基本結構
探空火箭結構
探空火箭是用于将科學儀器以抛物線軌迹送入地球大氣層的上部區域，使其進入近地空間的一種火箭。
探空基本結構火箭包括箭體結構、動力裝置、穩定尾翼等。大多數探空火箭為單級或兩級火箭，也有為3級、4級的。動力裝置通常用固體火箭發動機，可以簡化和縮短發射操作時間。探空火箭對火箭姿态和飛行彈道的要求不象導彈和運載火箭那樣嚴格，一般不設控制系統，僅靠穩定尾翼或火箭繞縱軸旋轉來保證飛行穩定。需要精确定位和定向時才設置控制系統。除探測火箭基本結構外，探空火箭系統還包括有效載荷、發射裝置和地面台站等:
(1)有效載荷大多裝在箭頭的儀器艙内。儀器艙的直徑有時可大于箭體直徑。有效載荷采集到的信息通過遙測裝置發送到地面台站接收處理，或者在火箭下降過程中将有效載荷從火箭内彈射出來，利用降落傘等氣動減速裝置安全降落到地面回收。有效載荷的重量和尺寸取決于探測要求，一般為幾公斤到幾百公斤，最大可達幾噸。
(2)發射裝置通常用導軌和塔式發射架，使火箭獲得足夠大的出架速度。無控制火箭的飛行彈道受風的影響較大，為了保證達到預定的高度和減小彈道散布，探空火箭發射時尚需根據發射場的高空風資料采用風補償技術來調整和确定發射角度。大多數探空火箭從地面以接近垂直狀态發射，也有從移動式發射車發射的，根據需要還可從艦船或升在空中的氣球上發射。
(3)地面台站主要包括接收測量信息的地面接收設備、跟蹤火箭的定位測速設備(如雷達)和電子計算機等。雷達跟蹤方式有反射式和應答式兩種，應答式比反射式的跟蹤距離更大。地面接收設備接收的遙測數據直接輸入電子計算機處理，實時給出探測結果。
運載火箭結構
無論固體運載火箭還是液體運載火箭，無論單級運載火箭還是多級運載火箭，其主要的組成部分均包括結構系統（又稱箭體結構）、動力裝置系統（又稱推進系統）和控制系統。這三大系統稱為運載火箭的主系統，主系統的可靠與否，将直接影響運載火箭飛行的成敗。此外，運載火箭上還有一些不直接影響飛行成敗并由箭上設備與地面設備共同組成的系統，例如遙測系統、外彈道測量系統、安全系統和瞄準系統等。其中：
1）箭體結構是運載火箭的基體，它用來維持火箭的外形，承受火箭在地面運輸、發射操作和在飛行中作用載火箭上的各種載荷，安裝連接火箭各系統的所有儀器、設備，把箭上所有系統、組件連接組合成一個整體。
2）動力裝置系統是推動運載火箭飛行并獲得一定速度的裝置。對液體火箭來說，動力裝置系統由推進劑輸送、增壓系統和液體火箭發動機兩大部分組成。固體火箭的動力裝置系統較為簡單，它的主要部分就是固體火箭發動機，推進劑直接裝在發動機的燃燒室殼體内。
3）控制系統是用來控制運載火箭沿預定軌道正常、可靠飛行的部分。控制系統由制導和導航系統、姿态控制系統、電源供配電和時序控制系統三大部分組成。制導和導航系統的功用是控制運載火箭按預定的軌道運動，把有效載荷送到預定的空間位置并使之準确進入軌道。姿态控制系統（又稱姿态穩定系統）的功用是糾正運載火箭飛行中的俯仰、偏航、滾動誤差，使之保持正确的飛行姿态。電源供配電和時序控制系統則按預定飛行時序實施供配電控制。
4）遙測系統的功用是把運載火箭飛行中各系統的工作參數及環境參數測量下來，通過運載火箭上的無線電發射機将這些參數送回地面，由地面接收機接收；亦可将測量所得的參數記錄在運載火箭上的磁記錄器上，在地面回收磁記錄器。這些測量參數既可用來預報航天器入軌時的軌道參數，又可用來鑒定和改進運載火箭的性能。一旦運載火箭在飛行中出現故障，這些參數就是故障分析的依據。
5）外彈道測量系統的功用是利用地面的光學和無線電設備與裝在運載火箭上的對應裝置一起對飛行中的運載火箭進行跟蹤，并測量其飛行參數，用來預報航天器入軌時的軌道參數，也可用來作為鑒定制導系統的精度和故障分析的依據。
6）安全系統的功用是當運載火箭在飛行中一旦出現故障不能繼續飛行時，将其在空中炸毀，避免運載火箭墜落時給地面造成災難性的危害。安全系統包括運載火箭上的自毀系統和地面的無線電安全系統兩部分。
箭上的自毀系統由測量裝置、計算機和爆炸裝置（炸藥筒）組成。當運載火箭的飛行姿态、飛行速度超出允許的範圍時，計算機發出引爆爆炸裝置的指令，使運載火箭在空中自毀。無線電安全系統則是由地面雷達測量運載火箭的飛行軌道，當運載火箭的飛行超出預先規定的安全範圍時，從地面發出引爆箭上爆炸裝置的指令，由箭上的接收機接收後将火箭在空中炸毀。
7）瞄準系統的功用是給運載火箭在發射前進行初始方位定向。瞄準系統由地面瞄準設備和運載火箭上的瞄準設備共同組成。
發展曆程
火箭是中國古代的重大發明之一。公元969年，中國已經發明了火藥（火藥是在唐朝發明的）。
北宋軍官嶽義方、馮繼升造出了世界上第一個以火藥為動力的飛行兵器--火箭。這種火箭由箭身和藥筒組成。藥筒用竹、厚紙制成，内充火藥，前端封死，後端引出導火繩，點燃後，火藥燃燒産生的氣體向後噴出，以氣體的反作用力把火箭推向前，飛行中殺傷敵兵。一種最早的原始火箭在工作原理上與現代火箭沒有什麼不同。
公元12世紀中葉，原始的火箭經過改進後，廣泛地用于戰争。如公元1161年宋軍與金兵的“采石之戰”中所使用的“霹靂炮”，其實就是一種火箭兵器。當時在中國民間廣為流行的能高飛的“火流星”（亦稱“起火”），實際就是世界上第一種觀賞性火箭。
元、明之後，即公元13世紀以後，中國的火箭兵器在戰争中有了很大發展，并發明了許多與現代火箭類型相近的火箭形式。
中國是火箭誕生的故鄉。在中國科學技術館的“中國古代傳統技術”展廳裡，就展出着“火龍出水”、“神火飛鴉”和“一窩蜂”等中國古代火箭的複原模型，它們充分展現了古代中國人民的傑出智慧和卓越才能。
中國古代還曾有過火箭載人飛行的嘗試。據史書記載，14世紀末，明朝一勇敢者萬戶坐在裝有47個當時最大的火箭的椅子上，雙手各持一大風筝，試圖借助火箭的推力和風筝的升力實現飛行的夢想。盡管這次試驗是一次失敗的悲劇，但萬戶被公認是嘗試利用火箭飛行的世界第一人。為了紀念萬戶，月球上的一個環形山以萬戶的名字命名。
13世紀中葉，蒙古人入侵中亞、西亞和歐洲，阿拉伯人侵略西班牙，他們把中國的火箭技術傳入了歐洲及世界其它地區。到了這時，德意志的艾伯特斯·麥格諾才在歐洲首次記述了關于制作火箭的技術。歐洲人最早使用火箭兵器，是在1379年意大利的帕多亞戰争和1380年的威尼斯之戰中。
近代将火箭用于戰争開始于英國人康格列夫。1807年英軍圍攻丹麥的哥本哈根，發射了康格列夫制造的火箭，燒毀了城内的大部分建築，使城市一半化為平地。據說在滑鐵盧與拿破侖大戰中英軍也使用了這種火箭。
使用火箭進行宇宙航行，俄國的齊奧爾科夫是理論上的奠基人。他首次說明了火箭推進的理論，奠定了日後研制遠程火箭的基礎。
1957年10月4日，前蘇聯發射了人類第一顆人造衛星"史普尼克"。幾個月後，1958年1月31日，美國也成功的發射了人造地球衛星"探險者"1号。1961年4月12日，蘇聯成功地發射了世界上第一個載人宇宙飛船，加加林成為世界上第一名宇航員。此後，美國人格倫也乘飛船完成了繞地球軌道的飛行。這些重大的宇宙飛行都是以火箭技術的發展為前提的。
運作原理
推進原理
看似複雜的火箭，原理其實非常簡單，早在17世紀，牛頓就很清晰地進行了描述：如果以一定速度向後抛出一定質量，就會受到一個反作用力的推動，向前加速。簡單的火箭甚至早在牛頓提出這一原理前幾百年就在中國被發明出來，并得到了應用，包括軍用的火藥箭和節日慶典的煙花。
火箭向後抛出一定質量是靠火箭發動機來完成的。火箭發動機點火以後，推進劑（液體的或固體的燃料和氧化劑）在發動機燃燒室裡燃燒，産生大量高壓氣體；高壓氣體從發動機噴管高速噴出，對火箭産生的反作用力，使火箭沿氣體噴射的反方向前進。固體推進劑是從底層向頂層或從内層向外層快速燃燒的，而液體推進劑是用高壓氣體對燃料與氧化劑貯箱增壓，然後用渦輪泵将燃料與氧化劑進一步增壓并輸送進燃燒室。推進劑的化學能在發動機内轉化為燃氣的動能，形成高速氣流噴出，産生推力。
火藥曾經是原始的火箭推進劑，目前戰術型火箭或較小導彈大多采用火藥推進劑。人們習慣性把這樣的固體燃料叫做“單元推進劑”。需要燃燒劑加氧化劑的燃料被稱為：“二元推進劑”。組合使用液體和固體燃料推進劑的稱為混合推進劑。使用混合推進劑的火箭發動機比沖和體積比沖介于液體和固體火箭推進劑之間。
1950年代美國研制成功氧化氫和聚乙烯作為火箭發動機的混合推進劑。1964年法國首先發射成功采用混合推進劑為動力的氣象火箭。我國“長征一号D”運載火箭第一級、第二級用液體燃料火箭發動機，第三級用固體燃料火箭發動機。也是采用混合推進劑。
選擇推進劑所需要考慮的因素很多，如要求高的化學能焓、低分子量的燃燒産物。比熱大、導熱率高。飽和蒸汽氣壓低，化學穩定性好，比重大、無毒、無腐蝕性等。一種推進劑不可能完全具備以上的這些性能，因此不斷研究新燃料是開發空間航行的首要任務。
使用核能燃料的火箭發動機的比沖量高、壽命長。但技術複雜，隻适用長期工作的航天器及運載火箭的高能末級。1986年前蘇聯已在和平号空間站應用核動力發動機。核燃料的危害性是放射性污染環境。
發射方式
目前火箭發射有三種方式：一是地面發射，二是空中發射，三是海上發射。
早期，運送有效載荷的火箭都是從地面發射場發射的。地面發射場受地理位置的制約，限制了有效載荷的發射範圍，難以滿足各種有效載荷的需求，于是出現了從空中發射和從海上平台發射火箭的方式。
從空中發射火箭是用飛機将火箭運送到高空後，再釋放火箭，火箭在空中點火飛向預定軌道。采用這種發射方式，飛機可以在不同地點的機場起飛，從空中任何地點發射，它不受地理位置的限制。這樣，不僅增加了發射窗口，而且還會擴大軌道傾角的範圍，因而具有很大的機動性。載機相當于火箭的基礎級，能提高火箭本身的運載能力，同樣火箭從空中發射比從地面發射，其運載能力幾乎可以提高一倍。
與地面發射場相比，從海上平台發射火箭同樣具有多種優勢。首先，可以靈活選擇發射地點，當選擇在赤道附近海域發射時，能充分借助地球的自轉速度，提高火箭的運載能力；其次，周圍沒有居民點，火箭落區的選擇範圍較大，從而可使多級火箭的設計更加優化，進一步提高火箭的運載能力。
發射前準備
與運載火箭的研制一樣，運載火箭的發射同樣是一項綜合性的系統工程。它涉及的面很廣，包括運載火箭的檢查、測試、轉運、加注推進劑、發射程序與數據的計算和裝訂、點火發射、跟蹤測量、安全控制、指揮通信、地面勤務保障等多方面的工作。
運載火箭首先進入技術準備區的專用廠房。在這裡先對箭上的儀器設備進行單元測試，即對儀器設備單獨進行測試，檢查其性能和精确測量其參數。單元測試合格後進行分系統測試，它是在系統處于工作狀态下，對系統内各儀器設備工作的協調性和功能進行檢查，并測量其工作參數。接下來各分系統之間進行匹配測試，檢查系統之間工作是否協調匹配。
最後進行箭上所有系統都參加的總檢查，總檢查一般要進行多次，以模拟各種飛行狀态來驗證運載火箭全系統的技術性能和可靠性，并使火箭達到符合發射狀态的要求。總檢查之後，開始在運載火箭上安裝各種火工品和火工裝置，并準備轉場。
在運載火箭進行技術測試的同時，發射場内的測控系統要進行設備聯試。先是進行場内設備聯試，然後再與分布在各地的測控站設備聯試。與此同時，地面勤務保障部門對發射設備、加注設備進行調試；氣象保障部門開通氣象情報網和天氣會商網，啟動氣象測量雷達，開始進行天氣的長、中、短期預報。
當運載火箭在技術準備區經檢查測試達到可以進行發射的狀态後，即可轉運到發射區。發射區内有發射台、勤務塔和臍帶塔等主要發射設施。運載火箭分級運至發射區後，由勤務塔上的吊裝設備對運載火箭分級吊裝、對接和總裝，并将其豎立在發射台上。随後在豎立狀态下對運載火箭再一次進行分系統測試、系統間性能匹配測試、總檢查和發射演練等。在發射區測試的内容要比在技術區的測試簡化。
在檢查測試工作結束後，就可向運載火箭加注推進劑，并進行瞄準定位。與此同時，地面勤務保障部門要進行推進劑化驗，确定推進劑的加注參數；氣象部門要提供臨發射前發射場區的天氣情況及發射場區上空的高空風場等情況，以及火箭飛行經過地區的氣象情況。
發射程序
當一切準備工作基本結束之後，發射工作便可進入倒計時階段。倒計時階段開始時，由指揮中心向發射場、火箭飛行過程中箭體分離後的落區、分布在各地的測控站、遠洋測量艦隊和有關部門統一發布口令。各部門、各單位接到口令後，根據時間統一勤務系統提供的統一時鐘各自進入臨射前的工作程序。
一般運載火箭的倒計時從由發射窗口确定的發射時間前1個小時開始，叫做1小時準備。然後是30分鐘準備、15分鐘準備、5分鐘準備、1分鐘準備，最後是從10開始倒數至1，運載火箭點火起飛。采用低溫推進劑的運載火箭，由于低溫推進劑極易蒸發，必須嚴格控制推進劑加注後的時間，因此常提前到離發射時間4-7小時就開始進入倒計時階段。
發射工作進入1小時準備後，發射場的各項工作均按時間程序由地面測試發射控制設備來操作，它可以是半自動的，也可以是全自動的。
在這段時間的準備過程中，主要的工作有：對箭上系統通電以進行射前功能檢查，對火箭裝訂飛行程序和數據，進行精确瞄準，對推進劑貯箱進行增壓，對采用低溫推進劑的火箭補加推進劑，氣路連接器、加注連接器自動脫開，遙測系統、外測系統的連接插頭自動脫落。到1分鐘準備時，箭上系統由地面供電轉為由箭上電池供電，經10秒鐘自檢正常後，電纜連接器自動脫落，電纜擺杆離開運載火箭擺到預定位置。
這時運載火箭除底部隻有一個經脫拔插頭連接的電纜尚與地面連接外，其他一切與地面連接的插頭均已完全脫開。射前30秒鐘，發射場的測控系統與各地測控跟蹤站開始啟動；射前7秒鐘，發射台周圍的高速攝影機開拍，開始記錄火箭點火起飛的實況；到0秒時火箭點火。當火箭離開發射台時，底部唯一尚連接着的電纜脫拔插頭被拉脫，火箭與地面的有線控制完全中斷。但如果在火箭點火尚未離開發射台前，發現火箭發動機工作不正常，地面可通過這根電纜對火箭實施緊急關機。
火箭起飛後，在控制系統的控制下，分别完成程序轉彎、助推器脫落、上面級火箭的點火與關機、級間分離和整流罩分離等；當火箭到達入軌點時，有效載荷與火箭分離、進入預定軌道運行，這時，運載火箭的發射工作完滿結束。
主要分類
按級數
按級數來分，可分為單級火箭、多級火箭兩種類型。由于單級火箭在實際應用上很難實現宇宙飛行所必需的宇宙速度，因此需要采用多級火箭來解決這一問題。多級火箭的一子級在發射點火後就開始工作，工作結束後與整個火箭分離，再由二子級繼續将有效載荷推向太空，以此類推，直至把有效載荷送入預定軌道。多級火箭一般由2-4級組成，有串聯、并聯和串-并聯三種聯接方式。
按動力能源
按動力能源分為化學能火箭、電能火箭、核能火箭、太陽能火箭及光子火箭等。目前最常用的是化學能火箭，它又分為液體推進劑火箭、固體推進劑火箭和固-液混合推進劑火箭。作為新能源火箭的代表，核能火箭的優點是其發動機比沖比化學能火箭的高，而推進劑隻有一種，簡化了火箭結構，适合執行長時間任務或星際任務。
按用途
按用途分為探空火箭和運載火箭。探空火箭指在近太空進行探測、科學試驗的火箭，一般不設控制系統，是30～200千米高空的有效探測工具。探空火箭還可按研究對象或用途分翔如地球物理火箭、氣象火箭、生物火箭、技術試驗火箭和防雹火箭等。運載火箭又分為衛星運載火箭和載人運載火箭。
按控制形式
按控制形式分為有控火箭和無控火箭。
按運載能力
按運載能力分為小型火箭、中型火箭、大型火箭和重型火箭。
按軌道
按軌道分為近地軌道火箭、太陽同步軌道火箭、地球同步軌道火箭及月球軌道火箭等。
按可否重複使用
按可否重複使用分為一次性使用火箭、部分重複使用火箭和完全重複使用火箭等。
國際發展
美國
美國從事火箭探空研究的主要機構有：美國國家航空航天局（NASA）、陸海空軍、能源研究與發展委員會（ERDA）和大學等單位。據統計，1959-1976年NASA在全球37個發射場（國内24個）發射探空火箭30種1912枚。
其中，1968年發射175枚，20世紀70年代中期後，每年發射70-80枚，近年來發射數量仍據世界之首。對于微重力火箭發展有兩次重要的火箭發射任務。1971年10月NASA發射了“空蜂”170A，首次利用探空火箭進行了空間材料加工實驗嘗試；1972年1月再次發射“黑雁”5C火箭進行金屬熔煉實驗。這兩枚火箭的發射，證實了利用探空火箭進行微重力科學實驗是一條可行的技術途徑，揭開了微重力火箭研制和應用的序幕。
20世紀70年代初美國開始利用探空火箭進行空間材料加工實驗。NASA于1974年初制定空間材料加工應用火箭（SPAR）計劃，這是世界上第一個微重力火箭研究應用計劃。從1975年12月至1981年1月，NASA共發射9枚SPAR火箭，其中6枚成功，2枚失敗，1枚局部成功，共進行了49項空間材料科學和加工的實驗研究。随着1989年3月“夥伴”1号火箭首次成功發射，NASA決定20世紀90年代根據需要每年發射2-4枚類似火箭，其中大部分為生物技術實驗，其他為空間材料科學和加工實驗。
NASA著名的火箭探空項目NSROC（NASA SoundingRocket Operations Contract）從1999年開始實施，為其火箭探空研究提供了完整的前期計劃、設計、開發、集成、測試、發射和後期分析等工作。NSROC于2000年8月達到ISO9000标準，平均每年發射約20次，涵蓋了不同的探測高度和科學應用範圍。
日本
日本在火箭探空方面進行了非常廣泛的研究，在大氣科學、電離層、太陽物理、天體物理以及大氣氣候和預報方面取得了許多科學成果，并與美、英、法、西德等合作完成了多種類型的火箭實驗，進行了獨具特色的赤道區高層大氣、電離層和天文學的探測研究。
1977年日本宇宙開發事業團（NASDA）制定了TT-500A微重力火箭計劃。1980年9月至1983年8月共發射了6枚，均用于空間材料加工實驗，有19台設備進行了飛行實驗，隻有約一半的設備獲得實驗結果。20世紀80年代後期，NASDA重新制定了微重力火箭研究計劃，命名為TR-1A的微重力火箭于1991年9月首次發射成功，搭載了5種用于空間材料科學研究和加工的實驗裝置。
之後，又制定了繼續發射3枚TR-1A微重力火箭計劃。2003年10月，為了提高日本的空間研究水平，日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）重組完成，所屬ISAS繼續用探空火箭等獨特的手段提高空間科學研究水平。JAXA目前使用的探空火箭系列有S-310、S-52和SS-520。
歐洲
歐洲空間局（ESA）将微重力科學實驗研究作為主要任務之一，制定了全面的發展研究計劃，包括用探空火箭進行微重力實驗研究，1990-1996年間，每年發射1枚長時間探空火箭，4枚短時間探空火箭。
在德國政府2001年5月批準的新航天計劃中，用于微重力實驗的探空火箭為其重要的組成部分。德國的兩種朗缪爾探針設備分别于2002年和2003年搭載NASA的探空火箭上天。探空火箭是德國空間項目中的重要工具，主要涉及空間科學、對地觀測、微重力研究和返回技術。2004年10月23日，德國宇航中心（DLR）研制的VSB-30型火箭試飛成功，它标志着歐洲微重力探空火箭計劃的複興。
中國
火箭探空是中國發展航天事業的起步項目之一。中國于1958年開始發展火箭探空事業，在著名科學家錢學森、趙九章、楊南生、王希季等倡導和領導下創建了火箭探空事業。
在研制發射了多種型号的試驗研究、試驗性探空火箭的基礎上，中國的第一枚探空火箭于1960年9月首次發射。中國最早開展研究和利用的探空火箭是用于氣象探測的氣象火箭，研制并發射了多種氣象火箭，在20世紀發射的約260枚探空火箭中有半數以上為氣象火箭，用于中層大氣（海拔20～80公裡）的大氣溫度、壓力、密度、風速和風向等氣象要素的探測，在氣象火箭的研究和應用中取得了豐碩的成果。另有一些取樣火箭、生物火箭和試驗火箭。
2008年開始的國家大科學工程“子午工程”的建設由中國科學院牽頭，其中由空間中心負責建設實施的探空火箭系統的建設目标是進行海南火箭發射場的改造建設，以适應新的體制和新的探空技術要求，将為火箭探空事業的發展提供有利支撐，是重振中國火箭探空事業的重要一步。“子午工程”的探空火箭系統主要由探空運載火箭、有效載荷艙、地面遙測系統、地面數據處理系統和地面發射支持保障系統組成。
其目标是在海南建成探空火箭探測和地面聯合監測大氣和電離層參數的綜合探測系統。聯合觀測時，探空火箭上的探測設備、電離層觀測設備和大氣觀測設備等同步工作，其目的是獲取全面的200公裡以下的空間環境資料，同時進行各個空間層次的耦合效應及應用研究，以期發現新的物理機制和規律。
2019年8月，我國完成了火箭殘骸的精準控制，落在了設定的落區範圍内。這次技術驗證的成功，标志着我國成為繼美國之後的第二個掌握這項技術的國家。這次驗證技術的成功，栅格舵發揮了重要作用，通過它們可以控制回收時的姿态，确保火箭殘骸能夠落在設定的區域。此次技術的驗證成功，則可以免去落區居民疏散問題，也為我國運載火箭後續助推器及子級的可控回收、軟着陸、重複使用等技術奠定堅實基礎。
