1957年10月4日，前苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星，由此开创了人类航天时代的新纪元。五十多年来，人类进行了越来越多的空间活动，逐渐形成了探索宇宙空间的物理、化学和生命等自然现象的空间科学。其中，主要利用空间飞行器（Spacecraft）——也就是我们常说的火箭、飞船、卫星等等能飞到宇宙空间的东西——直接探测和研究宇宙空间中的物理过程的学科就是空间物理学。
空间飞行器“空间”（Space）——其实之前我们更习惯称之为“太空”——主要指人类航天器（也就是我们的火箭、飞船、气球、卫星等等）能够到达的区域，不管上边有没有人，反正是我们发射的东西能去到的地方。目前的空间物理学主要研究地球周围的空间（地球空间）、太阳和地球之间的空间（日地空间）和广阔的太阳系中的星球之间的空间（行星际空间），研究其中的物理现象，是地球物理学的自然延伸。
它的研究对象包括太阳、行星际空间、地球和行星的大气层、电离层（大气中含有一部分被太阳光分解的大气离子和电子）、磁层（大气外层被太阳光完全分解成带离子和电子），以及它们之间的相互作用和因果关系。
在空间直接探测之前，我们对于地球大气层和电离层以外的空间了解很少，对很多区域仅仅靠想象获得不可靠的认识。尽管通过观察太阳、观测极光和监测地磁扰动等发现了一些现象，但无法了解这些地球物理现象本身的物理机制以及它们和太阳活动之间的内在联系。空间飞行器的直接观测带给我们解决这些问题的机会——“飞过去看看”。
但是，空间科学不是仅仅单方面从空间探测受益，它也是指导我们发射航天任务的基础。
空间直接探测存在一些问题：（1）空间的广阔使得空间飞行对于人类而言无论资金还是技术都显得过于庞大，人类对太空的观测机会来之不易，特别需要理论预言指导我们设计探测计划和探测器，尽可能提高观测的效率；（2）人类无法从空间飞行器搭载的仪器中获得直观的物理图像，必须从仪器测得的诸如粒子密度、温度、速度、磁场方向等间接的信息中分析出特定时间特性地点是否存在特定现象，这尤其需要我们能通过科学方法进行一些预计，对仪器的功能进行设计；（3）空间物理现象的尺度太大了，最好能将飞行器发射到最有可能出现现象的时空位置，这同时也是受资金和技术所迫；（4）宇宙空间的环境往往超出我们的想象，航天器设计需要应对这种极端的环境，但由于资金和技术的限制，也不能面面俱到。
因此，理论预言对于空间物理和空间探测非常重要，很多科学发现都是在科学预言的指导下进行的探测设计，最终实现了理想的成果，而所有的航天发射都离不开理论指导。
下面以我们国家第一颗卫星“东方红一号”作为例子。东方红一号最主要的是承担技术上的任务，但既然上天不易，也兼具探测电离层和大气层密度的科学任务。
（1）在设计轨道上，最主要的考虑是当时“地面能看得见”的目标和希望飞得长久，所以轨道近地点并不远，但太近了就容易与空气摩擦减速掉下来，最后卫星飞行轨道为近地点439公里、远地点2384公里、轨道平面和地球赤道平面为倾角68.5度的近地椭圆轨道。东方红一号至今仍在天上。（2）卫星为近似球形的72面体，目的是在光线下闪烁。但根据计算之后，东方红一号实际上在地面还是看不见，当时就选择了火箭释放观测球。
除了那个著名的音乐盒，卫星还携带了科学仪器。在卫星实际工作的28天中，用无线电把遥测参数和太空探测资料传回地面。由于重量有限，根据提前估计的空间环境，选择密度探测仪器探测范围和经度范围，不可能西瓜芝麻全都要。即使是后来以东方红一号为基础的“实践一号”，想要探测高空磁场、X射线、宇宙射线和外热流等多种空间物理参数，也只是精心设计并携带了两种仪器：G-M计数器和铍窗积分电离室。
而近年来，我国的航天事业不断发展，光是中国科学院空间科学先导专项一期，就有暗物质卫星“悟空”、实践十号卫星、量子卫星“墨子号”和硬X射线调制望远镜“慧眼”。这些卫星从设计到上天，都离不开空间科学分析下的指导。例如，科学家们经过理论和探测研究，推测宇宙中存在大量的“暗物质”，就有暗物质卫星“悟空”的需求，而“悟空”所携带的仪器、飞行的轨道，就要参考我们对暗物质特性的估计。
“悟空”的主要科学目标是以更高的能量和更好的分辨率来测量宇宙射线中正负电子之比，以找出可能的暗物质信号。根据科学家对暗物质性质的了解和推测，银河系可见的物质分布是盘状，不可能产生球状或云状的伽马射线分布，那么如果探测到球状或云状的伽马射线分布，就是暗物质产生的有力证据。
因此，“悟空”携带了用于区分电荷的“塑料闪烁体探测器”、测量宇宙线的方向和电荷的“Si阵列探测器”、中子探测器和测量宇宙线能量的“BGO量能器”。根据推测的特性，还要设计仪器的探测范围和经度，例如对宇宙射线的探测范围为100GeV-100TeV能区，而在800GeV的能量分辨率优于40%。并且，轨道的高度设计在500公里的太阳同步轨道。
宇宙如此广阔，我们发射卫星等航天器，已经是“大海捞针”、“盲人摸象”，如果不好好做好调研、多做事前准备，就不能很好的“把钱花在刀刃上”。因此，做好“空间科学”的理论分析至关重要。