火箭飞行如何能产生战胜地球引力的宇宙速度呢?理论研究和迄今的实践都证明,火箭飞行速度决定于火箭发动机的喷气速度和火箭的质量比.发动机的喷气速度越高,火箭飞行的速度越高;火箭的质量比越大,火箭飞行能达到的速度越高.
火箭的质量比是火箭起飞时的质量(包括推进剂在内的质量)与发动机相关机(熄火)时刻的火箭质量(火箭的结构质量,即净重)之比.因此,质量比大,就意味着火箭的结构质量小,所携带的推进剂多.
火箭发动机的喷气速度,决定于推进剂的性能和发动机的设计和水平.推进剂的能量越高,可获得的喷气速度越高;设计水平越高,所获得的能量效率越高.
能量效率是指推进剂燃烧的热化学能转变为高速排气的动能的效率.它包括推进剂的烯烧效率、发动机喷管效率和发动机的循环效率.能量效率越高,排气速度越高.
在齐奥尔科夫斯基提出火箭公式的1903年,自然无从谈及火箭发动机的设计水平,就是公认的理想燃料液氢在当时也制造不出来,计算表明,用液氧、煤油等作推进剂,喷气速度也只能达到4.2千米/秒,其单级火箭还是无法达到约8千米/秒的第一宇宙速度.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/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,这比蛋清蛋黄占整枚鸡蛋的份量比便还大,像软皮蛋一样单薄的火简明是造不出来的,即使造出来了也无法使用.
但是,科学的思想不应钻牛角尖,退一步或拐个弯就是海阔天空.齐奥尔科夫斯基正是这样.他设想用多级火箭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.这样轻装前进,逐级提高,总能达到所需要的宇宙速度.
采用多级火箭发射航天器,现在看来似乎是很平常的事,但在大约百年前,却是了不起的思想突破,是构筑宇宙航行大道石破天惊、振聋发聩的巨大里程碑.
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宠大,以致于无法起飞.多级4级.