宇宙速度
人类的航天活动，并不是一味地要逃离地球。特别是当前的应用航天器，需要绕地球飞行，即让航天器做圆周运动。我们知道，必须始终有一个与离心力大小相等、方向相反的力作用在航天器上。在这里，我们正好可以利用地球的引力。因为地球对物体的引力，正好与物体做曲线运动的离心力方向相反。经过计算，在地面上，物体的运动速度达到7.9千米/秒时，这个速度被称为环绕速度。这种使物体绕地球做圆周运动的速度也被称为第一宇宙速度；当物体达到11.2千米/秒的运动速度时能摆脱地球引力的束缚，这个速度叫第二宇宙速度；当物体的运动速度达到16.7千米/秒而摆脱太阳引力束缚时，这个速度叫第三宇宙速度。
载人航天四大关键技术
第一大关键：运载火箭
众所周知，载人航天是人类利用航天器在外层空间的飞行活动。外层空间是无氧气的近似真空的环境，要想克服地球引力而将航天器送出大气层，就必须依靠推力极大、载荷能力极强的运载火箭来完成。运载火箭与在空气中飞行的飞机不同，它不是靠空气中的氧气作氧化剂，而是靠自身携带的氧化剂与燃烧剂作火箭动力来源的。火箭可以在大气层内和大气层之外的太空中飞行，它的飞行原理是利用火箭发动机进行化学燃烧时产生高温高速喷射气体的反作用力而将火箭推向前方。这种推动火箭向前飞行的力叫“推力”。在真空中，火箭的推力要比在大气层中大15％左右。通过推进剂燃烧产生的“推力”可以使火箭获得巨大的速度，长时间喷射气体，火箭就会不断加速。
实践证明：仅靠一枚火箭的推力是无法将载人飞船或其他类型的航天器送到宇宙空间的。因为靠一枚火箭是不可能一下子就将航天器的速度增至11.2千米／秒（即第二宇宙速度），从而摆脱地球引力逃离地球的。实践经验告诉我们，必须使用多级火箭逐渐加速的方法才能实现载人航天。因为，要想把重达几吨甚至几十吨的载人飞船或航天飞机、空间站送上宇宙空间（还要考虑到火箭的自身重量），不仅需要有极大的推力，同时也要有极高的速度才能完成。此外，火箭启动速度过高，会使人遭受到极高的加速度，它会导致航天员死亡。那么，怎么办呢？为解决上述问题，既让火箭的推力和速度达到脱离地球引力，又让航天员不遭受过高的加速度，于是科学家想到采用多级火箭“接力”的办法。
所谓多级火箭就是将几枚火箭串接起来，在第一级火箭上接上第二级火箭，就称为二级式火箭；再在二级火箭上接上第三级火箭，称作三级式火箭。
当第一级火箭加速到4千米／秒的速度时，第二级火箭燃烧，加速到8千米／秒的速度（就是达到了环绕地球飞行而不被地球引力吸下来的7.9千米／秒的第一宇宙速度）；第三级火箭点火燃烧后，又增加了4千米／秒的速度，于是速度达到了12千米／秒（即达到了摆脱地球引力，飞向太阳系的其他星球的第二宇宙速度）。如果要飞出太阳系，那么就要有四级式火箭，使它的速度达到16.7千米／秒的第三宇宙速度。这样，人类就实现宇宙航行的自由了。每一级火箭的燃料用完后，那一级火箭就被甩掉，火箭重量逐渐减轻，速度不断加快。用这种多级火箭方式，就可以发射载人飞船或其他类型的载人航天器。
那么，多级火箭是如何设计的？它的结构如何呢？
目前，发射载人航天器的火箭，通常采用三级式火箭，三级火箭中第二级比第三级大得多，而第一级则更大。发射几吨重的人造飞船，第一级火箭应是几百吨甚至几千吨重的庞然大物。
那么，运载火箭的各级是如何安排的呢？
宇宙运载火箭的排列一般是：最底部为一级火箭，二级火箭居中，三级火箭居上。载人航天器则放在三级火箭的顶部。迄今制成的最大的宇宙运载火箭是美国的“土星5”号，共有三级，全长110米，直径达10.1米，起飞重量2950吨，它的总推力将近4000吨，三级火箭内共装有近5000万升推进剂，用它可以发射126吨的巨大人造航天器。它曾经把高25米、重45吨、直径10米的“阿波罗11”号飞船送往月球；而前苏联的“G—1—E”运载火箭高102米，载重量可达161吨。中国研制的“长征”系列火箭，有多级、捆绑式等结构，它使用不同推进剂，能产生不同推力，可发射高、中、低不同轨道的各类卫星和航天器。
第二大关键：载人航天器
运载火箭是解决载人航天的第一大关键技术，它可以保障航天器脱离地球引力，将航天器送出大气层而进入太空轨道。进入太空后，就是十分严峻的宇宙环境（无氧、强辐射和高真空），因此，制作具备先进设施的载人航天器是第二大关键技术。除了需要材料、能源、通信、控制等技术先进外，还必须具备保证航天员生命安全的系统。在航天器中，科学家们为航天员设计了一个密闭座舱，里面有很好的人工环境。
航天器示意图载人航天器的宇宙密闭舱由轻而坚硬的金属制成，舱体的外壳包有绝热材料，可防止舱体在大气层内飞行时产生的气动力热传入舱内；舱内装有带缓冲装置的乘员坐椅；有各种电子设备、仪表及航天员救生与生活装备；舱壁两侧有供航天员观察星空与地球的舷窗（舷窗具有防强光、防紫外线及防辐射的能力）。为防护外界恶劣环境和保证航天员生命安全，这种密闭舱与外界完全隔绝，舱内提供了由人工控制的环境控制与生命保障系统，使舱内的压力、空气成分与地球上相似，并提供了符合人生理需求的温度与湿度条件，航天员能安全和方便地在其中生活与工作。
此外，舱内还设有清除污染物质的设备，以保持舱内空气新鲜。水与食品是人类生存的必需条件，生活在宇宙空间的航天员，需要从地面携带食品、部分饮食用水和卫生用水。有了密闭座舱和保持航天员生存的各种条件与设备，人类就具备了进入宇宙空间的条件。
另外，载人航天器中还设有与地面控制中心联系的通信系统，有自动驾驶和手动驾驶仪器，有各种各样的仪表。总之，载人航天器要比最先进的飞机复杂得多。所以，研制出先进的各类用途的航天器是载人航天的第二大关键技术。
第三大关键：太空安全与人身保障系统
极其贵重的航天服
载人航天除具备前述两项关键技术外，第三项关键技术就是太空安全与人身保障系统。除密闭舱中的安全措施外，太空安全与人身保障系统就是宇航服和故障逃逸系统。
在载人飞船中只有密闭舱还是不够的。因为宇宙飞行（航天探宇）的目的是进行探险与开发地外资源，要进行太空作业，登足外星，航天员就不能永远待在密闭舱中。如果航天员在航天飞行中想走出密闭舱，不采取特殊防护措施是不行的。为此，科学家设计了一种能保护航天员免受低压危险并能到密闭舱外从事宇宙空间活动的特殊的装置，即宇航用的航天压力服。
航天服是世界上最昂贵的服装，每件达上百万美元，有的价值上千万美元。
人身安全和生命保障系统的另一种设施便是弹射椅和逃逸塔。这两种设施是用于出现故障和紧急情况时逃离危险现场或飞行器的。在正常返回地面时，这两种设施在某些程序段也是有用的。这是与航天员的人身安全紧密相关的。弹射椅是早期所采用的救生系统，而逃逸塔是后期发展起来的救生系统。使用逃逸塔比弹射椅更加安全，但设备技术也更复杂些。
第四大关键：航天测控与返回
载人航天的第四大关键技术就是测控技术和返回式航天器的回收技术。当航天器被运载火箭从发射场发射升空之后，还必须完成入轨、变轨、飞行、返回、再入等阶段的任务和采用登陆舱与轨道上的指令舱对接、返回等任务。这些阶段的飞行和任务完成都是在地面控制中心控制下，天上、地下联手合作完成的。这就需要有跟踪、测量、监视、控制以及与航天器上的航天员通信联络等技术手段来保障。这些任务是通过地面测控站（网）来完成的。地面测控站可设在飞行器经过的陆上地区、海岛上、海上测量船上，并利用空中的中继通信卫星构成海、陆、空三维立体测控网。
载人航天或返回式卫星（含动物实验卫星等）都需要安全可靠的回收技术，包括：航天器再入技术、降落技术、救援技术（降落救援和医疗救援）、最后是地面疗养。这些内容不仅涉及航天、航空知识，而且还包括医疗保健、人体科学、药学、通信学、控制学、海洋学等多学科领域。如果是太空农业、工业、电子学试验卫星回收，还要涉及农业、工业、电子学等知识领域。如果是载人登月、登陆外星飞行器回收，必然要有外星的土壤、岩石标本的采集与分析，这就涉及微生物学、宇宙学、天体物理学、考古学等更广阔的领域……如此说来，载人航天事业确实是不同寻常的事业，是一个国家高科技实力的综合体现。
空间站的现状与展望
国际空间站建设的意义
由于载人飞船和航天飞机工作空间和飞行时间有限，科学家们就追求一种能在近地轨道上长时间运行、可供多名航天员在其中生活并承担多种复杂任务的航天器，结果促成了空间站的诞生和发展。空间站亦称人造天宫，其特点是体积较大，在轨运行时间很长，功能齐全，可利用太空特殊环境开展一系列的科学研究，能完成对地监测、资源勘察、天气预报、天文观测以及释放人造天体等任务。因为空间站不返回地面，站上航天员的接送和物资补给由宇宙飞船或航天飞机承担。
鉴于建设大型空间站的重要性和技术复杂性，考虑到经费巨大等因素，1988年9月22日，美国、俄罗斯、欧洲空间局11个成员国、日本、加拿大和巴西16国达成共建国际空间站的协议，并从20世纪90年代中期开始这一项目的合作。从此国际空间站就成为引人注目的航天工程。
国际空间站由基础构架、12个舱段、多个太阳能电池板等组件构成，总质量约4536吨，长108米，宽88米，运行轨道高度为397千米，可容纳7名航天员长期居住和工作，最多时可接待15人同时进行科学考察，设计寿命为15年。载人舱内的气压与地球表面相同，其容积约1217立方米。它将分设6大试验室，能够提供以往任何航天器都无法比拟的研究空间，是在太空进行微重力试验和科学研究的大型平台。它乃是国际载人航天技术发展史上一个新的里程碑。
整个国际空间站的建设，最早计划于2004年建成，后来多次更改计划，致使完成时间一再后移。首次更改定为2005年，第二次更改定为2008年，第三次更改定为2010年。在此过程中，其建设经费也在原定的830亿美元的基础上不断追加，最终确定为1140亿美元。按照原来安排，为把各组件送入轨道进行对接，仅英国航天飞机和俄罗斯载人飞船就要分别升空34次和9次，航天员们要通过114次共计1800小时的太空行走才能将其组装起来。
国际空间站的建设状况
根据建设国际空间站的协定，1995—1998年，美国航天飞机和俄罗斯“和平”号空间站进行了9次太空对接和联袂飞行，两国航天员开展了一系列科学试验和多次太空行走，为组装国际空间站积累了经验。
在完成上述准备工作之后，就开始了在轨道上对国际空间站进行组装。1998年11月20日，俄制“曙光”号多功能货舱由质子K运载火箭从哈萨克斯坦拜科努尔发射场发射升空，标志着国际空间站正式动工开建。该舱呈圆柱形，直径4米，长度13米，质量24吨，装有导航、通信、姿控、气候环境调节等设备。它在国际空间站建造初期可以提供足够的电源和动力，成为全站的主体舱。“曙光”号能在轨道上改变方向，以实现与其他舱段的对接，其舱内还能存放一些研制装置。
同年12月6日，“奋进”号航天飞机将国际空间站第2个组件“团结”号节点舱携带升空，开始第一次装配作业。美制“团结”号近似圆柱体，直径4.6米，长度10米，质量13吨，设有6个对接舱门。“奋进”号追上“曙光”号多功能舱后，机上航天员利用机械臂抓住后者，继而通过3次太空行走将“团结”号节点舱与“曙光”号对接在一起，并完成空气输送管道和通信系统的连接工作。美俄两国的6名航天员成为最早在国际空间站上活动的人们。完成任务后，他们即乘航天飞机返回地面。
2000年7月12日，俄制“星辰”号服务舱发射升空，并于7月26日在轨道上与“曙光”号和“团结”号联合体对接成功。这个服务舱包括4个密封舱室和1个非密封舱室，长度13米，宽为30米，质量20吨。它是国际空间站航天员的主要工作区和生活区，既装有生命保障系统，又装有轨道姿态控制系统及能量保证系统等。这样一来，对接的3个舱段和辅助设备就组成了质量为73吨、运行在397千米高度上、倾角为51.6°的轨道上的太空联合体，每90分钟环绕地球一周，使国际空间站具备了接待航天员居住和工作的基本条件。