齐奥尔科夫斯基首先提出火箭列车的概念，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，以达到战胜地球引力的目的。

多级火箭系列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。

世界各国研制的运载火箭已有数十种，其大小不等，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，另一种是下面两级并联、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，有的甚至可达二三千吨。火箭高一般为三四十米，有的超过 100 米。火箭粗都在 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 至 100 吨。如美国发射“阿波罗”载人登月飞船的“土星”5 号运载火箭，全长 110.7 米，直径 10 米，起飞质量为 2840 吨；“阿波罗”飞船的质量只有 41.5 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，一百多秒钟后，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大 70 ％。现在，一枚三级火箭能达到的速度已超过单级火箭 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，也最为适宜。

前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 PД—108 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 PД 107 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，产生 398 吨力（3900千牛）的起飞推力，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 3.2 公里/秒。然后芯级的火箭发动机继续工作 180 秒，使火箭加速到 8 公里/秒的速度，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。人类靠这种“火箭列车”的接力加速，跨入了宇宙空间的门槛。