航天飞行是由航天系统完成的经过外层空间的飞行过程。这一过程一般是由三个阶段组成的，即发射阶段、航天机动飞行阶段和返回阶段。
（一）发射阶段的原理
1.宇宙速度宇宙速度是指从地球表面发射的飞行器在环绕地球、脱离地球和飞出太阳系时所需要的最小速度，分别称为第一、第二和第三宇宙速度。早期，人们在探索航天途径时，为了估计克服地球引力、太阳引力所需的最小能量，引入了三个宇宙速度的概念。假设地球是一个圆环，周围也没有大气，物体能环绕地球运动的最低的轨道就是半径与地球半径相同的圆轨道。这时物体具有的速度是第一宇宙速度，大约为7.9公里/秒。物体在获得这一水平方向的速度以后，不需要再加动力就可以环绕地球运动。地球上的物体要脱离地球引力成为环绕太阳运动的人造行星，需要的最小速度是第二宇宙速度。第二宇宙速度为11.2公里/秒。地面物体获得这样的速度即能沿一条抛物线脱离地球。地球上物体飞出太阳系相对地心的最小速度称为第三宇宙速度，它的大小为16.6公里/秒。地面上的物体在充分利用地球公转速度情况下再获得这一速度后可沿双曲线轨道飞离地球。当它到达距地心93万公里处，便被认为已经脱离地球引力，以后就在太阳引力作用下运动。这个物体相对太阳的轨道是一条抛物线，最后会脱离太阳引力场飞出太阳系。第一、第二和第三宇宙速度也分别被称为环绕速度、脱离速度和逃逸速度。
2.运载火箭运载火箭是能够把人造卫星、载人飞船、空间站或其他空间探测器送入轨道的单级或多级火箭。作为航天运输系统，运载火箭是单向运输系统，它只能将有效载荷从地面送往轨道，而不能将轨道上的有效载荷送回地面。运载火箭多数为两级以上的多级火箭。每一级都有推进剂箱、火箭发动机和飞行控制系统，末级有仪器舱和有效载荷，级与级之间有级间段连接。有效载荷装在仪器舱上面，外面有整流罩，在火箭飞出大气层后，整流罩即抛掉。火箭的起飞质量与推进剂消耗完后的火箭质量之比称为火箭的质量比。对于火箭推进系统，受材料和结构的限制，质量比的大幅度提高也有困难。就目前的技术水平，还无法用一级火箭达到地球低轨道的速度增量。为了提高火箭的速度增量，一般采用多级火箭。当前面一级火箭的推进剂消耗完后，抛掉前面一级的结构质量，则后面级的火箭具有更高的质量比，可使火箭的总体速度增量提高。现阶段多级运载火箭的有效载荷与起飞质量之比非常小。以“长征3A”火箭为例，其起飞质量为241吨，地球同步转移轨道的运载能力为2.6吨，有效载荷与起飞质量之比仅为约1%。
实现进入空间轨道的关键在于给航天器足够大的能量，使物体具有在空间轨道上运行所要求的能量，包括具有高速度和占有高位置。必须创造出一种不依靠空气，又能提供强大动力的发动机，这就是火箭发动机。火箭发动机自身携带燃料与氧化剂，不需要空气就能燃烧，产生推力。燃料和氧化剂合称为推进剂。用于空间飞行的火箭推进系统，利用推进剂燃烧后释放的高温高压燃气喷流所产生的反作用力来产生推力。火箭发动机根据使用燃料的不同可分为液体火箭发动机和固体火箭发动机两大类：1 液体火箭发动机。液体火箭发动机一般由推力室、推进剂供应系统和发动机控制系统组成，有时还包括推进剂贮箱。推力室是将液体推进剂的化学能转化为推进动力的重要组件，由喷注器、燃烧室和喷管组成。推进剂供应系统的作用是按要求的流量和压力供应推进剂。发动机控制系统是对发动机的工作程序和工作参数进行调节和控制。液体火箭发动机具有工作时间长、可重复起动和使用等优点，但推进剂平时不能贮存在燃烧室内，发射准备的时间相对较长。2 固体火箭发动机。使用固体推进剂的化学火箭发动机，又称固体推进剂火箭发动机。固体推进剂点燃后在燃烧室中燃烧，化学能转换为热能，生成高温高压的燃烧产物。燃烧产物流经喷管，在其中膨胀加速，热能转变为动能，以极高的速度从喷管排出而产生推力。固体燃料可长期放于火箭内，因此发射准备时间很短。
3.火箭发射指火箭运送航天器起飞、加速、进人预定轨道的过程。航天器地面发射的过程包括测试区准备、发射区准备、测控系统准备和发射4个步骤：1 为使运载火箭和航天器达到可发射状态，必须在测试区进行装配、检测、试验。2 在发射区运载火箭和航天器的准备工作。主要包括把运载火箭和航天器垂直地安装在发射台上；借助勤务塔、脐带塔和管、线接头将地面电缆、气液管路与运载火箭和航天器连接；对运载火箭和航天器进行各分系统检测和综合模拟试验，验证其技术性能和工作可靠性；为运载火箭和航天器加注推进剂和充增压缩气体，载人飞行时，最后将航天员送入航天器等待发射。3 测控系统准备。主要进行各测控站的设备检测和试验以及各测控站之间的联合调试，使之处于最佳准备状态。这是为了确保发射场和各测控站处于中央指控系统的绝对控制中，减少发射过程中事故出现的概率。4 发射。其主要步骤为，根据发射程序用人工或自动方式依次接通运载火箭和航天器的控制仪器和其他仪器，向运载火箭推进剂箱增压，起动发动机使其进入工作状态，运载火箭随即脱离发射装置起飞，沿发射弹道飞行，最后将航天器送入预定轨道。与此同时，航区测控站、航天测控站对火箭、航天器跟踪，测量火箭弹道参数、航天器轨道参数，并发送遥控指令。对于地球静止卫星轨道和其他需要变换轨道的航天器，航天测控站还要完成航天器轨道转移、姿态调整、远地点发动机启动等测控操作。发射指挥控制中心指挥和控制整个发射过程，根据发射计划网络图的规定协调各项工作，掌握任务的进度和监测运载火箭、航天器和各种地面设备的技术状态，决定和掌握发射时间。点火后延迟一段时间再启动起飞程序，为偶然因素推迟发射留有余地。
（二）机动飞行阶段的原理
1.大气内的飞行火箭发射后，先垂直飞行一段时间，然后第一级火箭发动机与整体分离，火箭进入一抛物曲线轨道飞行。不久后，第二级火箭发动机与卫星分离，卫星靠发动机提供的惯性继续飞行，被抛入外太空。
2.在外太空飞行时的轨道机动卫星进入外太空后，起初是进入一椭圆形轨道，而后依靠自身携带的小火箭，在设定好的程序指令下变轨飞行，逐步进入一圆形轨道，成为绕地球旋转的卫星。
3.卫星轨道卫星围绕地球运行的轨道叫做卫星轨道。卫星轨道所在平面叫做轨道平面。按轨道的不同形式可分为。1 赤道轨道。卫星的轨道平面与赤道平面重合。2 倾斜轨道。卫星的轨道平面与赤道平面有一定的夹角。3 地球静止轨道（同步轨道）。如果卫星在轨道平面内自西向东做圆周运动，而且运行周期恰好为一个地球日，那么卫星与地球呈相对静止状态，由地面上的某点观察卫星时，它是静止不动的。
（三）返回阶段的原理
卫星完成航天任务后即返回地球，需要经过以下四个阶段。
1.离轨阶段在制动火箭的推力作用下，航天器离开原来的轨道。
2.过渡阶段进入大气层以前的被动段。在这一阶段，一般要经过多次轨道修正，以便准确、准时地进入再入走廊。
3.再入阶段从进入大气层到距地面10～20公里处。这一阶段是返回轨道的重点，航天器要经受高温和较大过载的考验。再入段分为弹道式再入、滑翔式再入、跳跃式再入和椭圆轨道衰减式再入四种类型。前三种称为直接再入轨道。1 弹道式再入。航天器进入大气层后沿着单调下降路线返回地面。这种再入技术简单，容易实现，但是空气动力引起的过载较大，落点的精度也比较差。2 滑翔式再入。航天器是一个滑翔体，利用其在大气层中运动时产生的升力控制下降的速度，因而承受的过载大大减小。降落时航向和侧向都可作适当的机动，以提高落点的精度。3 跳跃式再入。航天器进人大气层后依靠升力再次冲出大气层，降低了速度，然后再进入大气层，也可以多次出入大气层，经过多次减速。对于以接近第二宇宙速度进人大气层的航天器，用这种方法可以减小过载，调整落点。4 椭圆轨道衰减式再入。利用大气阻力使轨道逐步衰减，航天器最后落回地面。这种方法难以精确估计着落时间和地点。周期性地穿过地球辐射带也会损害航天员的健康，一般仅作为备用的应急方案。
4.着陆阶段利用降落伞和其他减速装置使航天器安全降落在地球表面。航天器返回轨道的设计是航天器总体设计的一部分。它与防热设计、结构设计、控制系统设计和外形设计都有密切的关系。由于惯性的作用将使卫星在着陆的瞬间承受巨大的过载，因此需要一个回收系统为其减速，保证其安全到达地面，这一系统包括：1 气动力减速分系统。弹道式和半弹道式返回型航天器都用降落伞作为减速装置，一般由二级降落伞组成动力减速分系统。第一级为稳定伞，其作用是保证返回舱的稳定性，并使返回舱初步减速，为主伞开伞创造条件。第二级为主伞，其作用是保证返回舱以一定的速度安全着陆，通常选用阻力效率高、工作可靠、稳定性好和开伞动载较小的环帆伞。主伞一般为单伞。但当回收重量大时也采用多伞系统。由于主伞面积很大，一般都通过伞衣收口实现二次或三次开伞，以减小开伞动载，提高开伞可靠性。2 着陆缓冲系统。为保证返回舱结构的完整和航天员的安全，必须尽可能减小返回舱的着陆冲击过载。常用的缓冲装置有缓冲火箭、缓冲气囊和其他缓冲结构。“联盟”号飞船采用缓冲火箭和航天员座椅上的缓冲结构组成着陆缓冲分系统。对海上溅落的载人飞船，主伞的最终下降速度约为9米/秒，而在返回舱乘主伞下降时调整其悬挂姿态，使返回舱底面的锐边首先着水，利用海水的缓冲作用使返回舱着水冲击过载大为减小，同时辅以航天员座椅上的缓冲结构达到安全溅落目的。3 标位分系统。弹道式返回航天器的落点散布范围一般很大，所以在返回舱上装有多种标位装置，通过光、声、电波等多种途径帮助地勤人员及时标定返回舱的落点位置。标位分系统通常以无线电信标机为主，辅以闪光灯、海水染色剂和水下发声弹等。
