这种无人乘坐气球进行的大气探测，发展到1902年的时候，科学探险家们已弄清了低层大气的奥秘。法国的气象学家泰萨伦·德波特，依据收集来的各种资料分析后指出，大气可分为两层：第一，湍动的低层。1908年，他又准确地称之为对流层。第二，平静的高层。后来他又改称为平流层。他把温度开始不再下降的高度，即“对流层”与“平流层”之间的边界叫做“对流层顶”。后来，人们发现，“对流层顶”的高度不是不变的，它在赤道上空距地面大约有16千米，而在两极地区则变到只有8千米左右，一般地区为12千米左右。
飞艇的发明与应用
探险家们绝不满足于虽有升空高度但不载人的气球探测方式，他们从未放弃过实现自己个人探险的愿望。在高空寒冷稀薄的大气中固然人不能生存，但为什么人们要把自己暴露在大气中呢？为什么不能做个密封舱，在其中保持地球表面空气的压力和温度呢？这种想法到了20世纪30年代，由于瑞士物理学家阿·比卡特亲自设计了带有密封舱的气球，人们亲切地称它为“探空飞艇”，才变成了现实。
阿·比卡特于1884年出生在瑞士的巴塞尔，毕业于苏黎世专科学校，20岁时便成为布鲁塞尔大学教授。他天资聪明，又出生于创造发明的时代，也是科学上充满冒险和奇迹的时代，使他这颗从小就爱思考的大脑处于一种兴奋状态，表现出极强的求知欲，阅读了大量的书籍。其中，发明家和探险家们的事迹更令他着迷，尤其是欧洲盛行的气球探险热，深深地影响着他的思想，使他在中学时代就信奉“生活中应该有冒险”的格言。但他深知，要想真正有所发明和创造，攀登科学的高峰，首先应努力学好科学文化知识。因此，他总是精力充沛、不知疲倦地学习，不仅以优异的成绩完成了大学学习任务，且20岁便成为一名小有名气的物理学教授。面对这令人羡慕和骄傲的成绩，他并未满足，更加无所畏惧地冲向当代科学探索的最前沿。
这时，他已有精力和能力对气球探险遇到的困难进行全面的思考。当他了解到吊篮式升空气球，因高空的严寒和稀薄的空气环境堵住了继续升空道路的时候，善于迎接也敢于迎接挑战的比卡特教授，决心走进这一领域，克服探空气球所遇到的技术困扰，为人类探索大气层的奥秘、征服空间领域作出应有的努力。
比卡特教授利用业余时间，反复思考气球升空到更大高度将面临的各种困难，设计密封舱的结构和原理，最后他决定采用绸子作密封舱的原料，并自筹资金设计出了第一个带有密封舱的气球，他亲切地称它为“探空气艇一号”。经过一系列的试验后，他决定亲自乘坐“探空气艇一号”到高空去探险。
1931年，比卡特乘坐自制的“探空气艇一号”升空到了16千米的垂直高度，在密封舱里舒适又安全地度过了16个小时，在水平方向上飞越了法国和德国。这一成功，使比卡特激动不已，因为他创造了人类乘坐气球征服空间的最大高度的记录。也正是这一成功，使比卡特在这人才辈出的时代一举成名。
第二年，他再次创造了升空175千米的新纪录。这些成绩向人类表明，只要能创造出克服大气环境障碍的工具，人类是可以到更高的高空，去探索大气层的变化规律的。
“探空气艇一号”的成功飞行，极大地鼓舞着比卡特教授，促使他向新的高度冲击。他想，如果密封舱的密封效果更好些，气球可能在高空逗留的时间更长些，升得更高。经过比较分析和试验，他决定改用塑性材料替代绸子，由于塑性材料比绸子轻，而且气孔也更少，所以，使用这种材料制作的新气球，因重量轻些将升得更高些；因密封舱漏气少些，在高空逗留的时间将更长些。
1938年，比卡特再次亲自驾驶被命名为“探险者二号”的气艇创造了垂直升空21千米的记录，在安全的密封舱里度过了20多个小时，从容地进行了一系列的科学考察，收集了那里的大气供分析使用，他还透过观察窗观察到外边的自然景观。事后，他绕有兴致地向人们讲述，在天空中遨游观光，大地一片苍茫，那里没有国界，有的只是对大地的亲切依赖感，大自然的壮观景色，是对探险人生的最好报偿！是啊，比卡特以其独特的才能创造的塑性铝制的密封舱取代敞开的吊篮，克服了稀薄大气环境对乘员的威胁，极大地推进了人类征服空间的高度。
如今，载人的气球艇依然采用的是比卡特教授的“探空气艇”的原理，只是由于材料的坚固等技术改进，使其升空高度达到了35千米左右，在高空中逗留的时间更长些，能够做许多预定的科学考察；而不载人的探空气球则升空到了50千米左右。这可能是现代载人气球艇与不载人探空气球的升空高度极限了。
在这些更高空的飞行探险的结果表明，温度几乎恒定的区域也不是无限向上延伸的。在高约50千米处，平流层就到头了。而在平流层的下半部即离地面约20～30千米之间，有一个臭氧层。在50千米以上的高度，温度就开始上升了，空气就极其稀薄了。
飞机的发明与活动
飞机是人们最熟悉的飞行器了。在航空发展过程中，许多飞行探险者和滑翔爱好者连续不断地去制造各种原始飞机。1890年，法国发明家阿达驾驶第一架有动力飞机上了天。这是架鸟形单座飞机，飞了约30米后在着陆时坠毁。德国的奥托·里林托尔是滑翔机先驱者，他造的一架滑翔机可升高到约25米，滑翔距离约半千米。他说：“设想一架飞机算不了什么，造出一架飞机也很容易，把一架飞机飞上天去，这才是一切。”后来，美国的莱特兄弟终于把这个思想推到了顶峰。他们不仅发明和制造了飞机，而且首次架着重于空气的飞行器进行了连续飞行。
飞机发明者莱特兄弟，哥哥维尔伯·莱特，弟弟奥维尔·莱特。他们出生在美国，都未曾受过高等教育，是普通的自行车修理工。他们听到德国滑翔机专家奥托·里林托尔曾做过2000多次滑翔机飞行实验，并因滑翔机而丧生的消息，就决心继续奥托·里林托尔的未竟事业。
为了学习奥氏着作，哥俩首先攻读德文，突破文字关。接着研究德文版《飞行问题》和《滑翔实践》两部着作。他俩总结了奥氏等先辈的滑翔机经验，试制成12马力的小发动机，并且对螺旋桨进行多次制作和试验。
从1896～1903年的7年间，他俩艰苦创业，于1903年，“飞行者”号终于诞生了。它是一架以木材为骨架、帆布作机翼材料的双翼飞机。这架飞机由于制造了平行的双翼，提高了升力，飞机由12马力的汽缸内燃机推动螺旋桨。值得注意的是，一个新发明的获得，总要有与其适应的科学技术背景。内燃机的问世，为飞机的发明创造了前提。
1903年12月17日，“飞行者”号在美国北卡罗莱纳州基蒂霍克沙丘上正式起飞了。当场观众只有5人。马达开动了，奥维尔不慌不忙地上了飞机，环顾四周，下令“起飞”，这架包括一名驾驶员在内，总重只有340公斤的“飞行者”号疾飞如箭，刹时升上天空。12秒钟后，飞机徐徐落下。这不平凡的12秒，飞机飞出了120英尺。这时是上午10点30分。这第一次动力载人飞机成功地飞上天空，就这样永载世界史册。
莱特兄弟继续不断地改进飞机结构，又进行了160多次试飞活动。1904年飞行了5分钟；1905年飞行了38分钟，行程24英里。1908年9月12日，兄弟俩在美国弗吉尼亚州迈尔堡作表演时，飞行时间持续了67分钟；同年又在巴黎表演一次，飞行时间为2小时22分23秒。于是，赢得了世界人士的喝彩。至此1908年，莱特兄弟已圆满地解决了飞机问题。
从这时起，欧洲便掀起了一个自由飞行探险的热潮。1909年，法国人路易·布莱里奥作横越英法海峡的飞行获得成功。他的飞机发动机为25马力的汽油机，机型为单叶，连续飞行40千米。1911年，卡普勒斯·P·罗杰兹从纽约起飞横越美国大陆到达加利福尼亚，完成了飞行史上第一次冒险飞行。1927年，奥维尔·莱特驾驶飞机越过大西洋，是人类的又一次真正的冒险性尝试。
如今，飞机的飞行速度、高度、航程、载重量，都有了惊人的发展。飞机的最大升空高度已达40千米左右；速度达3倍多的音速，即每小时4000千米左右；升空总重达400吨左右。但航空飞机的进步，不论将来前景如何美好，都要受到一个基本的限制，那就是离不开包围地球的大气层。因为，任何航空飞机(包括设想中的未来飞机)都需要空气的浮力才能升空的。尤其是现代飞机，还需要大气中的氧气作为它的燃料的助燃剂，才能获得飞行的原动力，这就更影响了它在飞行高度和速度的大幅度增长。我们都知道，大气层越往上，密度就越小，空气也就越稀薄，提供给飞机飞行的浮力和氧气也就越少了。
航天飞机的发明与应用
人类到大气层以外去开发宇宙，已成了当代最辉煌的现实。但到目前为止，环绕地球的飞行器(人造地球卫星和载人宇宙飞船)都是依靠火箭发射上去的，这很不方便。因此，能不能设计一种飞行器，使它在升空阶段起火箭作用，环绕地球运行时起宇宙飞船的作用，下降(回收)阶段又起航空飞机的作用呢？能！这就是美国科学探险家们于1981年研制成的“航天飞机”。
人们习惯于把大气层以内的飞行叫“航空”；大气层以外，环绕地球的飞行叫“航天”。航天飞机，顾名思义，是专供大气层以外、环绕地球飞行的飞行器。
航天飞机由一个轨道飞行器、一个外贮箱和两个助推器组成。起飞时，两个助推器的火箭发动机和轨道飞行器的3台主发动机，同时点火，垂直发射，总重2000多吨的航天飞机，在近3000吨的巨大推力下，像一般宇宙火箭那样，带着轰然巨响，吐着长长的火舌，向蓝天窜去！两分钟后，航天飞机升到45千米的高度，助推器完成任务，与轨道飞行器分离，空壳子由降落伞护送，溅落到海面上进行回收，以便下次飞行使用。轨道飞行器靠外贮箱提供的燃料，继续向上空飞行。约8分钟后，外贮箱的燃料耗尽后，由反向力将它推入大气层烧毁。轨道飞行器继续由两台主发动机提供推力，5分钟后即可进入绕地球运行的最后轨道。目前，航天飞机可把几十至几百吨重的负荷送到280千米以上的高空轨道上去。
这时航天飞机依靠惯性飞行，机上人员便开始宇宙作业。在灵巧的机械手的协助下，将装载的货物“释放”到宇宙轨道上去，或将轨道上需带回的东西“抓”到货舱内。这项工作只需1～4名普通专家，并不需专门的宇航员。
完成宇宙作业后，航天飞机利用发动机反向推进，重新进入大气层，像飞机那样操纵飞行舵，滑翔降落到地面上。经过两个星期的地勤维修，就可以与助推器、外贮箱重新组装，进行下次宇宙飞行了。它着陆时速为每小时350千米。
1981年，世界上第一架航天飞机由美国研制成功，称为“哥伦比亚”号。在正式投入使用前，进行了6次飞行，携带2～4名宇航员，在200～400千米的5种轨道上，分别飞行了2～7天，全面试验了航天飞机的技术特点和使用性能。
如今，美国先后研制成功了5架航天飞机，即“哥伦比亚”号、“挑战者”号、“发现者”号、“亚特兰蒂斯”号、“奋进”号。其中，“挑战者”号于1986年1月的第二次飞行时，升空数秒钟后爆炸而造成机毁人亡的悲惨事件，其他航天飞机仍在使用中。这些航天飞机承担了发射各种卫星、对卫星进行维修和重新定位、太空行走、发射哈勃望远镜以及进行其他科学实验任务，截止现在，已进行了100多次飞行，参加宇宙航行的宇航员已达130多人。今后，航天飞机最有前途的一项工作是：担任未来大型空间站工业体系和居民生活体系的建设与运输任务。采用航天飞机往返运输，已经变成了现实。
