Có cách nào để thắng sức hút của Trái Đất không? Về vấn đề này, tác giả của định luật vạn vật hấp dẫn nổi tiếng đã viết:
“… Giả sử ta đứng trên một đỉnh núi rất cao để ném một vật theo phương ngang với những vận tốc tăng dần… Với một vận tốc đủ lớn nào đó thì vật sẽ bay vòng quanh Trái
Đất và trở về đỉnh núi nơi xuất phát. Vì lúc quay lại điểm xuất phát, vận tốc của vật vẫn không nhỏ hơn vận tốc lúc nó bắt đầu ra đi, nên vật sẽ tiếp tục bay mãi theo đường cong
đó…”
Như vậy thì rõ ràng là một vật có thoát khỏi sự trói buộc của Trái Đất hay không là tùy thuộc ởvận tốc ban đầu của nó.
Bằng những công thức cơ học, người ta đã xác định được cấp của vận tốc để chinh phục sức hút của Trái Đất.
Nếu tàu vũ trụđược tên lửa mang lên với vận tốc ban đầu là 7,92km/giây (gấp 20 lần vận tốc âm thanh) thì nó sẽ vĩnh viễn trở thành vệ tinh của Trái Đất, quay quanh Trái Đất mỗi vòng hết 1 giờ 24 phút. Đó là vận tốc vũ trụ cấp một.
Khi vận tốc tăng lên 11,2km/giây thì con tàu sẽ hoàn toàn thoát khỏi “xiềng xích” của Trái Đất, nhưng lại bị Mặt Trời níu lấy và trở thành một hành tinh nhân tạo của hệ Mặt Trời. Đó là vận tốc vũ trụ cấp hai.
Nếu vận tốc lên tới 16,5km/giây thì Mặt Trời cũng không ràng buộc nổi con tàu mà phải mặc cho nó bay tới các vì sao xa xôi. Đó là vận tốc vũ trụ cấp ba.
Trong các số liệu trên đây chưa tính tới sức cản của không khí. Sức cản này cực kỳ lớn. Cũng cần thấy rằng, tuy gọi là vận tốc ban đầu, nhưng cũng phải tăng từ từ. Nghĩa là, phải tăng từ không cho tới giá trị cần thiết trong một thời gian thích hợp. Như vậy thì con người mới đủ sức chịu đựng. Muốn vậy người ta phải dùng tên lửa nhiều tầng.
Khi vừa rời khỏi bệ phóng thì tầng dưới cùng đa con tàu lên vài chục km, vận tốc lên tới khoảng 2km/giây. Làm xong nhiệm vụ, nó tách khỏi hệ thống, do đó khối lượng tên lửa
được giảm nhẹ. Sự hoạt động kế tiếp của tầng hai nâng vận tốc lên một mức nữa và khi nó nhường chỗ cho tầng ba thì sức bay đã đạt tới 8km/giây, tức là thừa sức đểđặt con tàu vào quỹđạo bay của nó.