人造卫星是一种无人航天器，它环绕着地球，在空间轨道上默默地运行，默默地为人类提供宇宙中的环境参数。世界上第一颗人造地球卫星是前苏联于1957年10月4日在拜科努尔发射场发射的。从此，人类就进入了利用航天器探索外层空间的新时代。
人造卫星的优点非常突出，它能同时处理大量的资料，并可及时将其传送到世界任何角落，使用三颗卫星即能涵盖全球各地。人造卫星的用途非常广泛，如今，不管是科学、通信和气象领域，还是军事和资源探测等领域，都需要卫星的辅助才能完成。
目前，人造卫星已经成为发射数量最多、用途最广的航天器，其发射数量约占航天器发射总数的90％以上。这些在太空中运行的人造卫星就像是人类在太空中的眼睛和耳朵。它们不但引领人类进入了太空新时代，还为人类亲自进入太空提供了必要的环境参数。
环绕地球运行的人造卫星
人类希望揭开天空的奥秘，拜访当空的明月，探索闪闪烁烁的星斗。古往今来，这种想法绵延不断。我国民间传说的嫦娥奔月和七仙女下凡，正是古代人渴望往来天地间而编织成的美丽故事。但是，直至现代科学的建立，特别是天体力学、数学和计算技术的发展，人类飞向太空的愿望才有了现实的可能。
发射人造地球卫星是星际旅行的第一步。那么怎样才能使一种物体像月亮一样成为地球的卫星呢？现代科学证明，这里必须满足两个条件：一是该物体应具有一定的速度；二是要有一个向心力。对于环绕地球运行的卫星来说，向心力就是时刻都存在的卫星重量，即地球对它的引力。靠这种向心力的作用，地球力图将卫星吸回地面。关键是卫星必须获得一定大小的速度，这个速度称作第一宇宙速度。其含义是这样的：在不考虑空气阻力的情况下，在地面将物体以每秒7.9千米的速度沿水平方向抛出去，它就会沿着以地心为圆心的圆形轨道运转起来。
卫星在地球引力作用下环绕地球运行的规律，符合行星在太阳引力作用下绕太阳公转的开普勒三定律和牛顿的万有引力定律。归纳起来有三点。
第一，当卫星速度大于环绕速度时，其运行轨道是一个椭圆，地球位于椭圆的一个焦点上，卫星速度越大，椭圆轨道也就拉得越长、越扁；当卫星速度恰好等于环绕速度时，其运行轨道才是一个圆，地球位于这个圆的圆心；当卫星速度小于第一宇宙速度时，卫星在地球引力作用下将坠落地面。
第二，卫星在椭圆轨道上运行的速度是变化的，在离地球最远的一点即远地点时速度最小；反之，在离地球最近的一点即近地点时速度达到最大。这就是说，地球对卫星的引力，随卫星的高度增加而减小，环绕速度也相应变小。例如，离地36000千米高度处的环绕速度，不再是每秒7.9千米，而只有每秒3千米。卫星离地越高，环绕速度越小，可是发射卫星所需能量并不减少，反而增加。
第三，卫星绕椭圆轨道一周的时间与短轴无关而与半长轴的3／2次方成正比。因为人造地球卫星的质量远远小于地球质量，这个数学关系是严格成立的。但是，椭圆轨道的半长轴应是卫星离地的最远距离再加上地球的平均半径即6371千米。
环绕地球运行的人造卫星如果人造地球卫星的速度不断加大，会出现什么情况？这时的椭圆轨道也就越来越长、越扁，当速度增大到某一个限度时，卫星终于摆脱地球的引力飞离地球而去，像地球一样绕太阳运行，成了人造行星。这个使卫星脱离地球而去的速度，称作第二宇宙速度，其大小是每秒11.2千米。如果卫星要离开太阳系，就必须克服太阳的引力。太阳的质量远比地球大，需要的脱离速度就更大。为此，除了借助地球绕太阳约每秒30千米的速度外，还要再加一个约每秒16.7千米的速度。这个速度叫做第三宇宙速度。
发射人造地球卫星，除了上面所介绍的理论外，还要考虑其他因素。地球被一层厚厚的空气包围着，其厚度大约有1000千米；不过离地越远，空气越稀薄，真正浓密的大气层只有几十千米。大家知道，空气会对运动物体产生阻力，物体运动速度越大，阻力也越大。人造卫星脱离火箭以后，在地球的引力场内做椭圆绕地运动，由于大气阻力，它的速度会变小，其结果是飞行高度逐渐下降；如果高度降低到进入了地球浓密大气层，和空气产生的摩擦非常剧烈，会产生几千摄氏度高温将卫星烧毁。为避免卫星过早烧毁并使它能在空间长时间运行，就必须把卫星送到离地一定的高度。人造卫星的轨道高度，根据工作需要通常在数百千米到数万千米之间。
要把人造卫星送上那么高的高度并达到环绕速度，不是一件易事。运载卫星的火箭速度是最关键的问题。所以发展威力强大的多级运载火箭，是发射人造地球卫星和其他人造天体的首要条件。
知识点开普勒三定律
开普勒三定律，又称行星运动定律，是指行星在宇宙空间绕太阳公转所遵循的基本定律。由于是德国天文学家开普勒根据丹麦天文学家第谷·布拉赫等人的观测资料和星表，通过他本人的观测和分析后，于1609～1619年先后归纳提出的，故称开普勒三定律。
开普勒三定律给予亚里士多德派与托勒密派在天文学与物理学上极大的挑战。他主张地球是不断地移动的；行星轨道不是圆形的，而是椭圆形的；行星公转的速度不等恒。这些论点，大大地动摇了当时的天文学与物理学。经过了几乎一世纪的研究，物理学家终于能够用物理理论解释其中的道理。牛顿利用他的第二定律和万有引力定律，在数学上严格地证明开普勒三定律，也让人们了解其中的物理意义。
世界上第一颗人造卫星
第二次世界大战结束后不久，满目战争疮痍的前苏联就着手研制洲际弹道导弹和运载火箭。也许是由于战后美、苏对峙、冷战浓云密布的原因，当时的苏联政府对此十分重视。然而要搞导弹和火箭，需要有资金、技术和人才。最困难的是资金。
由于前苏联是第二次世界大战中遭受战争破坏最严重的国家，损失了几乎三分之一的国民财富；有1700个城镇和数万个乡村要重建；而且还有数百万人住在战时防空洞内，生活困苦，需要安置。因此，资金奇缺。尽管如此，当局还是拨出巨款，一定要搞导弹和火箭。
他们采取的第二个有效措施，就是调集全国的资源和技术力量，保证导弹与火箭研制工作的进行，特别是集中一些权威性的专家，进行研制大威力火箭的攻关。由于俄罗斯是齐奥尔科夫斯基的故乡，不乏优秀的火箭人才，研制工作在对外绝对保密的情况下，不断取得重大进展。在各项工作取得进展的同时，加强了组织协调、技术协调的工作。当时前苏联曾正式宣布，在科学院天文委员会的范畴之内成立一个跨部门的星际通信协调委员会，以实现对研究工作的协调和监督。这一点是十分重要的，因为搞导弹、火箭并发射卫星，是一项极复杂的系统工程，全局的技术协调往往比研制工作更难、更费时。
运载火箭的研制成功，不仅使前苏联能够成功发射洲际导弹，而且使卫星上天成为可能。1953年11月，前苏联人在日内瓦世界和平大会上宣布：“制造人造地球卫星是完全可能的。”这就预示前苏联要研制人造地球卫星以及它的运载工具。但是并未引起人们多大注意。1955年，美国宣布要在1957~1958年期间发射“尖兵”号地球人造卫星，当时没有人怀疑美国的能力和信心。但是，1956年，前苏联的代表在一次国际会议上又提出在国际地球物理年期间，将把一颗人造地球卫星送入轨道。当时没人注意这事。一些西方记者认为，这可能是一种心理宣传而已。实际上，前苏联的人造地球卫星研制工作已接近尾声，正准备把洲际导弹改装成运载工具，供发射卫星用。
1957年10月4日，前苏联人在拜科努尔发射场用P-7洲际导弹改装的“卫星”号运载火箭把世界上第一颗人造地球卫星“斯普特尼克1”号送入轨道，开创了人类航天新纪元。
现代人造卫星“斯普特尼克1”号是个铝制球体，直径58厘米，重83.6千克，有4根鞭状天线，内装有科学仪器，用以测量227~941千米轨道之间的大气密度、温度和电离层的电子浓度。卫星在轨道上共运行92天，绕地球约1400圈，并在1958年1月4日坠入大气层烧毁。
前苏联紧紧抓住发展大威力火箭这一关键，又向着把人送上太空的目标努力。把载人宇宙飞船送入空间，要求运载火箭有把数吨重的有效载荷送入地球轨道的能力，这又是一次飞跃。
前苏联人不断增大运载火箭的推力，在发射了重83.6千克的第一颗人造卫星之后，短期内将发射的“斯普特尼克2”号卫星重量大幅度增至508.3千克，“斯普特尼克3”号则重达1327千克。大威力运载火箭如此快速的发展过程中获得的技术窍门帮助并显著加速了载人航天飞船的准备工作。因此，前苏联在第一颗人造地球卫星发射后不到4年时间，在1961年4月12日就成功地将4.73吨重的“东方”号载人航天飞船送入地球轨道，尤里·加加林成为第一个太空人。这时，世界又一次受到震动。从此开始了人类在太空的活动。纵观前苏联的初期航天活动，给人一种比较顺利的印象。
知识点国际地球物理年
国际地球物理年起源于国际极年，即每隔50年对地球的两极进行联合科考。1950年6月国际无线电科学联盟在布鲁塞尔举行会议时，有些地球物理学者提议，将国际极年改为25年举行一次。国际科学联合会理事会支持了该提议，规定从1957年7月1日到1958年12月31日世界各国共同对南北两极、高纬度地区、赤道地带和中纬度地区，进行一次全球性的联合观测，并将第三届国际极年改名为国际地球物理年。
有67个国家、1000多名科学家正式参加国际地球物理年的观测活动。科学研究内容十分广泛，共有13个项目，包括气象学、地磁和地电、电离层、太阳活动、火箭与人造卫星探测等。国际地球物理年的活动取得了丰硕的成果，大大促进了各门学科的发展。
中国发射第一颗人造卫星
中国是古代火箭的故乡。现代火箭渊源于古代火箭。宋代，我国就制成了用火药推进的世界上最早的火箭。古代火箭推进系统是在竹筒或纸筒中装满火药，筒上端封闭，下端开口，筒侧小孔引出药线。点火后，火药在筒中燃烧，产生大量气体，高速向后喷射，产生向前推力，这就是现代火箭发动机的雏形。作为武器用的古代火箭，箭的顶端装有箭头，起杀伤作用，相当于现代导弹武器的弹头。箭的尾端装有箭羽，起稳定飞行的作用。
我国明代发明了一种“一窝蜂”火箭，一次能发射32支火箭，杀伤力较大，曾在战争中使用。另一种用于水战的武器“火龙出水”火箭，达到了更高的技术水平。火龙有龙头、龙身和龙尾，龙体内装有神机火箭数枚，龙体外周装有4个火药筒。发射时，先点燃龙体外的4个火药筒，推进火龙飞行，继而点燃龙体内的数枚火箭，再度加速。通过多枚火箭联用和两级火箭接力，火箭可以在水面上飞行数里之遥。我国古代这种多级火箭设计思想是极有创见的。
中华民族虽然有着高度的古代文明，但在尖端技术方面，旧中国留给我们的却是一片空白。我国是古代火箭的发源地，我们应该研究现代火箭技术。1956年10月18日，我国第一个导弹研究机构，即国防部第五研究院正式成立，由刚从美国回来不久的著名火箭专家钱学森任院长，把研制导弹和火箭技术作为我国高科技的一个主攻方向。1958年，在前苏联专家帮助下，我国一方面开始进行导弹研制基地和发射场的建设；一方面开始仿制前苏联P-2近程地地导弹。仿制工作的开展，加速了我国掌握导弹、火箭技术的步伐。
1960年前后，我国又从全国各学校挑选了几千名大中专毕业生充实国防部第五研究院。他们满怀献身祖国尖端事业的豪情，投身到火箭技术队伍的行列中，技术队伍得到迅速扩大。但是，当我国仿制P-2导弹工作进入最后阶段时，前苏联撤走全部专家。由于这一突然行动，给我国导弹仿制工作造成了相当大的困难，但也从反面激发了我国导弹研制人员自力更生、发愤图强的精神。他们刻苦学习，边学边干，克服工艺技术、器材设备以及火箭燃料等方面的困难，把仿制工作继续推向前进。1960年11月5日，用国产燃料成功发射了第一枚仿制的导弹，于是中国有了自己的近程导弹。1964年6月29日，我国第一个自行设计的中近程火箭发射获得成功，揭开了我国导弹、火箭发展历史上新的一页。通过中近程火箭的研制，我国年青的火箭队伍得到了很大的锻炼。
1958年5月17日，毛泽东在党的八大二次会议上，发出了“我们也要搞人造卫星”的号召，表达了我国人民发展航天技术、向宇宙空间进军的强烈愿望和决心。1963年，中国科学院成立了星际航行委员会，负责制定星际航行发展规划。1964年11月，在国防部第五研究院一分院的基础上组建运载火箭研究院。这时，我国研制人造卫星及其运载火箭的条件已经成熟。
