火箭飛行如何能產(chǎn)生戰(zhàn)勝地球引力的宇宙速度呢?理論研究和迄今的實(shí)踐都證明,火箭飛行速度決定于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴氣速度和火箭的質(zhì)量比.發(fā)動(dòng)機(jī)的噴氣速度越高,火箭飛行的速度越高；火箭的質(zhì)量比越大,火箭飛行能達(dá)到的速度越高.
　　火箭的質(zhì)量比是火箭起飛時(shí)的質(zhì)量(包括推進(jìn)劑在內(nèi)的質(zhì)量)與發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)機(jī)(熄火)時(shí)刻的火箭質(zhì)量(火箭的結(jié)構(gòu)質(zhì)量,即凈重)之比.因此,質(zhì)量比大,就意味著火箭的結(jié)構(gòu)質(zhì)量小,所攜帶的推進(jìn)劑多.
　　火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴氣速度,決定于推進(jìn)劑的性能和發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和水平.推進(jìn)劑的能量越高,可獲得的噴氣速度越高；設(shè)計(jì)水平越高,所獲得的能量效率越高.
　　能量效率是指推進(jìn)劑燃燒的熱化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚倥艢獾膭?dòng)能的效率.它包括推進(jìn)劑的烯燒效率、發(fā)動(dòng)機(jī)噴管效率和發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)效率.能量效率越高,排氣速度越高.
　　在齊奧爾科夫斯基提出火箭公式的1903年,自然無從談及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)水平,就是公認(rèn)的理想燃料液氫在當(dāng)時(shí)也制造不出來,計(jì)算表明,用液氧、煤油等作推進(jìn)劑,噴氣速度也只能達(dá)到4.2千米/秒,其單級(jí)火箭還是無法達(dá)到約8千米/秒的第一宇宙速度.因?yàn)榭紤]到空氣阻力,從地面起飛的火箭,實(shí)際上應(yīng)達(dá)到9.5千米/秒以上的速度.這樣一來,火箭的質(zhì)量比應(yīng)達(dá)到11以上才行.也就是說,推進(jìn)劑應(yīng)占火箭總質(zhì)量的91%以上,這比蛋清蛋黃占整枚雞蛋的份量比便還大,像軟皮蛋一樣單薄的火簡明是造不出來的,即使造出來了也無法使用.
　　但是,科學(xué)的思想不應(yīng)鉆牛角尖,退一步或拐個(gè)彎就是海闊天空.齊奧爾科夫斯基正是這樣.他設(shè)想用多級(jí)火箭力的辦法來達(dá)到宇宙速度,就是在火箭垂直發(fā)射時(shí),讓最下面一級(jí)先工作,完成任務(wù)后脫離,接著啟動(dòng)上面一級(jí),進(jìn)一步提高速度.這樣輕裝前進(jìn),逐級(jí)提高,總能達(dá)到所需要的宇宙速度.
　　采用多級(jí)火箭發(fā)射航天器,現(xiàn)在看來似乎是很平常的事,但在大約百年前,卻是了不起的思想突破,是構(gòu)筑宇宙航行大道石破天驚、振聾發(fā)聵的巨大里程碑.
　　當(dāng)然,火箭的級(jí)數(shù)不可能無限制地增加,因?yàn)閷?duì)下面一級(jí)火箭來說,前面的各級(jí)火箭都是它的有效載荷.理論計(jì)算和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,每增加1份有效載荷,火箭需要增加10份以上的質(zhì)量來承受,隨著火箭級(jí)數(shù)的增加,使最下面的一級(jí)和隨后的幾級(jí)變得越來越寵大,以致于無法起飛.多級(jí)4級(jí).