科学家们在寻求建造作为天梯的火箭的过程中，发现单级火箭无论所用固体或液体燃料的性能多么好，按照现在的先进技术所能达到的最大速度大约为每秒4.5—6公里，这就是说，根本达不到把卫星送上地球轨道所需的每秒7.9公里的第一宇宙速度。那么，怎么解决这个难题呢？在现有条件下，俄国科学家齐奥尔科夫斯基想出了一个绝妙的办法：建造被称为“火箭列车”的多级火箭，就是把两节以上的火箭串联或并联起来，组成一列多级火箭来提高火箭的速度，以达到摆脱地球引力的目的。
多级火箭系列是应用一种质量抛扔原理，即火箭发射后，把已经完成任务的无用结构抛掉，使火箭发动机的能量最大限度地用于提高航天器的能量，从而间接地减轻火箭的结构质量，提高火箭的质量比。这样，在使用同样性能的火箭发动机和相同技术水平的箭体结构的条件下，用单级火箭无法达到的宇宙速度，而用多级火箭就能实现这个速度。
苏联著名航天总设计师科罗廖夫根据齐奥尔科夫斯基关于“火箭列车”的思想，首先提出用单级火箭串联和并联结合的方式组成多级火箭实现宇宙航行的设计方案。这个方案是用一枚较长的地球物理火箭作芯级，芯级长29.17米，直径2.95米，装一台液体火箭发动机；在其周围捆绑4台助推器组成助推级，助推级长19米，直径3米，各装一台液体发动机。这样把芯级和并联的助推级串联起来，组成一枚两级液体火箭，从而产生足够的推力和需要的速度，把安装在火箭最上面整流罩内的人造卫星送入地球轨道。这种火箭发射时，5台发动机同时点火，火箭飞行120秒后，4个捆绑的助推器工作完成与其脱离，并被抛掉，这时火箭飞行高度为50公里，飞行速度达到每秒3.2公里。然后芯级的火箭发动机继续工作180秒，使火箭加速到每秒8公里的速度，此时卫星与火箭脱离，被推进到环绕地球的预定轨道上飞行。
目前，世界各国研制的运载火箭已有数十种，大小不等，形状各异，但其结构形式基本上分为两类：一类是各级首尾联结的串联式火箭，另一类是下面两级并联、上面一级串联的混合式火箭。运载火箭的大小，由其飞行任务要求的有效载荷和飞行轨道而定。若飞行轨道相同，有效载荷愈重，则火箭起飞质量也愈大；若有效载荷不变，飞行轨道愈高，火箭的起飞质量也愈大。
由于卫星或飞船等航天器的轨道较高，本身质量也大，所以，运载火箭都是一些身高体重的庞然大物。它们的质量至少几十吨，一般为一百多吨到几百吨，有的甚至可达两三千吨。火箭高一般为三四十米，有的超过100米。火箭直径都在1米以上，一般为3米左右，最粗可到10米。在通常情况下，发射一颗质量为1吨的卫星，运载火箭质量为50—100吨。如美国“阿波罗”号飞船的质量只有41.5吨，而发射“阿波罗”号飞船的“土星”5号运载火箭，全长110.7米，直径10米，起飞质量为2840吨，这是目前世界上最长的“火箭列车”了。
这种三级“火箭列车”是如何驶出地球到太空去的呢？它耸立在发射台上，首先由地面控制中心指令第一级火箭发动机点火，火箭徐徐上升，加速飞行，逐渐按预定方向转弯，100多秒钟后，火箭大约达到70公里左右的高度，第一级燃料耗尽后火箭发动机关机，并脱离整个火箭列车坠落地面；第二级接着点火，继续加速飞行，火箭飞出稠密大气层，达到预定高度和速度时，第二级燃料用完后火箭发动机关机并分离，火箭靠获得的能量开始惯性飞行；第三级火箭发动机点火工作，当加速到预定速度时，第三级火箭发动机关机，航天器与火箭分离，最后把航天器推入预定轨道。当然，运载火箭也不是级数越多越好，因为多加一级，不仅制造工艺和级间分离技术多一层困难，而且所能增加的速度也有一定限制，最多只能比单级火箭的速度提高70%。现在，一枚三级火箭能达到的速度已超过单级火箭速度的45%，因此限于各种因素的影响，“火箭列车”都选在二级至四级之间，一般用三级的居多。
从最初的单级火箭问世，到后来多级火箭的使用，经历了漫长的半个世纪，人类终于借助齐奥尔科夫斯基设想的“火箭列车”驶进了太空的大门。
知识链接
早期的运载火箭大多数由弹道式导弹改进而成，后来为适应不同航天发射任务的需要，科学家专门研制了系列化的运载火箭。许多运载火箭的第一级外围捆绑有火箭助推器。助推器可以是固体或液体火箭，其数量可根据运载能力的需要来选择。
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