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火箭在整個太空時代裡，都是用化學燃料一飛沖天，脫離地球表面。只有化學燃料才能產生達到逃脫速度所需的巨大推進力，將沉重的太空船送出行星之外。然而一旦進入了太空，用這種燃料獲得推進速度，不但所費不貲，而且十分浪費，因此太空科學家已研發或正在研究全新的推進方法。不過像是太空雷射，或是《星際爭霸戰》裡的曲速引擎（Warp Drive），目前仍屬科幻情節，但憑藉行星間的拉力，以及加速雖緩但十分穩定的離子引擎，已經展現出實用性前景。美國NASA使用太陽帆技術的「推日號」（Sunjammer），即將利用太陽風測試另一種飛行方式。
太陽帆
推日號是史上最大的太陽帆，預定2015年發射升空。它會裝在一個大小跟洗衣機差不多的金屬罐裡，射入太空後揚帆而發，變成邊長38公尺的超薄太空船。推日號取名自亞瑟‧克拉克（Arthur C. Clarke）所著的同名科幻故事。它會像個風箏般順著太陽風飛行，把推日號推著走的太陽光流，就跟吹出彗星尾巴的是同一股能量。不過推日號實際上是朝著太陽飛去，像帆船一樣利用控制翼逆風而行，展現太陽帆的尖端科技。推日號還載有英國的實驗設備，藉以監測太空氣候。太陽帆可用來清除地球軌道上的太空垃圾，不過在深太空任務中，太陽風可使這種太空船加速到極為可觀的速度。
化學火箭
傳統的液態與固態燃料，一直是用來將太空船送入地球軌道的方法。美國NASA的新地平線號（New Horizons）是史上發射進入太空速度最快的探測器，它在2006年直接航向遙遠的冥王星航道。新地平線號火箭裝載固態燃料，藉由木星重力的一點小幫助，抵消太陽本身的重力拉引，從而加速到太陽系的逃脫速度，將於2015年抵達冥王星。
雷射光束
將遠距雷射導入位於軌道上的太空船，透過加壓光子或給船上的推進劑加熱，製造電漿噴射，進而使太空船加速。這種推進引擎在實驗室裡研發，但還沒有在太空裡實測過。這種技術的挑戰也很大，最起碼不能把探測器上的電子儀器燒壞。
離子推進
離子引擎使用電力，讓充填在磁室裡的氣體（如氙氣）充電，帶正電的原子就會被迫噴出引擎。離子引擎所產生的推力遠遠不如化學火箭，不過隨著時間累積穩定加速，太空船的最高速度可能比化學火箭快上10倍。航向灶神星（Vesta）跟穀神星（Ceres）這兩顆小行星的黎明號（Dawn）就配有三具離子引擎。
重力協助
深太空任務利用行星重力推太空船一把。探測器不會直接飛向目標，而是繞著太陽系甩出去，藉此獲得或失去動量。若不是有金星緩速， 美國NASA的信使號（Messenger）探測器就沒辦法抵達水星，而航海家一號（Voyager 1）能夠創下高速紀錄，也是藉助木星跟土星的一臂之力。
核能推進
打從1950年代的獵戶座計畫（Project Orion）開始，就曾經考慮過持續使用小型核爆產生的推力來推動太空船，不過因為核能被視為骯髒能源而作罷。現在有人提出比較乾淨的核能版本，用雷射光引爆燃料球造成核融合，做為航向眾星的伊卡魯斯概念任務（Icarus）燃料。麻煩的是目前還沒有人能夠支配核融合動力。
曲速引擎
《星際爭霸戰》的企業號用來超高速航行的曲速引擎仍屬科幻情節，不過美國NASA詹森太空中心正在進行實驗，研究是否能夠打造出真正的曲速引擎。曲速引擎的研發內容相當神祕，不過已知它牽涉到製造出稱為負能量的作用力，以便扭曲時空結構，太空船便可乘浪而行，使其在幾天內就能抵達群星，而不用花上好幾個世紀。
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