
“长征二号D”火箭也是一种两级液体火箭。它主要在“长征二号”火箭的基础上采取增加推进剂加注量和增大起飞推力的方法，使运载能力进一步提高。火箭全长38.3米，起飞重量23.2万千克。
“长征二号E”是捆绑式火箭，是在第一级周围捆绑四个液体助推器组成的低轨道两级液体推进剂火箭。火箭总长49.68米，直径3.35米。每个液体助推器长为15.4米，直径2.25米，最大直径4.2米。它的总起飞重量46.1万千克，起飞推力6×105千克，能把8800～9200千克有效载荷送入近地轨道。
“长征三号”运载火箭是在“长征二号”火箭基础上于1984年研制成功的，它增加第三级采用低温高能液氢液氧发动机。火箭全长44.86米，起飞重量20.48万千克，同步转移轨道运载能力为1600千克。“长征三号”火箭的成功发射，标志着中国运载火箭技术跨入世界先进行列，是中国火箭发展上的一个重要里程碑。它首次采用了液氢、液氧作火箭推进剂；首次实现火箭的多次启动；首次将有效载荷送入地球同步转移轨道，开创了中国火箭史上的三个首次。
在长征三号的基础上又诞生了长征三号的衍生类型，例如长征三号A、长征三号B、长征三号C等。
“长征三号A”火箭长52.52米，最大直径3.35米，起飞重量240000千克，主要运载地球同步转移轨道的有效载荷，也可用来运载低轨道、极轨道或逃逸轨道的有效载荷。
“长征三号B”火箭是在“长征三号A”和“长征二号E”火箭的基础上研制的大型三级液体捆绑火箭。助推器及其捆绑结构与“长征二号E”相同。“长征三号B”火箭的主要任务是发射地球同步转移轨道的重型卫星，不过可进行轻型卫星的一箭多星发射或发射其他轨道的卫星。火箭长54.84米，最大直径8.45米，地球同步转移轨道的运载能力为5000千克。
“长征三号C”则是在“长征三号B”的基础上，减少了两个助推器并取消了助推器上的尾翼。它的主要任务是发射地球同步转移轨道的有效载荷，可以进行一箭多星发射或发射其他轨道的卫星。火箭长54.84米，最大直径8.45米，地球同步转移轨道的运载能力为3700千克。
“长征四号”系列运载火箭包括“风暴一号”、“长征四号”、“长征四号A”、“长征四号B”等火箭。
“风暴一号”是两级液体火箭，主要用于发射低轨道卫星，并成功完成一箭三星的发射任务。火箭长32.57米，最大直径3.35米。不过由于某些局限，它已经于1982年停止使用。
“长征四号”是在“风暴一号”基础上研制的三级常规运载火箭，是发射地球同步转移轨道卫星运载火箭的另一方案。后来，随着功能的改进，改型为“长征四号A”，主要用来发射太阳同步轨道卫星。该火箭长41.9米，最大直径3.35米。
“长征四号B”是在“长征四号A”基础上发展而来的一种运载火箭，它的运载能力比之前的几种火箭的要更大，主要用于发射太阳同步轨道的对地观察应用卫星。火箭长45.58米，最大直径3.35米。
2.人造卫星的运行
通过对前面几章的了解，我们知道了关于人造卫星的一些基本知识，那么，你知道人造卫星在被火箭运载到天上去，又是如何来运行的吗？或许你对这个问题已好奇了很久，那现在就让我们一起去探索人造卫星的运行吧！
人造地球卫星之所以能按照预定的轨道，周而复始地环绕地球运行，既不飞出去，也不掉下来，主要是因为卫星的发射满足了速度和高度这两个必要的条件。1687年，英国著名科学家牛顿从理论上已阐明，要使地球上空的某一物体变成“永远不落到地面”的人造卫星，关键是要给它足够的速度，使物体进入轨后产生的离心加速度（惯性）所形成的惯性力能抵消地球对它的引力。牛顿指出，假如在山顶上平放一门大炮，以一定速度发射出一发炮弹，炮弹将沿着一条曲线（弹道），飞出一段距离（射程），然后落回地面。若不考虑空气阻力，当发射速度不断增加，射程也必然相应增加，而且弹道曲线将越变弯曲度越小。这样，只要速度能增加到某一数值，弹道的弯曲度将和地球表面的弯曲度一模一样。这时候，虽然发射出去的炮弹在地球引力作用下不断降落，但因地球表面也在不断向里弯曲，不论炮弹飞出多远，它距离地面的高度将永远不变。换句话说，这颗炮弹已成为一颗以圆形轨道不停地环绕地球运行的人造卫星。我们通常将炮弹所需的这种速度称之为“第一宇宙速度”，又称“环绕速度”，它的数值为7.9千米/秒。
显然，如果发射速度比7.9千米/秒还要快，卫星的轨道将变得比地球表面的弯曲度还要平直，成为环绕地球运行的椭圆形，而且发射速度越大，椭圆形轨道将显得越扁长。一旦发射速度达到11.18千米/秒，卫星就不再环绕地球运行，它将挣脱地球引力，而变成一个绕太阳运转的人造行星了。人们通常把这一速度称之为“第二宇宙速度”，又称“脱离速度”。依此类推，当发射速度继续增加到16.7千米/秒（即“第三宇宙速度”）时，物体将摆脱太阳系对它的引力，而进入茫茫宇宙，一去不复返了。
第一、第二、第三宇宙速度是按照物体在地球表面发射，而且不考虑空气阻力进行计算的。事实上高度和空气阻力对物体的运行影响很大，根据牛顿万有引力定律，物体离地球表面越高，地球对其引力越小，物体所需的第一、第二宇宙速度也必然减小。据计算，在离地面36000千米的高空，物体的环绕速度为3千米/秒，而离地面38万千米高的月球，它的环绕速度只有1千米/秒。但需要说明的是，虽然轨道越高，物体所需环绕速度越小，但要把物体从地面送到较高的轨道，运载火箭克服地球引力和空气阻力耗功就会更多，要求运载火箭的推力也必须相应增大。地球的大气层厚度虽有2000千米～3000千米，但大气质量的99%都集中在海平面以上的30千米内，为了保持卫星在空中的正常运行不会因空气阻力的影响而很快陨落，通常人造卫星都被发射至120千米以上的高空。
3.路在何方——人造卫星的轨道
目前大多数国家都有属于自己的人造卫星，这些人造卫星都是围绕地球在运行的。在很早的时候就已经有人提出这样的疑问：这么多的人造卫星在太空运行会不会发生碰撞或者发生混乱？其实它们的运行是有序的，就像生活中的飞机和船舶运行时是一样的，有它们固定的航线，人造卫星的运行也是“有迹可寻”的。并且人造卫星的轨道是多种多样的，按形状可分为圆轨道和椭圆轨道；按离地面的高度又可分高轨道和低轨道。此外，还有赤道轨道、极地轨道、地球同步轨道、对地静止轨道和太阳同步轨道等有特定意义的轨道。
卫星绕地球一圈的时间叫运行周期，卫星轨道形成的平面被称为轨道平面，轨道平面与地球赤道平面形成的夹角叫轨道倾角。倾角小于90度为顺行轨道；大于90度为逆行轨道；等于90度为极地轨道；倾角为0，即轨道平面与赤道平面重合，称为赤道轨道。若卫星的运行周期和地球的自转周期相同，我们称这种卫星轨道叫地球同步轨道。如果地球同步轨道的倾角为零，即卫星正好在赤道上空，它将以与地球自转相同的角速度绕地球运行。从地面上看去，就像是静止不动。这种特殊的卫星轨道被称为对地静止轨道。处于这条轨道上的卫星就是通常我们所说的对地静止轨道卫星。
那么，面对这么多的卫星，如何来为它们选择合适的轨道呢？卫星轨道的具体选择，则要根据卫星的任务和应用要求来确定。例如对地面摄影的地球资源卫星、照相侦察卫星等，通常采用近圆形的低轨道运行方式；通信卫星则常常采用对地静止的地球同步轨道；若为了节省发射卫星时所消耗的运载火箭的能量，常采用顺行轨道；为了使卫星对地球能进行全面观察，则需要采用极地轨道；而为了让卫星能始终在同一时刻飞过地球的某地上空，或使卫星永远处于或永远不处于地球的阴影区，又往往需要采用太阳同步轨道；军用卫星为了满足军事的特殊需要，则常常采用地球同步轨道和太阳同步轨道等。
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。但其中有一种十分特殊的轨道，叫地球静止轨道。这种轨道的倾角为0，在地球赤道上空35786千米。在地面上的人看来，在这条轨道上运行的卫星是静止不动的。一般通信卫星、广播卫星、气象卫星选用这种轨道比较有利。地球同步轨道有无数条，而地球静止轨道却只有一条。
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6000千米。在这条轨道上运行的卫星以相同的方向经过同一纬度的当地时间是相同的。气象卫星、地球资源卫星一般采用这种轨道。
极地轨道是倾角为90度的轨道，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。例如气象卫星、地球资源卫星、侦察卫星常采用此轨道。
4.人造卫星的返回
当把人造卫星发送到太空中后，它会按照人类的指示完成所需要完成的任务。那么，当这些人造卫星完成任务后，它们是如何再返回地面的呢？
一般情况下，卫星发射成功之后，就在太空执行任务，并不需要再返回地面。如通信、导航、气象卫星等都是如此。但是有些卫星却需要返回到地面，例如获取情报的侦察卫星，携带实验品的科学实验卫星等都属于返回式卫星。研制返回式卫星是卫星发展史上的一个重要突破。
返回式卫星主要有以下三种用途：一是作为观测地球的空间平台，返回式卫星所获取的各种对地观测信息资料，可以带回地面供科学家进行分析和研究；二是作为微重力试验平台，利用微重力条件，在空间进行各种科学实验，生产和制造地面条件下难以获得的材料和物品；三是作为发展载人航天技术的先导，因为宇航员必须采取与返回式卫星相似的方法返回地面，只有掌握了卫星返回技术，才能为载人航天打下基础。因此，返回式卫星在世界各类航天器中占有重要的地位。目前，全世界只有美国、俄罗斯和中国掌握了卫星回收技术。
对于返回式卫星的研制者来说，如何实现卫星的返回和回收是十分重要的问题。绕地球运行的卫星返回地面时，根据它们所受阻力和升力的大小不同，通常有三种不同的返回轨道：一种是弹道式返回轨道，这种卫星在进入大气层后，只产生阻力；第二种是半弹道式返回轨道，卫星在进入大气层后，除产生阻力外，还有部分升力；第三种为升力式或滑翔式返回轨道。我国的返回式卫星采用的是弹道式返回轨道方式。
为了使卫星在完成太空使命后能安全地返回地面，首先要求运载火箭有很高的控制精度，不仅能准确地把卫星送到预定轨道，而且当卫星完成使命等待回收时，能处于预定的回收区上空；其次，对低轨道返回式卫星来说，由于受大气阻力和地球形状等的影响，轨道会发生偏离。因此，必须精确地计算出卫星返回落地的时间和落点的经纬度，并向卫星发射各种控制指令；更重要的是，在卫星进入返回圈后，卫星必须能按地面指令准确地调整成返回地面所需要的姿态，并按预定程序使旋转火箭、反推火箭依次点火、分离，然后弹射和打开降落伞。否则，失之毫厘，差之千里。在运载很大的气动力作用下，卫星返回地面时，可能产生较大的落点偏差，甚至造成意想不到的失败。
那么，科学家是如何使卫星平安地返回地面呢？要使发射出去的卫星安全地返回地面，有三个难点需要克服：首先，当卫星以超高速进入稠密的大气层后，强大的气动阻力将使卫星受到巨大的冲击，这种情况下，在返回过程中，就要求卫星的结构和各种仪器设备能够经受得住反推火箭工作时产生的剧烈振动；其次，要能耐得住高温，当卫星以近8千米/秒的速度穿越稠密大气层时，会因摩擦而产生近万摄氏度的高温。为了不使卫星被烧坏或化为灰烬，卫星的防热层结构必须具备能耐这种高温的防热和耐热性能；最后，要实现人造卫星的软着陆，卫星按预定程序打开降落伞后，降落速度虽然会受到阻滞，但接近地面时仍具有每秒几百米的落速，只有当降落伞的减速和卫星的减震装置能够有效地保证安全回收时，卫星才不致被地面撞得粉身碎骨。由此可见，卫星的着陆是一件多么精细的工作，如果有一步没有做到位的话，整个装置就会毁于一旦。
