Una nau espacial (també anomenada vehicle espacial o astronau) és un vehicle dissenyat per viatjar més enllà de l'atmosfera terrestre, a l'espai. Les naus espacials poden ser robòtiques o bé vehicles tripulats. El terme també s'utilitza per a descriure satèl·lits artificials amb criteris de disseny similars.
El terme astronau s'aplica només a les naus que poden transportar persones. Als vestits espacials també se'ls pot anomenar naus espacials en miniatura, amb èmfasi en el seu propòsit de mantenir al seu portador en vida mentre travessa el buit de l'espai exterior.
La nau espacial és un dels elements primaris de la ciència-ficció en moltíssims contes i novel·les. Alguns llibres de ciència-ficció dura s'enfoquen en detalls concernents les naus, mentre que uns altres consideren que les naus espacials ja existeixen i no tracten gairebé gens sobre com funcionen.
Tipus de naus espacials Nau espacial robòtica: és una nau espacial sense humans a bord que sol estar sota control telerobòtic. Una nau espacial robòtica dissenyada per obtenir mesures d'investigació científica sol denominar-se una sonda espacial. La majoria de les missions espacials són per telerobòtica a causa dels factors de baix cost i baix risc. Satèl·lit artificial o orbitador: és un artefacte llançat a l'espai que, gràcies a la velocitat, és capaç de mantenir-se en una òrbita estable al voltant de la terra o un altre cos celeste sense precipitar-se contra la superfície d'aquest. Pot estar sota control telemàtic o ser habitada amb usos diversos, en aquest cas es parla d'estació espacial. Aquesta es distingeix dels vehicles espacials tripulats perquè no és un mitjà de transport, sinó un habitacle. Coet: és un grup autònom propulsat per la força de reacció creada mitjançant l'ejecció de massa. És l'únic giny per posar objectes en òrbita fora de l'atmosfera terrestre. Càpsula espacial: és una nau espacial sovint destinada perquè sigui tripulada, que té una forma senzilla per a la secció principal, sense ales o altres característiques per a facilitar la reentrada atmosfèrica. Transbordador o llançadora espacial: era el vehicle espacial utilitzat durant trenta anys pel govern dels Estats Units d'Amèrica per a les missions tripulades a l'espai, i va ser retirat de servei el 2011. Avió espacial: és una aeronau dissenyada per volar a altituds extremes a l'espai i tornar a la Terra. Combina algunes de les característiques d'una aeronau i parts d'un vehicle espacial.
Història Antecedents Els orígens de la tecnologia necessària per enlairar un enginy a l'espai exterior es troben en la utilització de coets com una arma ja durant el . Els primers a teoritzar i dissenyar coets de combustible líquid capaços d'arribar a l'espai extraterrestre van ser un rus, Konstantín Tsiolkovski, el 1880 i un nord-americà, Robert Goddard, el 1926.
El 1929, l'oficial eslovè Hermann Noordung va ser el primer en imaginar una estació espacial completa en el seu llibre The Problem of Space Travel (el problema del viatge espacial).The Story of Manned Space Stations, 2007, per Philip Baker, SpringerLink p.2
Els govern nazi alemany va ser el primer, l'any 1942 que va enlairar coets i utilitzar-los com a míssils (V2) contra els aliats. Es va convertir en el primer objecte espacial artificial quan un d'ells va arribar a una altitud de 189 km al juny de 1944 a Peenemünde, Alemanya.Peenemünde (Dokumentation) Berlín: Moewig, 1984. No obstant això, els V-2 només atenyien aquesta altitud en l'apogeu de la trajectòria balística, sense intenció ni possibilitat de romandre-hi i molt menys d'entrar en òrbita. Wernher von Braun era l'enginyer i director tècnic del centre experimental de coets de Peenemünde. Després de la guerra va ser incorporat, juntament amb altres científics alemanyes en el programa científic nord-americà dins l'anomenada Operació Paperclip.
Des de 1947, els soviètics van llançar coets V-2 suborbitals i una variant pròpia, el R-1, inclosos els experiments amb radiació i animals en alguns vols. Aquests experiments suborbitals només permetien un temps molt curt en l'espai, el que en limitava la utilitat.
França va començar al final dels anys 1940 per estudiar els V2. S'hi va llançar el març de 1949 el programa de coets sonda Véronique, dissenyat per estudiar l'atmosfera superior. Aquests coets van ser llançats des de diversos llocs, com a Suippes per al primer llançament el 31 de juliol de 1950, llavors a Vernon el 5 d'agost, Le Cardonnet, i finalment a Hammaguir a Algèria. El 1951, la versió simplificada del coet, la R (de reduït) era capaç d'arribar a uns 1800 metres d'altitud. La següent versió, la N (per normal), més gros, va experimentar algunes dificultats, però va poder arribar a 70 quilòmetres d'altitud el 22 de maig de 1952. L'última versió, la NAA (per normal allargada) va assolir 135 quilòmetres d'altitud, el 21 de febrer de 1954, tot i els pocs problemes de llançament, els problemes econòmics a causa de la Guerra d'Indoxina, es va fer suspendre el programa.
El juliol del 1950, el primer coet Bumper va ser llançat des de Cap Canaveral, Florida. El Bumper era un coet de dos trams que comprèn un míssil V-2 com la base d'un coet WAC Corporal. Podria arribar l'altitud llavors rècord de gairebé 400 km.
Inici de la cursa espacial
miniatura|L'Spútnik 1, primer satèl·lit artificial en òrbita de la Terra, entre 939 i 215 km d'altitud el 1957, i aviat va ser seguit per l'Spútnik 2. A la Unió Soviètica l'homòleg a Von Braun era l'enginyer en cap Serguei Koroliov, responsable del llançament del primer satèl·lit artificial, l'Sputnik 1, i dissenyador del programa per portar cosmonautes a la lluna. L'Sputnik 1 va ser la primera nau espacial veritable creada per l'espècie humana perquè tenia la capacitat d'entrar en òrbita i romandre-hi. Va ser llançat en una òrbita el·líptica des el 4 d'octubre de 1957, donant lloc a nous desenvolupaments polítics, militars, tecnològics i científics, i marcant l'inici de l'Era Espacial.
Aquest succés va portar a una escalada del programa espacial dels Estats Units, que dos mesos més tard, va intentar infructuosament de llançar en òrbita el Vanguard 1. El 31 de gener de 1958, els Estats Units van reeixir llançar l'Explorer 1, a bord d'un coet Juno. No obstant això, la gossa Laika (Unió Soviètica) va ser el primer ésser viu en òrbita, el 3 de novembre de 1957 en l'Sputnik 2. L'Sputnik 3 va ser llançat el 15 de maig de 1958 i va portar una gran varietat d'instruments per a la investigació geofísica. Va proporcionar dades sobre la pressió i la composició de l'atmosfera superior, la concentració de partícules carregades, els fotons i els nuclis pesants en raigs còsmics, camps magnètics i electroestàtics i partícules meteòriques.
El primer objecte artificial a arribar a un altre cos celeste va ser Luna 2, del programa espacial soviètic, el 1959. La Luna 9 va fer el primer aterratge automàtic en un altre cos el 1966. Luna 10 és el primer satèl·lit artificial d'un altre cos celeste.
La mort de Koroliov el 1967 va representar un seriós entrebanc en les aspiracions soviètiques en la cursa espacial.
Primers vols espacial tripulats
miniatura|Iuri Gagarin, el 1964. El primer vol espacial tripulat reeixit va ser el Vostok 1 («Orient 1») el 12 d'abril de 1961, portant un cosmonauta rus de 27 anys, Iuri Gagarin. La nau va completar una òrbita al voltant del planeta en aproximadament una hora i 48 minuts. El vol de Gagarin va tenir repercussions a tot el món, va ser una demostració dels avanços del programa espacial soviètic i va obrir una era totalment nova en l'exploració espacial: els vols espacials tripulats.
Els Estats Units van llançar per primera vegada una persona en l'espai un mes després de la Vostok 1, amb el vol suborbital d'Alan Shepard en el Mercury-Redstone 3. Van fer un vol orbital el 20 de febrer de 1962, quan John Glenn, en el Mercury-Atlas 6 va orbitar al voltant de la Terra.
Els canadencs van ser en els inicis dels primers satèl·lits artificials. L'Alouette 1, tenia com a missió estudiar la ionosfera, va ser llançat el 29 de setembre de 1962 per un llançador americà Thor-Agena.
miniatura|esquerra|Valentina Tereixkova, el 1969. Valentina Tereixkova, la primera dona en l'espai, va orbitar al voltant de la Terra 48 vegades a bord del Vostok 6, el 16 de juny de 1963.
Els soviètics, per a les càpsules Voskhod equivalents a les Gemini, van haver de realitzar concessions importants, com l'eliminació del seient projectable, la impossibilitat per als astronautes de fer servir un vestit de vol, que va fer que els Voskhod fossin perillosos. Per tant, per mantenir el nou heroi de la nació, Gagarin va ser retirat de totes les missions següents. El 12 d'octubre de 1964, el primer llançament del Voskhod, que va permetre per primera vegada transportar dos homes a l'espai, a la vegada. El Voskhod 2La missió va ser nomenada inicialment 'Vykhod' ('sortida'), però aquest nom va ser cancel·lat perquè també indicava clarament el seu propòsit, que hauria estat compromès per al fracàs (). es va enlairar el 18 de març de 1965. Va ser un altre gran pas en la conquesta de l'espai: per primer cop, un home va efectuar una sortida extravehicular, i un cop es va despressuritzar la càpsula i obrir, Alekseï Leonov va romandre entre 15 i 20 minuts a l'espai. En Leonov, es va inflar molt per la pressió i es va posar rígid, amb risc de barotraumatisme, però no podia tornar a la nau per un problema amb la tapa. Després de deu minuts de lluita, va poder tornar a bord. També hi va haver un problema de retrocoets que van col·locar la tripulació en òrbita més alta, el mòdul de control va ser desenllaçat malament del mòdul de servei, i l'aterratge va tenir lloc massa lluny de l'objectiu. L'equip va haver de passar una nit en una àrea de bosc de Perm abans de ser trobats. El programa va ser cancel·lat abans del llançament del Voskhod 3, i l'URSS es va centrar en els Soiuz i el programa lunar.
L'òrbita terrestre més alta que ha assolit un vehicle pilotat va anar a càrrec de la Gemini 11, el 1966, que va arribar una altura de 1.374 km. El programa de llançadores espacials, en les missions de llançar i fer funcionar el Telescopi espacial Hubble, també ha arribat a una òrbita terrestre d'una altitud que se situa al voltant de 600 km.
Programes lunars miniatura|La nau Apollo en òrbita al voltant de la Lluna. És visible el mòdul de control (el con de plata) i el mòdul de servei, el mòdul lunar no és present.
La destinació de les missions dels vols espacials humans més enllà de l'òrbita terrestre ha estat fins ara només la Lluna, que està pròpiament en l'òrbita terrestre. Els Estats Units, per enviar homes a la Lluna, van utilitzar coets Saturn i naus Apollo. La nau Apollo consistia en un CSM (Command and Service Module, Mòdul de Constrol i Servei) i un Mòdul lunar Apollo, impulsats pel mateix coet Saturn.