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J. 베른과 다른 작가들의 소설에 등장하는 것과 같은 우주비행에 대한 초기의 구상에서는 우주선을 유선형으로 생각했다. 그러나 실제 우주선은 임무에 따라 여러 모양으로 설계되는데, 그 이유는 진공인 우주에서는 유선형으로 만들어도 특별한 장점이 없기 때문이다.

최초의 우주선인 소련의 스푸트니크 1호는 1957년 10월 4일 원지점(지구에서 가장 먼 점)이 940㎞이고 근지점(가장 가까운 점)이 230㎞인 지구 둘레의 타원궤도로 발사되었다. 스푸트니크 1호의 무게는 83㎏이었다. 스푸트니크 1호가 발사된 후 소련의 우주비행사 Y. A. 가가린을 궤도에 진입시킨 최초의 유인우주선 보스토크 1호가 발사된 1961년 4월 12일까지 4년 사이에 소련과 미국은 여러 무인우주선을 계속 발사했다. 그후 몇 년 동안 여러 가지 과학적·공학적 임무를 수행하도록 설계된 여러 유인 및 무인 우주선이 발사되었다.

우주선은 발사 로켓과 보통 2단 로켓에 의해 주어지는 초기 속도에 의존하는데, 이 로켓들은 연료가 모두 소모되면 자동으로 우주선과 분리되어 지구로 추락하고, 우주선은 지구 주회궤도로 진입하거나 운동량이 주어지면 우주의 목적지를 향해 계속 진행한다. 우주선에는 작은 기동용 액체연료 로켓을 설치하기도 한다.

미국의 아폴로 달탐사계획의 경우 달착륙선은 달을 이륙하여 궤도를 돌고 있는 아폴로 우주선으로 돌아오기 위해 로켓을 사용했고, 또한 아폴로 우주선은 달 주회궤도로부터 벗어나 지구로 귀환하는 데 충분한 로켓 동력을 가졌다. 수백만 개의 부품으로 구성된 유인우주선의 설계는 엄청나게 복잡하며 고도의 소형화와 99.9999％ 이상의 신뢰도가 요구된다. 이 정도의 신뢰도를 가진 부품으로 만들어진 자동차라면, 100년 동안은 고장 없이 작동될 것이다.

우주선에는 탑재된 장비를 작동시키기 위한 자체 전력발생원이 필요하다. 대부분의 무인우주선에는 태양전지판이 사용되며, 이 판은 충전지와도 연결되어 있다. 스카이랩(Skylab) 같은 우주정거장을 비롯한 유인우주선에는 주로 연료전지가 사용되며, 때때로 태양전지와 함께 사용되기도 한다. 미국의 우주탐사선 중 장거리용인 파이어니어호와 보이저호에는 전력 공급용으로 소형 원자로가 사용되었다. 이런 우주선의 플루토늄 원자로는 원격측정·사진촬영·과학기기 등을 수백 년 동안 작동시킬 수 있다.→ 우주탐사