在很长的时间内，人类对自然界的认识全部来自于地球表面进行的生产活动和科学研究的结果。当 1957 年世界上第一颗人造卫星上天后，空间探测很自然地由近及远地进行，从地球自己的卫星——月球开始，进一步便是太阳系的各个行星及其卫星，最后再飞出太阳系，深入到遥远的恒星际空间进行探测。
在将近 1／4 世纪里，美国、原苏联的月球、火星探测计划，一直享有很高的声誉。从发射空间探测器到用自动航天器考察月球和火星，直至把第一名航天员送上月球，航天计划这一系列的惊人创举，十分令人欢欣鼓舞。显然，美国、原苏联在深空探测方面处于优先地位，正是由于这种优先地位，使得这两个国家感到自豪、赢得国际声誉、取得科学成就与技术进步。
深空探测主要包括月球探测、行星探测和行星际探测。对月球和月球以远的天体和空间进行探测的无人探测器，称为空间探测器，也称深空探测器。它对深空探测的主要方式有：从月球或行星近旁飞过，进行近距离观测；成为月球或行星的人造卫星，进行长期的反复观测；在月球或行星表面硬着陆，利用坠毁前的短暂时机进行探测；在月球或行星表面软着陆，进行实地考察，也可将取得的样品送回地球研究。
月球是地球的天然卫星，理应成为空间探测的第一个目标，迄今已发射 63 个探测器和登月载人飞船。
第一批月球探测器有个很朴实的目的：只需获得足够的飞行速度和有效的定向精度，保证它们在飞经月球时能离月球足够近，以便向地球发回重要的探测数据。在航天技术的早期发展阶段，要达到这个目的还是件不容易的事。美国首先试图向月球发射一系列先驱者号探测器，从 1958 年开始发射，前三个都因未达到脱离地球的速度而失败，第四个虽然发射成功，但在时间上已落后于原苏联，而且离月球很远处飞过，未能发回重要信息。1959 年原苏联以拍摄月球背面图象为目标，先后发射了 3 个月球探测器，第一个探测器从月球一侧约 5000 千米处飞过，未发回信息，进入了太阳轨道。第二个探测器命中月球表面，在即将撞击月球表面的瞬间，向地球发回关于月球附近不存在强磁场和辐射带的信息。第三个探测器，从月球以南 7900 千米进入绕月飞行轨道，经过月球背面时拍摄到月球背面 70％过去从来未被人类见到过的区域。地球站接收到约 30 张照片，拼接成一张月球背面图象，记录了人类对月球背面的第一次观察实况。
在原苏联 3 次成功的月球飞行中，都是把 1000 千克重的有效载荷送到月球及其附近，而美国只有一个 6 千克重的探测器是成功的。在这种形势下，美国于 60 年代制定了一项全新计划，目的是研制更大的标准化探测器，对月球和行星进行详细的研究。从 1961 年 8 月～1965 年 3 月共发射了 9 个徘徊者号探测器、重量为 300～370 千克，其上带有电视摄像机、发送和传输装置、γ射线分光计等设备。徘徊者 1～6 号的试验却因故障而失败。徘徊者系列中的 7 号才取得成功，它向地球传送了 4300 多帧电视图象，其中最后的一些图象是在距月面仅 300 米处拍摄的，显示出月球上一些直径小于 1 米的月坑和几块不到 25 厘米宽的岩石。 原苏联自 1963 年重新恢复研究月球探测器以后，首先准备在月面软着陆。由于月球上没有大气层，要降低探测器的飞行速度，唯一的方法是利用反推火箭，这就必需消耗不少推进剂。这些新的月球探测器比以前的更大，重达 1.6 吨。为了达到在月面软着陆的目的，原苏联先后 5 次尝试都未能成功。直至 1966 年 1 月 31 日，月球 9 号终于成为第一个月面软着陆的人造物体。与此同时，美国为阿波罗号飞船登月作软着陆试验准备，选择载人登月着陆点的勘测者号探测器，从 1966 年 5 月至 1968 年 1 月共发射 7 个，其中 2 个失败。勘测者号探测器重 1～1.5 吨，其上的仪器设备比月球 9 号更先进，有电视摄像机、月壤分析仪、微流星探测仪等。有趣的是勘测者 6 号在降至月面后的第 7 天，由地面发出遥控指令使微调发动机工作了 8 秒钟，将探测器从月面升起约 4 米，移动约 2.5 米，后又降落在月面上，对着陆点周围进行了精确的测量。
经过一系列登月考察，已具备了登月的条件，美国除了航天员登上月球外，还将月球车送上了月球。例如，阿波罗 15、16、17 号的航天员都曾驾驶月球车在月面活动采集矿石，利用月球车上的电视摄像机和传输设备，向地球实时发回航天员在月面上活动的前景。
原苏联却采取另一条途径，发射了一系列无人月球探测器，在月球 17 号和 21 号上，还分别携带一辆重约 1.8 吨的月球车在月面上着陆，由地面遥控使其在月面自动行走进行考察，两辆月球车分别行驶了 10.5 千米和 37 千米。至今还有人在想，等到重返月球时，将这些月球车取回送入博物馆收藏。
内行星探测始于 60 年代初。1961 年初原苏联金星 1 号成功地进入太阳轨道，但不幸的是，在按计划飞越金星之前无线电联系中断。美国于 1962 年发射水手 2 号金星探测器，探测器在距金星 35000 千米的地方掠过。它发现金星没有磁场或辐射带。它的一对热敏感辐射计探测表明，金星表面既干燥又焦热，整个金星的表面温度高达 425℃，表面大气压至少是地球海平面大气压的 20 倍。
70 年代开始原苏联和美国的空间探测进入第二阶段。1970 年 12 月
15 日，原苏联金星 7 号探测器首次在金星上软着陆。金星号探测器由轨道舱和着陆舱组成。由于金星的大气密度为地球大气密度的近百倍，这对于用降落伞实现在金星上软着陆十分有利。当探测器的轨道舱与着陆舱分离后，轨道舱修正航向绕金星轨道运行，而着陆舱则在 125 千米高度大约以 10.7 千米／秒的速度进入金星大气，稠密大气的气动加热使着陆舱外部的温度高达 12000℃。当速度下降到 250 米／秒时，弹射出着陆舱的防热罩。随后减速伞张开，约离金星表面 65 千米高度处，主伞被打开，降至 50 千米左右时再抛掉主伞，利用大气阻力减速下降。靠近金星表面时着陆舱速度大约为 6～8 米／秒，着陆舱瞬间依靠缓冲装置吸收冲击载荷，以便于安全着陆。
着陆舱在向金星降落过程中，探测金星大气压力、温度、密度、风 速、照度、云层结构和大气的化学成分，着陆后直接测量金星表面各种参数，并考察了金星表面土壤，完成钻探金星岩层和岩样的化学分析。随后金星 11 号、12 号探测器除测量金星大气的稀有成分外，还研究了银河系的γ射线爆发。1983 年金星 15 号、16 号探测器向地球发回了金星的图象。
1973 年 11 月 3 日美国发射的水手 10 号金星探测器，在距金星 5300 千米处飞过，除对金星探测外，还对水星进行了探测，成为第一个双星探测器。水手 10 号探测器带有粒子探测器、红外辐射计、紫外光度计和 2 架高性能照相机。它发现水星有一球形磁场。其磁场强度为地球的 1％，还探测出水星极稀薄的大气中含有微量的氦、氩、氖，测量出水星的表面温度为 510—210℃。水手 10 号还发现了水星的环形山和类似地球内核的铁核，其直径约为 1600 千米。
人类对火星上可能存在生命一直抱有希望，自 1962 年以来，迄今美国和原苏联共发射了 15 个火星探测器。原苏联于 1962 年 11 月 1 日发射火星 1 号探测器，它首次实现了与地球的远距离通信。1971 年 5 月 19 日和 28 日，又分别发射火星 2 号和 3 号探测器，重量均为 4650 千克。火星 2 号在 11 月 27 日分离出着陆舱，落到火星表面，轨道舱则进入绕火星飞行的轨道，成为人造火星卫星。火星 3 号的着陆舱于 12 月 2 日完成了航天史上第一次在火星南半球表面的软着陆。火星 3 号轨道舱在绕火星轨道运行期间，把着陆舱发送的信息和图象转送到地球。
美国亦于 1975 年 8 月 20 日和 9 月 9 日分别发射了海盗 1 号、2 号火星探测器。它们的主要任务是探测火星上有无生命存在，同时勘测火星地貌，研究火星大气和地震活动，借以研究地球与太阳系的演变。该探测器由 2.3 吨重的轨道舱和 1.1 吨重的着陆舱组成。着陆舱在火星上着陆后，探测结果表明火星上没有任何生物存在的迹象，也未测出火星上有任何有机分子。
外行星探测是从 70 年代初开始的，它比内行星探测的距离远得多，探测飞行时间长达数年，必须有大功率无线电发射机和大的发射天线，才能使发回的信号在到达地球表面时仍有一定的强度。由于在离太阳遥远的空间已不可能利用太阳电池，只能用核电源。1972 年 3 月美国发射了先驱者 10 号探测器，其上装有 2.7 米直径的抛物面天线，并对地面定向，用 8 瓦功率发射机向地面深空跟踪网传输信号。1973 年 12 月先驱者 10 号飞近木星，行程 10 亿千米，向地球发回 300 帧木星照片。随后利用木星引力场加速飞向土星，又借助土星引力场加速，越过冥王星，成为第一个飞出太阳系的航天器。
旅行者号探测器，是美国行星和行星际探测系统。旅行者 1 号、2号分别于 1977 年 8 月和 9 月发射，它们的任务是详细观测木星、木星卫星、土星、土星卫星和土星环。探测器为环状十边形结构，装有直径 3.7 米的大型高增益天线，对地球定向。发射重量 2016 千克，到达木星时为 792 千克，能自旋稳定，有一根 13 米长的可伸缩杆，端部安装 2 台磁强 计。采用放射性同位素热电发生器做电源，探测器本身由计算机控制，还带有 2 台电视摄像机。旅行者号探测器于 1979 年在距离木星 278000 千米处越过木星，观测到厚约 30 千米的木星环和大红斑（木星大气中的旋涡或气流）。1981 年飞近土星，观测了土星、土星环，发现 6 颗新土星卫星。1986 年旅行者号探测器距天王星表面只有 107080 千米处掠过，发现天王星大气中氦的含量为 10％～15％，其余是氢。大气中有风暴云，但没有大气旋涡。高层大气温度很高，在南极上空达 1800℃，而北极则高达 2400℃，还发现了天王星的 10 颗卫星。旅行者号探测器经过 12 年的长途跋涉，终于到达它的最后一个探测目标，从距海王星 4800 千米的最近点飞过海王星，先后共发回 6000 多帧照片。这是人类第一次与地球相距大约 72 亿千米处，接收来自另一颗遥远行星的照片。由于与地球的距离太远，信号从海王星发回地球，即使以每秒 30 万千米的光速传输，也要花 4 小时 06 分钟时间。1989 年 8 月 25 日，当它抵达距海王星最近点之后 4 分钟，旅行者号探测器将所拍的图象发回地球，地面收到这些实拍图象时正好是晚上 9 点的黄金时间，千千万万名电视观众坐在家中欣赏到了海王星及其 8 颗卫星和 5 条光环的生动画面。如今，旅行者号探测器已携带着“地球之音”，离开太阳系，飞向茫茫宇宙。
人类最早产生太空飞行理想的年代已难以查证，但有效的航天活动只是 20 世纪近 40 年的事。在不到半个世纪的时间里，航天事业取得了巨大成就，它极大地丰富了人类的知识宝库，改变了过去基于地面所形成的许多传统观念，进而把人类视野伸展到宇宙新的深处。人类所要征服的对象——宇宙是无穷尽的，目前飞向太空仅仅是迈出雄伟的一步。航天技术的成就已为人类提供了新的契机，即将来临的 21 世纪，将使人类获得开发太空的自由。