航天飞机是太空望远镜的唯一运载工具，它主要承担望远镜的发射入轨、在轨更换仪器设备与检修以及回收等任务。跟踪和数据中继卫星是位居地球静止轨道的通信卫星，由美国的“挑战”号航天飞机发射入轨，它在太空望远镜系统中承担着信息的中转传输任务，即把望远镜观测得到的数据转发给地面，并把地球站对望远镜的跟踪和遥控信息转发给太空望远镜。太空望远镜系统所需的两颗跟踪和数据中继卫星已由美国的航天飞机于20世纪80年代中、后期发射入轨，分别定位在西经41度和170度赤道上空。这两颗卫星与一个地球测控站组网，能使哈勃太空望远镜在其运行的85％时间与地面保持联系。
美国宇航局哥达德太空飞行中心内的太空望远镜操作控制中心，控制着哈勃太空望远镜环绕地球运行、观测准备和探索宇宙的具体工作。首先要打开望远镜的太阳能电池板，以便为镜上各系统正常工作提供必要的能源。倘若太阳能电池遥控展开失败，则可由航天飞机上的宇航员去用手动摇杆将其打开；如果望远镜由于某种原因不能使用，还可把它重新放回航天飞机货舱，带回地面检修。如果望远镜的各部分工作正常，整个太空望远镜系统就可开始联网运转，太空望远镜可将其观测到的大量信息，源源不断地通过一个跟踪和数据中继卫星适时传输给地球站。
5月20日，哈勃太空望远镜首次睁开它的电子眼观察宇宙，拍摄了具有历史意义的第一张太空照片。
在当天的格林尼治时间15时12分，哈勃太空望远镜运行到新几内亚查亚普拉上空时，广角行星摄像机启动1秒钟，拍摄了首张黑白照片。随后摄像机快门再次启动，曝光30秒，拍摄了第二张照片；第一张照片拍摄的是银河系中的NG3532星团，它距离地球约1260光年，是一个很难区别的星群；第二张拍摄的是太阳，这两张照片先是存储在磁带上，两个多小时后转发到地面。
哈勃太空望远镜的第一批图像经过计算机处理，比原来预料的清晰度高2～3倍；虽然显示有几十个太阳的第二张照片，图像稍微拉长了，但在没有完成望远镜光学系统调焦的情况下，得到这样的照片，其质量比原来预料的还要好。
哈勃太空望远镜的轨运行周期为97分钟，即每隔97分钟绕地球运行一圈，一天之内日出日没达15次，进出地球阴影区15次。
地球静止轨道
地球静止轨道又叫地球静止同步轨道、地球同步转移轨道，是指卫星或人造卫星垂直于地球赤道上方的正圆形地球同步轨道。由于在这个轨道上进行地球环绕运动的卫星或人造卫星始终位于地球表面的同一位置，所以地表上的观察者在任意时刻始终可以在天空的同一个位置观察到它们，并会发现它们在天空中静止不动。
射电望远镜
射电望远镜又称无线电望远镜，它是20世纪40年代才发展起来的新型天文探测工具。射电望远镜与光学望远镜有很大的不同，它既没有大炮式的镜筒，射电望远镜也没有物镜、目镜，它不是靠接受天体的光线，而是靠接受天体发射出来的无线电波，来进行天文观测的。射电天文望远镜的形状与雷达接收装置非常相像。
射电单远镜最显著的优点之一是不受天气条件的限制，不管刮风下雨，无论是白天黑夜，都能进行观测。它的探测能力比普通的光学望远镜要强得多。20世纪60年代天文学上的四大发现——脉冲星、类星体、星际有机分子、微波背景辐射，都是从射电望远镜中观测到的。
为什么射电望远镜能看到光学天文望远镜无法观测到的许多宇宙秘密呢？我们知道，宇宙中的各种天体都能发出不同波长的辐射。而人眼只能看到天体在可见光范围（即波长在040~075微米之间）内的辐射情况，对可见光以外范围（如γ射线、X射线、紫外线、红外线及无线电波等）的辐射情况却视而不见。射电望远镜就是接收和记录各种天体在不同波段上辐射的各种信息，再根据天体物理理论，推算各类天体的有关物理情况，其中某些是光学望远镜难以测定的。有些天体在可见光波段的辐射并不明显，但在无线电波段却有很强的辐射，这时就只有依靠射电望远镜才能进行接收观测。此外，由于宇宙中存在着许多尘埃粒子，它们能挡住我们在可见光波段的视线，但对无线电波的阻挡却较少，因此，射电望远镜能观测到一些光学望远镜无法看到的天体。
射电望远镜实际上就是一套类似收音机、雷达那样的电子装置。它由天线、接收机、校准源以及记录设备等几大部分组成。天线系统的作用类似于光学望远镜中的物镜，用以收集来自天体的无线电波。接收机系统的作用是在预定的频率范围内，把天线接收到的微弱太空信号，从强大的噪声中挑选出来，然后进行放大、记录、显示。记录仪或显示器上描绘出来的图像通常是一些弯弯曲曲的线条，它们正是各种遥远的宇宙天体向我们发来的各种射电信息。
1971年，德国建成了世界上最大的可动式射电望远镜抛物两天线，直径达100米，可以指向太空任何方向，是一座性能优良的天线。1981年8月，美国又在新墨西哥州建成一个世界上最大、最现代化的综合孔径射电望远镜，它有27面直径为25米的天线，放置在臂长为21千米的Y形基线上。
为了突破电离层对射电观测的限制和干扰，科学家们已进行了太空射电观测，并且提出了更大胆的设想：建立起太空规模的射电观测网。到那时，人们将获得更多更新的太空信息。
月球探测器
月球探测器是对月球和近月空间探测的宇宙飞行器。分为无人探测和载人探测两个阶段。迄今，人类已经向月球发射过几十颗探测器，有前苏联的“月球”号系列，美国的“徘徊者”号系列、“月球轨道环行器”系列、“月球勘测者”系列和“阿波罗”载人飞船系列等。首先是进行无人探测，它们各自携带所需的仪器设备，前往月球的周围空间或深入月球本土探测，初步摸清月球的性格和脾气。这些仪器设美国“勘测者”号月球探测器备主要有电视摄像机、无线电通信设备、月岩采集器、月球车等。探测方式有飞近月球拍照，将探测器直接撞击月岩（探测器的仪器工作到碰撞月岩时才中断），绕月拍摄月球背面照片，采用着落月面之前启动探测器上的逆向火箭，使探测器缓慢软着落，软着落后探测器仍然可以继续探测；围绕月球轨道环行，对月球拍摄特写镜头；用采集器采集月岩，分析月球的月质条件；利用月球车对月面进行考察和在月面做科学实验。
经过无人探测打下基础，紧接着开始载人探测。1969年7月16日美国发射的“阿波罗11”号载人飞船登月舱在月面着落，使神话“嫦娥奔月”成为现实，宇航员在月面行走，成为“奔月”的男“嫦娥”。其后，“阿波罗”的另5艘载人飞船登月舱也相继登月成功，详细地揭示了月球表面结构性质、月球表面物质的化学成分和物理性能，并探测了月球的重力、磁场和月震等。人类撩开了月亮女神神秘的面纱，一睹她秀丽的风采。
月球车
月球车是一种能够在月球表面行驶并完成月球探测、考察、收集和分析样品等复杂任务的专用车辆。月球车分为无人驾驶月球车和有人驾驶月球车。无人驾驶月球车由轮式底盘和仪器舱组成，用太阳能电池和蓄电池联合供电，行驶是靠地面遥控指挥。有人驾驶月球车由发动机驱动，靠蓄电池提供动力，有宇航员驾驶操作。
行星探索器——“旅行者”号探测器
“旅行者”号探测器是美国行星和行星际探测器系列之一。它们是一对孪生姐妹，作为地球使者，前往木星、土星、天王星和海王星访问。“旅行者2”号“慢鸟先飞”，于1977年8月20日先行动身，“旅行者1”号是“飞毛腿”，晚半个月启程。它们身重约800千克，主体是一个扁平十面棱柱体，中央有球形推进剂箱，周围安置电子设备，头戴一顶“大草帽”——抛物面天线，左右各伸出一支“手臂”，一长一短，短的是科学仪器支架，长的是磁强计支杆，侧身还挂着3节补充能源用的“食品袋”——同位素电池。携带的科学探测仪器有：为行星和卫星画像留影的电视摄像机，红外光谱计、干涉仪和辐射计，紫外光谱计和偏光计；探测行星际空间环境的宇宙线探测器、低能带电粒子探测器、等离子探测器和磁强计、行星射电天文接收机及其鞭状天线。“旅行者”姐妹俩于1979年3月5日和7月9日先后与行星的“老大”——木星相会。拜访木星时，借助木星的强大引力，给自己“加油”，并改变航向，又于1980年11月13日和1981年8月26日先后到达土星访问。此后，“旅行者1”号便径向太阳系边陲直奔而去，于1988年3月穿越冥王星轨道和1988年11月穿越海王星轨道，首先飞出太阳系而进入宇宙太空。“旅行者2”则在茫茫太空翱翔了整整12年、行程70多亿千米，来到离“边疆”的第二颗行星——海王星访问，并于1990年以148千米每秒的速度携带着给“外星人”的礼物——“地球之音”离开太阳系，去寻找宇宙中的“知音”。
“旅行者2”号飞出太阳系“旅行者1”号距离木星278000千米处越过木星时，信号传输到地球用37分钟，发现木星卫星1上至少有6座火山正以时速1600千米喷发，木星卫星4上的环形山比木星卫星3多，还观测了厚达30千米的木星环和大红斑。1980年11月发回了土星环照片，11月11日靠近土卫6飞行，看到它上空笼罩有至少280千米厚的稠密不透光雾层，温度约为零下181摄氏度，推翻了1944年所认为是甲烷的论点，而证实是氮气。“旅行者2”号于1979年7月9日飞临木星，迫近木星卫星2时发现它地势平坦，无火山口，完全由一层薄冰覆盖。发现木星卫星1有7座火山在爆发。1981年8月26日飞近土星，观测了土星、土星环，发现6颗新土星卫星。到1982年底“旅行者2”号已拍回照片32000幅，后来1986年1月又飞过天王星，1989年8月飞近海王星。
行星探测器——“先驱者”号探测器
“先驱者”号探测器是美国行星和行星际探测器系列之一。1958年10月至1978年8月发射，共13个。用来探测地球与月球之间的空间，金星、木星、土星等行星及其行星际空间。其中“先驱者10、11”号最引人注目。
“先驱者10”号木星之旅“先驱者10、11”号是一对同胞兄弟，相貌相似，体重约260千克，主体都是一个六棱柱，身高24米，最大直径27米。它们个头不算太大，却背负着10多种科学仪器。“兄弟”俩是人类派往访问外行星的第一批使者。“先驱者10”号于1972年3月2日先踏上征途，经过1年又9个月的长途跋涉，穿过危险的小行星带，闯过木星周围的强辐射区，于1973年12月3日与木星相会合。它在距木星13万千米处为这颗行星拍摄了第一张照片，并进行10多项试验和测量，向地球发回第一批木星资料，为揭开木星的奥秘立下头功。在木星巨大引力加速下，直向太阳系“边疆”遁去，于1989年5月24日飞越冥王星轨道，带着给“外星人”礼品——“地球名片”，向银河系漫游而去。
“先驱者11”号于1973年4月6日启程。它以探测土星为主要重任，因此，于1974年12月5日抵达木星附近时，进行礼节性访问后，便直奔庞大的土星家族，1979年8月16日到达，9月7日告别。在22天访问中，测定了土星轨道和总质量；测量了土星的大气、温度、磁场、光环，并对10颗卫星作近距离观测。握别土星后，便从天王星近旁掠过，与“先驱者10”号同于1989年飞离太阳系。
探索外层空间的新标志——人造地球卫星
随着人类科学技术的不断发展，探索太空的能力和手段越来越多，其中人造地球卫星的成功发射，为人类探索太空开创了新纪元。
人造卫星的概念始于1870年。人造地球卫星是指发射到绕地球轨道上作短期或长期运行的人造航天器。其运动服从开普勒行星运动定律，其轨道一般是以地心为焦点的椭圆，特殊情况下是以地心为中心的圆。它离地面的高度根据用度而定，从几百千米到几万千米不等，一般不低于200千米。
1957年10月4日，苏联在拜科努尔发射场发射了世界上第一颗人造地球卫星——“斯普特尼克1”号，首先闯入浩瀚的太空，人类从此进入了利用航天器探索外层空间的新时代。
第一颗人造卫星由镀铬合金制成，重836千克，外表呈圆球形，直径58厘米，轨道远地点为98696千米，近地点为23009千米，每96分钟绕地球一周。卫星载有两部无线电发报机，通过安置在卫星表面的4个天线，发报机不美国制造的第一颗人造地球卫星断地把最简单的信号发射到地面。世界各地许多无线电爱好者当时都接收到了这一来自外空的信号。第一颗人造地球卫星在近地轨道上运行了92个昼夜，绕地球飞行1400圈，总航程6000万千米。