航天运载或航天发射技术是进入外层空间的基础，是航天科技工业的核心技术，也是一个国家航天能力的重要标志。由于航天运载能力的发展在各国的政治、军事、科技、经济等方面具有重要的作用和影响，在二战后半个多世纪的历程中，美国和俄罗斯/苏联的航天运载器技术大致经过了早期的运载火箭第一次迅速发展、重复使用的航天飞机的兴起与黯淡，以及一次性使用运载火箭的又一次发展。现在，美国、俄罗斯两大航天强国不仅分别保持着诸多型号构成的大型、中型、小型运载火箭系列，而且仍然位于世界航天运载领域的领先地位。美国应用了全球航天发射能力最强的运载火箭和航天飞机，俄罗斯/苏联的航天发射总体次数在世界绝对领先。随着美国在2005年和2009年先后提出载人重返月球计划和载人深空探索计划，未来的航天运载器技术在向重复使用的运载火箭方向发展。
从发射卫星到飞向月球
20世纪50年代后期到70年代初，苏联和美国从改进弹道导弹技术起步，先后成功研制、发射了最早的航天运载火箭，并以发射各种卫星、载人飞船、星际探测器和空间站等不同航天发射任务的需求为牵引，发展了各自的多个运载火箭系列。
这一时期苏美两国发展运载火箭的途径，主要是利用刚刚研制成功的弹道导弹改进成运载火箭，如苏联的“东方”、“宇宙”和“旋风”系列和美国的“德尔它”、“侦察兵”、“宇宙神”系列，都是直接应用中程和洲际弹道导弹技术；而提高火箭运载的能力，一是通过捆绑助推器来增大起飞推力，二是增加火箭级数，使火箭在发射过程中一级、一级地减少自身质量并不断提高飞行速度、获得更大发射能量，而且大多数运载火箭型号都是小型或中型运载火箭。到60年代中后期，苏美两国都为发射大型有效载荷研制并成功应用了非弹道导弹衍生的专用运载火箭。这10多年间的标志性型号，是苏联发射的世界上第一枚“卫星”号火箭和美国为载人登月研制的“土星”-5火箭；“卫星”号还是中小型火箭，低地轨道运载能力仅1 300多千克；而“土星”-5火箭已是低地轨道运载能力近130吨的重型运载火箭了。在最初的前10年，是苏联的火箭在书写航天发射的多项世界第一，而从60年代末期起，美国的运载火箭技术开始后来居上。
基于弹道导弹的早期运载火箭
1957年10月4日，苏联的“卫星”号运载火箭第一次将人造卫星送入地球轨道，开启了人类的航天时代。“卫星”号是由几个月前刚试验成功的P-7（北约称为SS-6）洲际弹道导弹改进而成，是世界上第一种运载火箭。该计划开始于1956年，由谢尔盖·科罗廖夫领导的设计局负责。“卫星”号火箭的低地轨道运载能力约1 300千克，所发射的第一颗卫星质量仅83.6千克，但到1958年该型火箭发射的第三颗卫星质量已达1 327千克。
当时运载火箭是美、苏两国争夺航天技术及政治、军事优势的产物，在激烈竞争的形势下，不仅“卫星”号运载火箭的研制进展很快，而且在以后短短几年间，以“卫星”号火箭为基础，苏联又相继研制了世界上第一种月球探测器火箭“月球”号、发射了世界上第一种载人飞船火箭“东方”号，并在“东方”号的基础上发展了“上升”号、“联盟”号、“进步”号和“闪电”号等运载火箭型号，并由此形成了航天史上第一个航天运载火箭系列——“东方”系列。其中，“上升”号、“联盟”号、“进步”号和“闪电”号又构成了“联盟”运载火箭子系列，使“东方”系列的运载火箭一直沿用到现在，成为世界上发射次数最多的运载火箭系列。
以后，苏联又以P-12（SS-4）与P-14（SS-5）中程弹道导弹和P-36（SS-9）第二代洲际弹道导弹的技术为基础，分别发展了“宇宙”系列和“旋风”系列运载火箭。其中，“宇宙”系列的“宇宙”-1和“宇宙”-2火箭主要用于发射“宇宙”系列卫星。而“旋风”系列的“旋风”-2和“旋风”-3火箭具有快速灵活反应能力，不仅用于发射电子侦察、海洋监视、测地和气象等军用卫星，还用于发射反卫星卫星。“旋风”-3是苏联的第一种采用全自动发射技术的三级运载火箭，低地轨道运载能力达到4 000千克，具有“一箭六星”发射能力，主要用于发射军用卫星，并逐步取代了“东方”号和“宇宙”-2运载火箭。
与苏联相似，美国也是利用从弹道导弹改进的“丘比特”-C（改名“丘诺”-1）运载火箭，于1958年2月1日，成功发射了“探险者”-1卫星。到1960年，美国又用已有的中程或洲际弹道导弹，先后改进发展了“雷神-德尔它”（后简称“德尔它”）、“侦察兵”、“宇宙神”、“大力神”等几种不同用途的中小型运载火箭系列。与苏联的运载火箭都使用液体火箭发动机不同，美国在发展运载火箭的初期就开始使用固体火箭发动机，包括助推器和上面级。但美国航天运载技术的初期发展，在卫星、载人飞船、空间探测器和空间站的发射上一直落后于苏联一步。
从“雷神”中程弹道导弹发展起来的“德尔它”运载火箭，从早期的小型火箭逐渐发展为以后的大中型火箭，至今已有40多个改型，是世界上改型最多、改进最快的运载火箭系列。“宇宙神”和“大力神”运载火箭则分别基于“宇宙神”和“大力神”-2洲际弹道导弹的技术，并与“德尔它”系列类似，都从小型运载火箭快速提升为中型运载火箭。但在上世纪70年代初到80年代末，美国的运载火箭受航天飞机的研制与应用的影响，生产与使用逐渐减少、性能提高与改进型发展趋于平缓。直到90年代初，“德尔它”、“宇宙神”和“大力神”三个运载火箭系列才又重新快速发展。
捆绑助推与多级推进
早期的运载火箭，因所利用的弹道导弹的发动机推力较小，为满足发射有效载荷所需的运载能力和进一步提高运载能力，不少型号都采用多个捆绑助推器加大起飞推力或增加多个上面级以形成多级推进。苏联的“卫星”号火箭为1级半结构，其芯级为 RD-108液氧/煤油4燃烧室发动机，海平面推力只有722千牛，因而捆绑了4个RD-107液氧/煤油4燃烧室发动机助推器，每一助推器的海平面推力为821千牛，比芯级发动机的推力还大。火箭发射时，芯级发动机和4个助推器的20个燃烧室同时点火工作，使火箭的起飞推力达到3 904千牛。由于助推器倾斜地捆绑在芯级上，使全长29.17米的“卫星”号火箭的底部最大直径达10.3米，因此有一个不同于其他型号独特的小长径比的外形。在美国的早期运载火箭中，“丘比特”、“雷神”、“德尔它”等没有采用捆绑助推器的型号，起飞推力一般不到800千牛；虽然都采用了多级推进结构，但运载能力明显低于“卫星”号火箭。
在“德尔它”系列运载火箭的40多个改型中，最初的4个型号没使用捆绑助推器，其他的约40个型号分别使用3~9个捆绑助推器，其中至少21个型号使用9个捆绑助推器。早期没使用捆绑助推器的型号中，“德尔它”-C是运载能力最大的三级推进火箭，低地轨道（370千米）运载能力仅为407千克；而该系列中第一个在一级捆绑9个“卡斯托”-2固体助推器的“德尔它”-900，虽然比“德尔它”-C少一级上面级，但其起飞推力是“德尔它”-C的283%，同样低地轨道运载能力可达1 723千克，是“德尔它”-C的4倍多。
由著名火箭专家冯·布劳恩主持研制的“丘比特”-C运载火箭，第一级采用了“红石”中程弹道导弹发动机的改进型，使用液氧/乙醇推进剂，起飞推力仅347千牛。因而该火箭采用4级推进结构，全长21.2 米，而直径只有1.78 米；第二、三、四级均采用美国喷气推进实验室研制的“中士”固体发动机，第二级为11个发动机群组、第三级为3个发动机群组、第四级为1个发动机。作为美国最初的运载火箭，“丘比特”-C的低地轨道运载能力只有约20千克。