前苏联第二颗卫星上天后，促使美国加紧火箭的研制，立即决定发射原订计划的“先锋号”卫星。当时，“先锋号”的运载火箭遇到一系列技术困难，又拖延了一段时间。1957年12月6日首次进行“先锋号”卫星的发射试验。但因火箭在发射台爆炸而失败。这时距前苏联发射成功第一颗卫星已经过去两个月多的时间了。在这种情况下，美国又决定启用布劳恩主持研制的“红石”弹道式导弹，将它改装成“丘比特C”运载火箭。它的第一级是“红石”导弹改型的液体火箭，第一级发动机推力为375吨，第二、三、四级采用固体火箭发动机，分别由11个、3个和1个“中士”火箭组合而成。由于“红石”导弹技术比较成熟，由它改进而成“丘比特C”运载火箭发射卫星把握性就更大些。1958年1月31日，美国第一颗人造卫星“探险者1”号终于发射成功。虽说“探险者1”号卫星有点姗姗来迟，毕竟挽回了美国的落后局面。这颗卫星与末级火箭连在一起进入绕地球运行的长椭圆形轨道，轨道近地点360千米，远地点2531千米，轨道倾角3334度，运行周期1148分钟。卫星和末级火箭总重约14千克，卫星本体只重822千克。卫星呈锥顶圆柱形，高203厘米，直径152厘米，四根鞭状天线十字形配置在星体周围，各长572厘米。星上携带有几种测量宇宙线、微流星以及卫星内外温度的仪器，还有无线电发射机，可把测量结果发回地面。这次发射的重要成果，是在2000千米以上的高空测得辐射能量剧增，证实存在一个强大的辐射带，后来称为范·艾伦辐射带。
尽管美国第一颗卫星的重量远比前苏联的第一颗卫星轻，表明它的早期运载火箭的运载能力相当低，只够发射小型卫星的水平，但是星上仪器设备却较前苏联的先进，前苏联的“伴侣1”号卫星只能发送无线电信号，而美国的“探险者1”号卫星却能从事简单的太空探测了。美国第一颗卫星上天后，在航天活动方面与前苏联并驾齐驱，在激烈的竞争中把空间技术推向新的阶段。
五、中国的第一颗卫星
在世界上第一颗人造卫星上天飞行14年之后，1971年4月24日从东方地平线上升起第一颗卫星“东方红1”号，标志着中国在太空占有了一席之地。中国卫星飞翔太空，要从“国家杰出贡献科学家”钱学森说起。钱学森生于1911年。1935年自上海交通大学机械工程系毕业后考取清华大学公费留学，远涉重洋到美国麻省理工学院航空系学习。1936年10月转学到加州理工学院，开始在美国著名航空航天科学家冯·卡门的指导下从事火箭技术理论研究工作。他后来作为冯·卡门的得力助手，研究工作卓有成绩。1945年5月，他随美国科学咨询团赴欧洲，考察德国火箭技术发展情况。这时，钱学森已经成为有相当名望的火箭专家，在火箭设计中创立了钱学森公式。因此冯·卡门高度评价和赞赏这位中国科学家的学识和才能：“他在许多数学问题上和我一起工作，我发现他非常富有想象力，他具有天赋的数学才智，能成功地把它与准确洞察自然现象中物理图像的非凡能力结合在一起。作为一个青年学生，他提炼了我的某些思想，使一些艰深的命题变得豁然开朗。”
1955年，钱学森怀着对祖国的一片深情，冲破美国的重重阻挠，经过长达6年的不懈斗争，终于回到祖国的怀抱。钱学森回国不久，根据中国的现代工业基础和科学技术水平，提出了发展现代火箭技术的意见，并以奔放的热情投身到创建中国的航天事业中。他受命参与火箭研制的领导组织工作。当中国第一枚自行设计的火箭发射成功之后，在对星际航行理论研究取得一定进展的基础上，1965年钱学森及时地提出研制人造卫星的构想。他在一份建议中提出：“自前苏联1957年10月4日发射第一颗人造卫星以来，科学院和五院对这些新技术都有过一些考虑，但未作为一项研制任务。现在看来，弹道火箭已有一定基础，进一步发展即能发射仪器卫星，计划中的洲际火箭也有发射载人卫星的能力。工作是艰巨复杂的，必须及早开展有关研究，才能到时拿到东西。因此，建议早日主持制订研究计划，列入国家计划，促其发展。”他还具体提出在1970年或1971年发射100千克重量的卫星的设想。当时在无任何外援和无外国技术资料的情况下，钱学森决心带领一批科技人员攻克空间科学堡垒。钱学森出类拔萃，为研制人造卫星计划中许多关键问题的解决贡献了智慧和才能。1968年2月，中国空间技术研究院宣告成立，钱学森担任院长，领导实施人造卫星研制计划。他在“文化大革命”中极端困难的情况下，主张把分散在各个部门的卫星技术研究机构集中起来，大力协同，群策群力，集智攻关，解决了许多技术难题。经过4年多时间的研制，1970年初完成了卫星的总装测试和空间环境试验。为了使人们能在地球上用肉眼看见卫星，设计师采取在卫星与运载火箭分离入轨后，末级火箭也随着卫星在太空运行，并在末级火箭上加上“观测裙”，以提高卫星的亮度；为了让人们能用收音机收卫星传回的声音，设计师在卫星上装上有《东方红》乐音发生器的转播系统。
1970年4月1日，长征1号运载火箭和东方红1号卫星同时运到酒泉卫星发射中心，开始发射前的装配、测试工作。钱学森亲临发射基地，认真仔细、一一丝不苟地指导测试检查，目的是达到“安全可靠、万无一失，准确入轨，及时预极”的要求。当测试检查无误后，人们翘首盼望的发射时刻终于来到了。1970年4月24日，随着“发射”指令声下，竖在发射架上的运载火箭点火，发出震耳欲聋的隆隆声，在巨大火焰的簇拥下徐徐升空，载着东方红1号卫星直飞天穹。东方红1号卫星运行轨道的近地点493千米，远地点2384千米，轨道平面与地球赤道平面的夹角685度，绕地球一周时间114分钟。卫星重173千克，用20009兆周的频率播送《东方红》乐曲，世界上许多国家都能听到这激荡人心的乐音。中国第一颗卫星的重量超过了前苏、美、法、日四个国家第一颗卫星重量的总和，且在卫星的跟踪手段、信号传递方式、星体温度控制等方面，都达到了世界先进水平。东方红1号卫星六、卫星的返回根据卫星的不同用途，有的卫星在轨道上飞行一段时间后，需要返回地球，如照像侦察卫星、生物实验卫星等，它们在太空中观察到照片、数据、实验结果等，只有返回地球才能便于作进一步的研究分析。但是，要把送上太空的卫星再返回地球上来，又谈何容易！因此，返回技术是人类征服太空的一项重要本领，它在空间应用技术中占有相当重要的位置。迄今，只有美国、前苏联和中国掌握了这种技术，这些国家的航天科学家经过不懈努力，相继解决了太空飞行这一难题。20世纪50年代末，美、前苏突破卫星发射技术后，就开始探索卫星返回技术。1960年8月美国“发现者”号卫星的返回舱从轨道上返回地面，首次回收成功。同年同月，前苏联发射载有两只小狗的“伴侣5”号生物卫星，在绕地球飞行18圈后返回地球。卫星返回技术逐步成熟。这些返回式卫星的种类虽然不多，但在空间活动中却占有较大比重和重要地位，而且对于后来载人飞船、航天飞机的发展具有特别重要的意义。卫星返回过程，大体上经历四个阶段：第一、卫星脱离运行轨道，进行制动飞行，要求制动火箭准确点火，使返回舱保持规定状态；第二、卫星在大气层外自由下降，在100千米左右的高度开始进入大气层，精确控制下降起始点的位置、高度、速度和方向；第三、卫星返回舱进入大气层急剧减速，同空气剧烈摩擦产生极高的热量，返回舱表面的最高温度可升高到1000℃以上，因此要避免由于产生高温而烧毁；第四、卫星返回舱下降到15千米以下高度，用降落伞减速，在海上或陆地安全降落。这个包含了四个阶段的全过程表明，卫星要安全返回地面，星上必须装有测控系统、姿态控制系统、制动发动机、回收系统和返回防热系统。美国和前苏联首先解决了卫星返回地面的技术难题。美国从1959年2月发射“发现者”号系列实验型侦察卫星，经过12次连续试验回收失败之后，才于1960年8月首次回收到“发现者”卫星的返回舱。前苏联于1960年5月发射“伴侣4”号卫星，由于卫星姿态控制系统发生故障而回收失败，同年8月发射载有两只小狗的“伴侣5”号卫星回收获得成功。
中国在卫星返回技术领域已经进入世界先进行列。1975年11月26日，中国成功发射了第一颗返回式卫星，卫星于29日按预定计划返回地面。至今17年，中国连续成功发射和回收13颗卫星，全部按照预定计划在中国腹地预定地区安全着陆，取得了百分之百的成功率，在世界航天史上创造了一个奇迹。中国研制返回式卫星始于1966年，经过近10年奋战，1975年研制成功。第一颗返回式卫星在轨道上运行3天，取得了预定的遥感试验资料。由于设计上的原因，卫星在再入大气层的过程中，返回舱的裙部、部分电缆和仪器被烧坏，落点偏差较大，但它毕竟回到了大地的怀抱，回收成功。一年之后，1976年12月7日，中国第二颗返回式卫星升空，当绕地球飞行到第47圈时，地面遥控站发出姿态调整指令，返回舱和仪器舱顺利解锁分离，制动火箭点火，返回舱按预定轨道踏上返回地面的旅途。再入大气层后，控制器依次发出弹射引导罩、减速伞分离、打开主伞等信号，最后在四川境内预定落区回收。那一天，一个卫星返回舱自天而降，落在山坡上一块菜地里。人们发现后惊奇不已，蜂扔而至，竞相围观这个天外来客。然后一架直升飞机紧跟而来，回收区工作人员赶到现场，将完好无损的返回舱安全运走。中国返回式卫星的总设计师王希季说：“中国返回式卫星具有很高的准确性和可靠性。如果没有这个把握，谁也不敢采取陆上回收的办法，因为卫星在脱离轨道时的再入速度和再入角度失之毫厘，就会差之千里，稍有控制不当，卫星就可能掉进别国领土。”中国科技人员在设计时提出了严格的可靠性指标，要求元器件的失效率控制在万分之一、十万分之一甚至百万分之一的水平，因为一颗螺钉或一根导线的失效，都会使整颗卫星毁于一旦。星上设备必须保证高质量、高精度、高可靠性。第一颗返回式卫星在综合测试时，发生控制卫星姿态的水平陀螺仪精度突然下降，但在短时间又立即复原。参试人员按照“严肃认真、周到细致、稳妥可靠、万无一失”的精神，不放过这个疑点，不留下任何隐患，细心检查，测出是一根导线松动，与陀螺外环上的一个配重块相撞，从而迅速采取措施，排除了这个可能导致严重后果的隐忧。此外，星上降落伞技术是卫星回收的关键之一，因为卫星降到离地面10至20千米的低空时，速度在每秒200米左右，相当于普通民航飞机的飞行速度，卫星若按这样的速度撞击地面，势必摔得粉身碎骨。科研人员花了4年时间，分别在不同环境下进行了50多次高空、中空、低空开伞降落实验，经过不断改进，掌握了降落伞规律，大大提高了卫星的安全可靠性，达到了返回舱落地完好无损的理想状态。卫星回收，技术复杂，困难很多，而中国却成为世界上第三个掌握卫星回收技术的国家。这就充分表明，中国科技人员依靠自己的聪明才智和艰苦奋斗，完全能够攀登航天技术的高峰。
七、克拉克的设想
1945年5月25日，英国著名科普作家阿瑟·克拉克向英国星际航行学会递交了一份报告，描述在地球上空的一条特殊轨道上等距部署3颗卫星可以组成全球通信网，并可利用卫星同时向几个地区转播节目。这个关于地球同步轨道通信卫星的预言，在20年后由于航天技术的高度发展而实现了。克拉克当时发现离地球35860千米的高空有一个可使人造物体保持静止不动的地方，也就是说找到了一条可使卫星相对于地球保持静止不动的特殊轨道，后来科学家把这条轨道称做“静止轨道”或“克拉克轨道”。严格地说，要使配置在这条轨道上的卫星保持相对静止状态，它绕地球自西向东旋转一周的时间必须与地球自西向东自转一圈的时间相同，即正好等于23小时56分零4秒，而且其轨道与地球赤道平面的夹角必须等于零度。凡是满足这两个条件的卫星在地面观察者看来，好似是挂在天空中静止不动一样，因此人们把这种卫星叫做“静止卫星”。克拉克关于利用静止卫星通信的新颖设想引起了英国星际航行学会的高度重视，并对它进行广泛宣传。尽管人们有不少怀疑，甚至责难，说这只不过是一种大胆的“幻想”，但它的科学根据充分，只不过是因为当时的技术还不到罢了。航天科学家为把通信中继站建到太空静止轨道而付出了整整20年的代价。
