1.3.1 进入太空的努力
1.3.1.1 载人航天
载人航天是航天技术发展的一个新阶段。早在20世纪40年代末，人类就把一些生物装入探空火箭进行试验。20世纪50年代后期，人类发射了多颗携带动物的人造卫星，对生命保障系统、回收技术、遥测、遥控、通信技术等进行了全面试验。科学家对获得的太空环境数据加以处理后发现，过去对微流星的危害估计偏高，存在辐射带的太空也是有限的，从而肯定了人类进入太空的可行性。
第一颗人造卫星发射后，苏联和美国开始在太空探索方面展开激烈的角逐。1961年4月12日，苏联发射世界上第一艘“东方1号”宇宙飞船[图1.6（a）]，尤里·加加林少校[图1.6（b）]乘“东方1号”用时108min绕地球运行一圈后，于上午10时55分在萨拉托夫附近安全返回。他回到莫斯科时，受到成千上万群众的夹道欢迎。时任苏联总书记赫鲁晓夫亲自授予加加林列宁勋章。加加林成为世界上第一位进入太空的宇航员，他的这次太空之旅具有划时代的意义（1968年3月27日，加加林在飞行训练时因飞机失事遇难，年仅34岁）。
图1.6 第一位进入太空的宇航员与他乘坐的宇宙飞船
美国直到1962年2月20日才成功地进行了第一次载人航天飞行，宇航员约翰·格林在轨道上停留了近5h。即便如此，仍不能与不久后苏联宇航员季托夫在太空中飞行25小时11分的纪录相提并论。难能可贵的是36年之后，即1998年，已经77岁高龄的格林第二次飞向太空。他在美国“发现号”航天飞机上完成了长达9天的太空飞行。
1963年6月16日，苏联在国际妇女代表大会召开前夕把女宇航员瓦莲金娜·捷列什库娃送上太空。这在当时引起极大的轰动。人们称她为“穿裙子的宇航员”，苏联又摘取了一个“世界第一”。捷列什库娃当时26岁，在“东方六号”飞船上生活了72小时42分，绕地球飞行了72圈。
1.3.1.2 太空行走
狭义的太空行走是指宇航员离开载人航天器乘员舱，只身进入太空的出舱活动；广义的太空行走包含航天员在月球以及行星等其他天体上完成各种任务的过程。太空行走是载人航天的一项关键技术，是人类在轨道上进行大型设备安装、科学实验、释放卫星、检查和维修航天器的重要手段。
1965年3月18日，苏联宇航员阿列克谢·列昂诺夫在“上升2号”飞船飞行期间，首次实现了离舱12min的太空行走。1965年6月3日，美国宇航员爱德华·怀特离开“格米尼4号”宇宙飞船，成为进行太空行走的第一个美国人。怀特在太空中行走了21min，并使用喷气装置使自己在太空中机动飞行。
1984年2月7日，美国“挑战者号”航天飞机宇航员麦坎德列斯和斯图尔特在不系安全索的情况下离开航天飞机实现太空行走，成为人类探索太空奥秘的第一批“人体地球卫星”。宇航员通过一种“载人机动装置”得以在太空中“自由飞翔”。
1984年7月17日，苏联女宇航员萨维茨卡娅和另一位男宇航员扎尼拜科夫一起走出“礼炮7号”空间站，进行了长达3小时35分的舱外活动（见图1.7），萨维茨卡娅成为世界上第一位在太空中行走的女性。
图1.7 苏联女宇航员萨维茨卡娅进行舱外活动
1.3.1.3 航天飞机
运载火箭将人造卫星、空间探测器、载人飞船、空间站等航天器送入轨道后，就被遗弃在太空直至坠入大气层焚毁，这是航天活动耗费巨大的一个重要原因。20世纪60年代各种航天器发射频繁，降低单位有效载荷的发射费用就显得日益重要。为了降低费用、提高效益，一些科学家提出了研制能多次使用的航天飞机的设想。美国、苏联、法国、日本、英国等国都曾对航天飞机的方案做过探索性研究工作。
1972年1月，美国政府批准航天飞机（见图1.8）为正式工程项目。1981年4月12日，美国航天飞机“哥伦比亚号”首次进行试验性飞行，从近地轨道将两颗通信卫星送入地球静止轨道。
图1.8 美国航天飞机
美国至今一共建造了6艘航天飞机（见表1.2）。其中，第一艘“企业号”为工程样机；正式投入飞行的第一艘航天飞机为“哥伦比亚号”，它多次完成在太空来回穿梭后，于2003年2月在返途降落时解体坠毁，机上7名宇航员全部遇难，“哥伦比亚号”悲壮收场；第二艘为“挑战者号”，在1986年1月第10次发射升空时爆炸坠毁，机上7名航天员全部遇难；2011年7月21日，“亚特兰蒂斯号”在佛罗里达州肯尼迪航天中心安全着陆，这标志着美国30年航天飞机时代宣告终结。
表1.2 美国航天飞机概况
苏联的航天飞机计划始于1976年，一是为了应对美国的航天飞机计划，二是为了本国空间站的运输。1988年11月15日，苏联的“暴风雪号”航天飞机研制成功，并进行了首次无人飞行试验。然而，由于1991年苏联解体，这次飞行是“暴风雪号”航天飞机的第一次飞行，也是最后一次飞行。
1.3.1.4 国际空间站
在太空建立适合人们长期生活和工作的基地既是航天先驱者的理想，也是进一步开发和利用太空的需要。随着航天技术的进步，人类开始建立可长期工作的空间站。在建立国际空间站之前，进入近地轨道的空间站有3种：美国的“天空实验室”、苏联的“礼炮号”空间站和欧洲航天局的“空间实验室”。
20世纪90年代，美、俄等国推出国际空间站项目，作为人类历史上规模最大、合作范围最广的航天项目，包括欧洲航天局和16个国家（美国、俄罗斯、日本、加拿大、巴西、比利时、丹麦、法国、德国、意大利、挪威、荷兰、西班牙、瑞典、瑞士、英国）参与其中。1998年11月20日，国际空间站第一个部件“曙光号”功能货舱发射升空开始部署，预计会运行至2024年。自从2000年11月2日至今，国际空间站上就保持至少两名人员工作。
国际空间站（International Space Station, ISS）是目前在轨运行的最大的空间平台，是一个拥有现代化科研设备，可开展大规模、多学科基础和应用科学研究的空间实验室，为在微重力环境下开展科学实验研究提供了大量实验载荷和资源，支持人在地球轨道长期驻留。国际空间站的主要功能是作为在微重力环境下的研究实验室，研究领域包括生物学、人类生物学、物理学、天文学、地理学等。
国际空间站总体设计采用桁架挂舱式结构，即以桁架为基本结构，增压舱和其他各种服务设施挂靠在桁架上，形成桁架挂舱式空间站（见图1.9）。大体上看，国际空间站可视为由两大部分立体交叉组合而成：一部分以俄罗斯的多功能舱为基础，通过对接舱段及节点舱，与俄罗斯服务舱、实验舱、生命保障舱、美国实验舱、日本实验舱、欧洲航天局的“哥伦布”轨道设施等对接，形成空间站的核心部分；另一部分在美国的桁架结构上，装有加拿大的遥操作机械臂服务系统和空间站舱外设备，在桁架的两端安装4对大型太阳能电池帆板。这两大部分垂直交叉构成“龙骨架”，不仅加强了国际空间站的刚度，而且有利于各分系统和科学实验设备、仪器工作性能的正常发挥，有利于航天员出舱装配与维修，等等。
图1.9 国际空间站
目前，国际空间站主要由美国国家航空航天局（NASA）、俄罗斯联邦航天集团（Roscos-mos）、欧洲航天局（ESA）、日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）和加拿大国家航天局（CSA）共同运营。