探空火箭系统由有效载荷、火箭、发射装置及地面台站组成（见图）。有效载荷一般安装在火箭的仪器舱内。探空火箭具有把数千克有效载荷携带到100千米以上高能的能力，推力较大的火箭能够推送得更高。探空火箭的意义在于，高空科学气球飞行高度一般在40～50千米，而卫星轨道高度基本高于160千米，在这两者之间的区域，气球上不去、卫星下不来，探空火箭正好能够填补这一区域进行实地探测。探空火箭可以沿着自己的飞行轨迹探测发射地点上空一定的区域，但停留的时间一般较短，仅仅能够停留几分钟至几十分钟的时间。

中国“织女”3号探空火箭

探空火箭的空间观测首先应用于太阳紫外和X射线测量，后来逐渐用于其他天文观测。1946年10月10日，美国天文学家R.图西率领科研团队，在白沙导弹靶场将V-2火箭发射到数百千米的高空，用来观测来自太阳的紫外线，获得了波长为230纳米的太阳紫外光谱，得到了人类第一张太阳紫外照片。1949年，美国海军天文台H.弗里德曼（Herbert Friedmann）领导的小组将当时的盖革计数器安装在V-2火箭上，首次发现了来自太阳的X射线辐射。1962年，R.贾科尼利用探空火箭携带宽视场盖革计数器探测月球表面的X射线荧光，意外地发现了第一个宇宙X射线源和宇宙X射线弥漫背景，揭开了X射线天文学的序幕。

20世纪中叶，科学家还先后利用探空火箭进行了紫外辐射探测和红外探测。这些观测既为空间天文学的发展奠定了基础，也确定了探空火箭在空间天文学发展过程中的地位。