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让火箭飞向太空探测宇宙，是“火箭之父”——俄国和前苏联科学家齐奥尔科夫斯基（Ziolkovsky,1857-1935）最先提出来的。1903年齐奥尔科夫斯基提出火箭公式V=VplnM₀/M(V为终速，Vp喷气速度，M₀为原始质量，M为所剩质量)计算表明，用液氧、煤油等作推进剂的单级火箭是无法达到宇宙速度的。即使用液氢液氧作推进剂，喷气速度也只能达到4.2千米／秒，因为考虑到空气阻力，从地面起飞的火箭，实际上应达到9.5千米每秒以上的速度。这样一来，火箭的质量比应达到11以上才行。

也就是说，推进剂应占火箭总质量的91％以上，齐奥尔科夫斯基设想用多级火箭接力的办法来达到宇宙速度，就是在火箭垂直发射时，让最下面一级先工作，完成任务后脱离，接着启动上面一级，进一步提高速度。

在经过一系列数学运算以后，他又指出，对于使用硝酸和肼类推进剂的火箭来说，要使最后速度达到第一宇宙速度７.９千米／秒，火箭的质量比应等于２３.５。也就是说，总重量为１００吨的火箭，要有９６吨是推进剂。若加上地球引力因素，则要求的质量比应更大。
由此可见，分级火箭有利于提高火箭的最终速度。

当然，火箭的级数不可能无限制地增加，因为对下面一级火箭来说，前面的各级火箭都是它的有效载荷。理论计算和实践经验表明，每增加1份有效载荷，火箭需要增加10份以上的质量来承受，随着火箭级数的增加，使最下面的一级和随后的几级变得越来越庞大，以致于无法起飞。多级火箭一般不超过4级。