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Il volo spaziale è un processo attraverso il quale un veicolo spaziale (chiamato anche navicella spaziale) si muove al di fuori dell'atmosfera di un qualsiasi corpo celeste. A differenza del volo atmosferico compiuto dagli aerei, il volo nello spazio non si basa sulla portanza generata dalle ali e dovuta al movimento dell'aria intorno ad esse (aerodinamica), bensì è governato unicamente dalla legge di gravitazione universale e dai principi dell'astrodinamica. Per questo motivo la forma dei veicoli spaziali è profondamente diversa da qualsiasi tipo di velivolo utilizzato nell'atmosfera terrestre.
Il volo spaziale è utilizzato nell'esplorazione dello spazio, l'osservazione dell'universo, la sorveglianza satellitare e l'osservazione della Terra tramite satelliti in orbita, così come in attività commerciali come il turismo spaziale e le telecomunicazioni satellitari. Esempi di volo nello spazio sono l'allunaggio del programma Apollo, i voli dello Space Shuttle, i satelliti in orbita intorno alla Terra e le sonde automatiche inviate su altri pianeti per la loro esplorazione.
Generalmente, un volo spaziale inizia dalla superficie di un corpo celeste con il lancio del veicolo tramite un razzo vettore (detto anche lanciatore) che ha il compito di fornire la spinta iniziale necessaria per contrastare la forza di gravità e far lasciare la superficie e l'atmosfera del corpo (se presente) alla navicella. Una volta raggiunto lo spazio, quest'ultima prosegue nel suo viaggio o tramite l'ausilio di un razzo vettore (o di una sua parte, detta stadio) oppure in autonomia con un proprio sistema di propulsione. In questa fase, ogni veicolo spaziale segue una traiettoria di movimento intorno ai corpi celesti che viene chiamata orbita.