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齐奥尔科夫斯基火箭方程表明，火箭的最大速度随其排气速度的增加而增加。例如，如果一枚火箭的燃料载荷占发射台质量的90%，那么它的△ v 值相当于排气速度的2.3倍。这意味着，如果废气以2500米/秒的速度排出（9000千米/时——当今的一些火箭已经达到了这一速度），那么火箭的最终速度为5750米/秒——相当于20700千米/时。
这个速度也许让你眼前一亮，似乎还有可能载你飞过卡门线。然而事实上，这速度都不足以到达环绕地球的轨道，更别说载你去到更远的地方了。根据艾萨克·牛顿的万有引力定律，绕地球运行需要飞到距离地球表面至少几百千米的高度，即使考虑到重力会将你拉回地球表面，你仍然要以5750米/秒（28080千米/时）的速度飞行。
为了克服这一问题，齐奥尔科夫斯基提出了以下疑问，如果火箭的有效载荷的10%不是燃料而是另一枚火箭，尽管这枚火箭体积较小，那会如何呢？当第一枚火箭燃烧殆尽后，它就会被投弃，而此时已经以5750米/秒（20700千米/时）的速度运行的较小火箭会随之点燃自己的发动机。当小火箭的燃料也悉数耗尽，有效载荷的速度将额外增加5750米/秒，最终速度达到11500米/秒（41400千米/时），如果增加更多级火箭则会进一步提高最终速度。这个设想被称为多级火箭。齐奥尔科夫斯基证明了在同样的发射质量下，多级火箭的总有效载荷总是高于单级火箭。
如果大火箭上面装有一个小火箭，当大火箭被投弃继而小火箭被点燃时，则有效载荷的速度增加。
——赫尔曼·奥伯特（Hermann Oberth）
美国火箭科学家
而这一设想的缺点是可以携带有用的有效载荷量减少了。一枚火箭由 n 级组成，每级火箭单独的有效载荷是其总质量的0.1倍，那么 n 级火箭其有效载荷相当于火箭总质量的0.1 n 。对于两级火箭来说就是0.01，三级火箭就是0.001，以此类推。这意味着，一枚三级火箭在发射台上的总燃料质量为50000千克，相当于50吨，但实际有效载荷仅为50千克。
图2-3 多级火箭
这就解释了为什么向太空发射大量有效载荷需要真正的巨型多级火箭。多级火箭是20世纪60年代NASA在“阿波罗”登月计划中采用的战略，“土星5号”火箭分为三级，至今仍是有史以来体积最大的火箭。它的确是一个庞然大物，高超过110米，质量达3000吨，其中2870吨是燃料和氧化剂。“土星5号”的各级火箭从下到上依次连接，一级接一级（称为串联级），但近期一些新型火箭的各级是同时点火的（称为并联级），航天飞机上的两个大型侧助推器就是一个著名的例子。