1．探索太空的火箭裝備
齊奧爾科夫斯基首先提出火箭列車的概念，就是把兩節以上的火箭串聯或並聯起來，組成一列多級火箭來提高火箭的速度，以達到戰勝地球引力的目的。多級火箭係列用一種質量拋扔原理，即火箭發射後，把已經完成任務的無用結構拋掉，使火箭發動機的能量最大限度地用於提高航天器的能量，從而間接地減輕火箭的結構質量，提高火箭的質量比。這樣，在使用同樣性能的火箭發動機和相同技術水平的箭體結構的條件下，用單級火箭無法達到的世界各國研製的運載火箭已有數十種，其大小不等，形狀各異，但其結構形式基本上分為兩類：一類是各級首尾聯結的串聯式火箭，另一種是下麵兩級並聯，上麵一級串聯的混合式火箭。運載火箭的大小，由其飛行任務要求的有效載荷和飛行軌道而定，若飛行軌道相同，有效載荷愈重，則火箭起飛質量也愈大；若有效載荷不變，飛行軌道愈高，火箭的起飛質量也愈大。由於衛星或飛船等航天器的軌道較高，本身質量也大，所以，運載火箭都是一些身高體重的龐然大物。它們的質量至少幾十噸，一般為一百多噸到幾百噸，有的甚至可達二三千噸。火箭高一般為三四十米，有的超過100米。火箭粗都在1米以上，一般為3米左右，最粗可到10米。在通常情況下，發射一顆質量為1噸的衛星，運載火箭質量為50至100噸。如美國發射“阿波羅“載人登月飛船的“土星“5號運載火箭，全長110.7米，直徑10米，起飛質量為2840噸；“阿波羅“飛船的質量隻有41.5噸。這是目前世界上最長的“火箭列車”了。
火箭列車
這種三級“火箭列車“是如何駛出地球到太空去的呢它聳立在發射台上，首先由地麵控製中心指令第一級火箭發動機點火，火箭徐徐上升，加速飛行，逐漸按預定方向轉彎，一百多秒鍾後，火箭大約達到70公裏左右的高度，第一級燃料耗盡後火箭發動機關機，並脫離整個火箭列車墜落地麵；第二級接著點火，繼續加速飛行，火箭飛出稠密大氣層，達到預定高度和速度時，第二級燃料用完後火箭發動機關機並分離，火箭靠獲得的能量開始慣性飛行；第三級火箭發動機點火工作，當加速到預定速度時，第三級火箭發動機關機，航天器與火箭分離，最後把航天器推入預定軌道。當然，運載火箭也不是級數越多越好，因為多加一級，不僅製造工藝和級間分離技術多一層困難，而且所能增加的速度也有一定限製，最多隻能比單級火箭的速度大70%。現在，一枚三級火箭能達到的速度已超過單級火箭45%，因此限於各種因素的影響，“火箭列車“都選在二級至四級之間，一般用三級的居多，也最為適宜。
前蘇聯著名航天總設計師科羅廖夫根據齊奧爾科夫斯基關於“火箭列車“的思想，首先提出用單級火箭串聯和並聯結合的方式組成多級火箭實現宇宙航行的設計方案。這個方案是用一枚較長的地球物理火箭作芯級，芯級長29.17米，直徑2.95米，裝一台P—108液體火箭發動機；在其周圍捆綁4台助推器組成助推級，助推級長19米，直徑3米，各裝一台P+107液體發動機。這樣把芯級和並聯的助推級串聯起來，組成一枚兩級液體火箭，從而產生足夠的推力和需要的速度，把安裝在火箭最上麵整流罩內的人造衛星送入地球軌道。這種火箭發射時，5台發動機同時點火，產生398噸力（3900千牛）的起飛推力，火箭飛行120秒後，4個捆綁的助推器工作完成與其脫離，並被拋掉，這時火箭飛行高度為50公裏，飛行速度達到3.2公裏/秒。然後芯級的火箭發動機繼續工作180秒，使火箭加速到8公裏/秒的速度，此時衛星與火箭脫離，被推進到環繞地球的預定軌道上飛行。人類靠這種“火箭列車“的接力加速，跨入了宇宙空間的門檻。透視太空奇俠
航天運載火箭扮演太空奇俠的角色，在征服宇宙的舞台上演出了一幕幕令人瞠目結舌的活劇。它集當今多種高新科學技術於一身，綜合了眾多學科的成果，是一個龐大複雜的係統工程。火箭這位太空奇俠大鬧天宮，全靠它本身各個部分擁有的一套神奇本領。這位太空奇俠一般由箭體結構，動力裝置和控製係統三大部分組成。箭體結構即火箭的殼體，它猶如奇俠的骨架，係火箭各個受力和支承構件的總成，通常包括頭部的有效載荷整流罩，儀器艙，推進劑貯箱，發動機艙和尾段，有的大型運載火箭還有尾翼。火箭殼體內可以安裝連接有效載荷，儀器設備和動力裝置，貯存推進劑，承受地麵操作和飛行中的載荷，可以使火箭有良好的空氣動力外形，把火箭的各個部件牢固地組成一個整體。火箭頭部的整流罩，用以保護所載物體和減小空氣阻力。火箭頭部飛出大氣層時，整流罩即被拋掉，以減輕火箭質量，把有效載荷送入預定軌道；儀器艙集中安裝控製設備；推進劑貯箱用於裝載推進劑，要占火箭質量的80%～90%，體積也要占絕大部分，因此為了加大運載能力，要千方百計減輕推進劑貯箱的質量；發動機艙除裝火箭發動機外，還用來在發射架上支撐整個火箭保持飛行時的外形。
火箭結構所用的材料，對火箭至關重要。鋁合金是火箭必不可少的常用材料，它很輕，結實，耐用，防腐蝕，加工容易，廣泛用於火箭殼體的蒙皮和骨架零件，但它抗變形的剛度還不很理想。鈦合金，強度高，具有優良的抗腐蝕和耐溫性能。它在500℃高溫下不變形，在—100℃時不變脆，在海水裏泡幾天也不生鏽，因此它是製作火箭發動機殼體，高壓氣瓶，低溫貯箱和各種管路的最佳材料。但它的切削加工性較差，需要加熱成型。鎂合金減震性能好，常用來製造火箭壁板結構的翼麵，艙段及其他骨架零件。鈹合金剛性最大，用它製成零件尺寸特別穩定。火箭上一些變形限製非常嚴格的零部件，如陀螺導航係統，常用鈹合金複合材料是新興的材料，它用不同的纖維邊纏繞邊用樹酯粘連而成。玻璃纖維，有機纖維的強度特別高；碳纖維的剛度非常高；硼纖維則剛，強兼備；碳化矽，陶瓷纖維能耐高溫，它們配以不同的樹酯製成不同的複合材料，其性能一般大大超過現有的許多金屬材料。
動力裝置包括火箭發動機和推進劑輸送係統，猶如奇俠的心髒，是使運載火箭產生運動的動力來源。液體火箭有發動機和推進劑輸送係統，固體火箭則沒有推進劑輸送係統。動力裝置能產生強大的推力，使運載火箭達到預定的速度。液體火箭發動機由燃燒室，噴管，渦輪泵和活門四部分組成。燃燒室是推進劑混合燃燒的地方，產生高溫高壓氣體，以高速從噴管排出，形成強大的推力；噴管要經受住高溫高壓，必須選用高強度耐熱合金材料，而且還要有冷卻措施；渦輪泵是利用燃氣發生器產生的氣體吹動渦輪，帶動離心泵，使燃料和氧化劑注入燃燒室；活門則控製發動機的啟開和關閉，調節進入管路中推進劑的流量。整個輸送係統保證推進劑具有必要的泵入口壓力，使離心泵正常工作。
火箭發動機使用的燃料由氧化劑和燃料兩部分組成，它們很大程度地影響著發動機性能，在一枚火箭的總質量中，燃料占了90%以上。目前液體運載火箭大多使用中能（常規）可貯存推進劑，包括氧化劑中的硝酸，四氧化二氮，燃料中的混肼50，偏二甲肼。作為高能推進劑的液氫，液氧，最近十多年來發展迅速，一般用作頂級火箭的推進劑。當前，液體推進劑正向兩個方向發展，一是對現有推進劑進行改性，如美國在“阿金納“火箭上采用高密度的改性酸，四氧化二氮含量由原來的13%～15%提高為44%～46%，密度增大0.1～15，使發動機比衝提高了6秒，可以提高火箭的有效載荷。另一個發展方向是研究新型推進劑，比如用液氟與肼組合，比衝可達376秒。固體火箭的推進劑一般分為雙基推進劑，改性雙基推進劑和複合固體推進劑。目前各國固體火箭大都用的是複合固體推進劑，比衝在230～260秒左右。這種推進劑由粘合劑係統，氧化劑，填料和各種助燃劑組成。固體推進劑要根據不同的需要澆鑄成不同形狀的藥柱，供發動機使用。比如端麵燃料藥柱適用於低推力，長時間工作的發動機；星孔形側麵燃燒劑多在主發動機上使用。
控製係統猶如奇俠的神經中樞，能實時測量和控製火箭的飛行姿態，位置和速度，保證火箭姿態穩定，使其按預定彈道飛行，並控製火箭發動機關機，使有效載荷精確入軌運行。
火箭的穩定飛行，要靠控製係統。這個係統包括製導，姿態控製等。運載火箭的製導，通常有慣性製導和無線電製導兩種。慣性製導是依靠運載火箭內的儀器測量火箭的加速度而進行工作，主要部件有陀螺儀，加速度表，計算機等；無線電製導由地麵用雷達或無線電將測出的運載火箭的方位及速度，經過計算比較，把修正飛行誤差的指令送到運載火箭上，通過運載火箭上的控製係統來修正飛行航線，以及接收地麵發出的發動機熄火信號來關閉發動機。
這種控製係統有兩大作用：一是控製火箭向前飛行，即控製火箭的質心沿預定的彈道運動；二是控製火箭的姿態，也就是控製火箭質心的運動。火箭一般裝上尾翼，就可在大氣中穩定飛行。但現代大型運載火箭往往在幾十公裏到幾百公裏的高空飛行，那裏空氣非常稀薄，尾翼就顯得無所作為。所以，現代火箭的穩定飛行不能單靠尾翼的作用，必須在火箭上安裝專門的自動控製設備。當火箭偏離航向時，自動控製設備就能發出信號，調整火箭的推力方向，使火箭回到預定的航線上穩定飛行。火箭上的自動控製設備，由敏感元件，中間裝置和執行機構三大部分組成。敏感元件就像人的眼睛和神經，觀測和感知火箭的飛行狀態是否正常，發現火箭是否偏離航線。在早期的火箭上，敏感元件一般用陀螺儀。陀螺高速旋轉時，它的旋轉軸方向保持不變，因此，當火箭改變飛行方向時，火箭軸與陀螺旋轉軸之間的夾角就發生變化。然後通過電位器，把這個角度改變量轉換成電信號，並傳給中間裝置，經過比較和放大以後，經中間線路驅動執行機構發出指令，把火箭修正到預定的航線上來。火箭的執行機構通常有空氣舵，燃氣舵，搖擺發動機，遊動發動機等幾種。大型運載火箭大部分時間在大氣層外飛行，用尾翼作空氣舵，效率很低，控製常用可動噴管和二次噴射的方式來實現。所以，現代大型運載火箭都沒有尾翼，或者尾翼很小。在現代運載火箭上，敏感元件多改用慣性平台。由慣性平台測出火箭飛行中的姿態，傳送到箭上計算機，經計算機運算後又傳送給自動駕駛儀。自動駕駛儀根據計算機提供的火箭飛行姿態角，速率，去控製各級發動機，擺動燃燒室和噴管，從而改變推力方向，修正火箭的航行。
此外，從廣義上講，運載火箭還包括安全，遙測和發射係統。安全係統用於火箭在飛行中出現故障，落點超出允許範圍而危及地麵安全時，對火箭實施控製，終止火箭飛行並令其自毀。遙測係統是把火箭飛行過程中各係統的工作性能參數，環境條件以及飛行故障參數，通過無線電多路通信方式傳到地麵，然後分析故障，鑒定和改進火箭性能。發射係統包括火箭實施發射的運輸，起豎，控製，加注，供電，通信，消防，瞄準，跟蹤等裝置，保證火箭按預定程序成功飛行。
2．第一個把望遠鏡指向星空的人
伽利略
1604年，天空中出現了一顆耀眼的新星。這一宇宙壯觀激起了意大利科學家伽利略的極大興趣。遺憾的是那時望遠鏡還沒發明，伽利略隻好憑肉眼觀測。1609年伽利略獲知一個荷蘭眼鏡商發明了望遠鏡，他憑著自己深厚的物理學功底，對眼鏡商的望遠鏡進行了改造，研製觀天望遠鏡。他製成的第3架天文望遠鏡竟可以放大33倍。1609年8月，伽利略把望遠鏡指向了星空，這一舉動使他成為世界天文史上第一個用望遠鏡觀測星空的人。他觀測了月亮和銀河，又借助雲霧減弱太陽光線，觀測了太陽。望遠鏡使伽利略眼界大開，他發現肉眼觀測到的月亮上的陰影，原來都是些大大小小的坑穴和大片的“海”（現代天文學證明，這“海”其實是平原）；白茫茫的銀河是由一顆顆密密麻麻的星星構成的；太陽表麵還有一些大小不等的黑色斑點（後來稱“太陽黑子”）。1610年1月伽利略從望遠鏡中發現木星附近有3個小光點，它們幾乎在同一條直線上，一顆在木星右邊，兩顆在木星左邊。奇怪的是，這些小光點有時變成4顆，有時隻剩下兩顆。伽利略一連幾夜細心觀察並詳細記錄，終於弄明白，原來那是4顆木星衛星。1610年9月，伽利略又從望遠鏡中觀測到金星也像月亮一樣，時圓時缺，原來這是金星圍繞太陽運行的結果。
用望遠鏡觀測星空的結果，使伽利略更加確信哥白尼日心地動說是正確的，他把自己的這些天文新發現寫成了一個小冊子《星際使者》。作品發表後在世界上引起了巨大轟動。盡管當時保守的教會竭力反對伽利略的觀點，甚至有人拒絕使用望遠鏡觀測星空，但仍無法阻撓伽利略和他的望遠鏡享有拉開人類天文學新紀元序幕的殊榮。
3．反射望遠鏡的應用
反射望遠鏡
從伽利略發明了天文望遠鏡之後，相當長一段時期裏人們都是用折射望遠鏡觀測天文，為了提高望遠鏡的放大率，人們不斷加長折射望遠鏡的鏡身，最後長得難以使用。於是，人們萌發了製造反射望遠鏡的念頭。第一個提出反射望遠鏡方案的是英國數學家J．格雷戈裏；第一個親手製造第一架反射望遠鏡的是英國科學家牛頓；第一個製造出能用於專業觀測的反射望遠鏡的是英國數學家J．哈德利；然而代表著早期反射望遠鏡的最高成就的是赫歇耳和他的反射望遠鏡。英國人W．赫歇耳（1738—1822年）原是位音樂家，但他酷愛觀測星辰。由於窮困使他無力購買望遠鏡，他隻好自己動手磨製天文望遠鏡，據說有一次他一邊磨一邊聽妹妹讀書，連吃飯都由妹妹喂，一口氣竟磨16小時。功夫不負苦心人，他終於在1774年製出了他的第一架反射望遠鏡：口徑15厘米，鏡長2.1米（現保存在大英科學博物館）。接著他又磨製了口徑達22.5厘米、鏡身3米和口徑45厘米、鏡身6米等一係列更大更好的反射望遠鏡。1781年3月13日，赫歇耳用他的反射望遠鏡發現了一顆新行星——天王星，這一發現使他從一個音樂家一下子成為舉世聞名的天文學家。1786年他編出了包括2500個星雲的星表。天王星的發現和天文學上的成就更激勵他磨製望遠鏡的熱情。英國國王喬治二世慷慨解囊，出資2000英鎊。1789年底他研製成口徑122厘米、長12.2米的巨型望遠鏡，這架龐然大物終於安裝在一個巨大的木架上，像一尊指向天空的巨炮。這架巨型望遠鏡投入觀測的第一夜，赫歇耳就發現了士衛一和士衛二，還發現了大量雙星、星團和星去。1822年赫歇耳去世。1839年這架巨炮似的巨型反射望遠鏡被人們從支離破碎的木架上放倒，目前保存在胡斯天文台的花園中，成為早期天文學的曆史見證。赫歇耳和他的望遠鏡使人類的探測能力首次超出了太陽係之外，到達了恒星世界。
4．載人飛行的關鍵
人類到太空中長期生活的夙願能否實現？從載人航天任務一提出，它就成為航天科學家們所追求的最終目標。為了達到這個目的，除了製造性能先進、適合人類長期居住的航天器外，最關鍵的問題是人是否能適應太空中的失重環境。在載人飛行前，這一直是個十分令人擔心的問題。因為自從地球上出現生物以來，生物一直是在重力環境中生活的，尤其是人的進化、發育都與重力有著密切的聯係。科學家們推測重力消失後，人的心血管、骨骼、肌肉、消化、內分泌、神經等係統都會發生嚴重的障礙，影響到航天員的健康，甚至生命。因此人能否在太空中生活成為實現載人航天的關鍵問題。由於在地麵無法創造一個長期的失重環境，為保險起見，在載人飛行前進行了一係列的動物失重飛行實驗和地麵人體的模擬失重實驗。動物實驗和人體模擬失重實驗結果表明失重並非像一些人預料的那樣可怕，失重似乎不會對生物體造成太大的損傷。於是，1961年4月12日前蘇聯航天員加加林上天，開辟了載人航天的飛行史，同時也拉開了空間人體實驗的序幕。