在这段时间里，齐奥尔科夫斯基除了到图书馆读书外，还常常穿着一件 已经被化学药品腐蚀破了的上衣，为购买实验用品在城里到处奔波；有时他 在旧书摊旁贪迷地翻阅各种廉价的科技书刊，发现有好书，他就会毫不犹豫 地将下一顿的饭钱掏出来购买；晚间，当他独自躺在自己小屋子里的床上时， 许多奇妙的幻想便纷至沓来：
能不能制造一种可以飞到地球以外，对地球进行观测的飞行器呢？
人类能不能利用地球自转的能量使飞行器飞行？
能不能在很短的时间内就环绕地球飞行一周呢？
多年后，齐奥尔科夫斯基在回忆录中这样述叙了这一时期的生活：“我 的头发长长的，因为没有时间去剪掉它，而且总是穿那套破衣服，现在想想， 真是滑稽而可怕。我因当时自己所选择的道路而感到幸福，黑面包与小房子 并没有使我感到任何悲伤；我甚至没有想到自己会挨饿和累乏。”
就这样，他孜孜不倦地在莫斯科自学了3年时间，学完了高等代数、解 析几何、球面三角、机械动力学、物理学、化学等多门课程，进行了各种各 样的实验以验证书本上的一些理论。由于他经济拮据，自学是他学习各门学 科的唯一方法，也是他获得知识的唯一途径。通过刻苦自学，齐奥尔科夫斯 基不仅掌握了大量的理论知识，也进一步提高了对各类科学问题进行独立思 考与研究的能力。
三、进入科研领域
有一天，一位同乡到莫斯科办事，受齐奥尔科夫斯基的父亲的嘱托，来 探望他。同乡一见齐奥尔科夫斯基，不禁大吃一惊：与三年前的那个年轻人 的模样判若两人，站在自己面前的是一个身着破烂衣衫、又黑又瘦、戴着一 副高度近视眼镜的人。齐奥尔科夫斯基请同乡不要把自己的近况如实转告他 的父亲，以免使父亲担心；但同乡回到家乡后，还是忍不住将他的实际情况 告诉了他父亲。这时，父亲才知道以前儿子的来信说他生活得非常好完全是 在安慰自己，所以十分心疼儿子的处境，于是便写信给他，要他回家来。
齐奥尔科夫斯基收到父亲的来信后，十分理解这是父亲的好意，加上自 己已经快20岁了，也应该找个工作独立谋生了，所以他告别了朝夕相处三年 的莫斯科、告别了图书馆、告别了费多罗科夫老师，回到了家乡。父亲亲自 来到车站接他，后来他回忆亲人重逢时的情景说道：“父亲非常高兴，但又 因为我的黑瘦而有些心痛。这很简单，因为在离家的三年中，我用掉了自己 的全部脂肪。”
回到家后，齐奥尔科夫斯基就请父亲帮他找份工作，父亲让他再休息一 段时间，他执意不肯，说自己已经是成年人了，应该自立更生了。父亲拗不 过他，于是就帮他找了一份家庭教师的工作。工作以后，他对待教学勤勤恳 恳、一丝不苟，丰富的知识使他讲起课来游刃有余、简洁明了；同时他也不 斤斤计较钟点与报酬。所以，这位学识渊博、人品优秀的年轻老师受到了学 生以及家长的尊重与欢迎。
在教学之余，他仍然坚持读书，阅读最新的科学杂志并继续各种实验。 这时，他对飞行器理论的研究兴趣更加浓厚了。不久，年迈的父亲退休了， 维持家庭生活的重担就责无旁贷地落到了齐奥尔科夫斯基的肩上。但他仍然 挤出时间，以坚强的毅力按照自己制订的计划进行更深层次的自学。
1878年夏，他家搬家到了梁赞省的省会梁赞市。就在这里，齐奥尔科夫 斯基开始对能否发明一种升到大气层之外的仪器进行认真的实际研究。这个 问题，在他之前还没有人进行过深入研究，因此能够参考的资料很少，绝大 部分工作依靠自己独立钻研。通过研究，他意识到了外层空间航行的人员是 处在“失重”的状态之中的，这同乘热气球在大气层内飞行完全不一样；因 此，他设计了一台离心机（可绕转轴高速旋转的一种机械），利用它就可以 在地面上研究星际航行中发生的失重现象。
在梁赞市生活一年多的时间里，齐奥尔科夫斯基深入研究了在无引力条 件下的失重问题。从这段时期他所留下的手稿中，我们可以发现他已经萌发 了许多有远见的思想，这些思想基础在若干年以后，最终奠定了关于星际航 行的光辉理论。
1879年，齐奥尔科夫斯基以校外考生的资格参加了教师职业考试，他顺 利过关，并获得了光荣的教师称号。这样，他就成为了国家公务员，政府会 为他安排一份工作。不久，他被政府任命为卡卢加省波罗夫斯克县立中学的 数学与物理学教师。第二年，他与房东的女儿瓦尔瓦拉·沙柯洛娃结了婚。 沙柯洛娃是个勤劳善良的姑娘，在未来的日子里，他对齐奥尔科夫斯基的各 项研究都给予了巨大的支持。两个人始终生活在幸福之中。
任教以后，齐奥尔科夫斯基的生活很有规律。每天，他起床很早，通常 在上课之前工作上两三个小时；在下课之后，批改完学生的作业，备完课的 下一项任务就是继续自己的科学研究。与当家庭教师时一样，齐奥尔科夫斯 基对教学任务极为认真，尤其是各种科学实验做得特别出色，每当上实验课 时，学生总是会被牢牢地吸引，这就激发了他们对学习的兴趣。但由于自身 的残疾，他生性很孤僻，再加上为人正直，不喜欢当时公务员中风行的相互 吹捧、大吃大喝的风气，因此引起了一部分同事的误解与嘲笑，称他是一人
“怪人”。在自传中，齐奥尔科夫斯基这样回忆：“那时我没有接待过谁， 也没有去拜访过谁，除了学校、家，其他什么地方也没去过。”
这种宁静孤独的生活使他有更多的时间与精力来进一步钻研科学。1881 年，他仔细研究了气体运动理论，并把自己的研究成果写成论文寄到彼得堡 的物理化学协会。不过令他感到遗憾的是：他所进行的研究工作，在他以前 就已经有人成功地完成了，只是因为他身处信息闭塞的县城，得不到足够的 最新资料，因而也就无法了解别人最新的研究成果，所以重复了别人已进行 过的工作。物理化学协会对于齐奥尔科夫斯基的这篇论文及其本人作了这样 的评价：“这篇论文本身没能提出任何新内容，它的结论也不够完整，但是 从论文中可以看出作者所具有的相当高的才华以及刻苦钻研的精神……我们 希望作者能尽可能多地了解最新研究成果，并继续研究下去。”
这次递交的论文得到如此的评价，是一件很令人扫兴的事，但齐奥尔科 夫斯基并没有因此而气馁，反而更激励起他的钻研劲头。后来他回忆：“我 作出的许多发现，都是人家比我早发现了的。但是，我还是应该充分肯定这 些工作的意义，因为它们使我更加自信，并促使我得到新的成功。”不久， 他又写出了第二篇论文《生物机体力学论》。这篇论文材料充分、论证新颖， 得到了俄国著名生物学家谢切诺夫的良好评价。因此，在谢切诺夫的推荐之 下，齐奥尔科夫斯基被选为物理化学协会的正式会员。
这种荣誉使齐奥尔科夫斯基沉浸在巨大的喜悦之中，但他也没有因此而 停步不前。1883年，他利用假期的时间又完成了一篇题为《自由空间》（指 没有引力、没有空气阻力的宇宙空间）的论文。
在这篇光辉的论文中，他第一次提出宇宙飞船的运动必须利用喷气原 理，并绘制出了第一张宇宙飞船工作示意图。由于当时的理论认识与条件限 制，齐奥尔科夫斯基所设计的这种宇宙飞船是球形的，由安装在舱内的大炮 所产生的反作用力所推动，在发动机停止工作后，飞船在宇宙空间的位置依 靠飞行舱中的两对转动的圆盘来改变。
同时，他还提出了另外一种宇宙飞船的设计方案。这种宇宙飞船的动力 来自飞船贮存器中放出的气流而产生的反作用力。在论文中，他是这样叙述 的：“让我们假设一只装满大量压缩气体的大桶，如果打开桶一端的活门， 那么贮存的气流便会源源不断地从大桶中冲出来。这样，气流产生的气体弹 性 （反作用力）将会使大桶不停地运动。”在这里，齐奥尔科夫斯基所说的
“大桶”，就是现代宇宙飞船最原始的雏型。
在写出这篇卓越的论文之后，由于受到研究条件的限制，关于星际航行 问题的进一步探讨被暂时搁下了。齐奥尔科夫斯基新的研究课题是：设计出 一种科学的、能在大气层中飞行的、可操纵的金属飞艇。
四、全金属飞艇的设计
在很早以前，人类就能够制造出比重轻于空气的“飞行器”，这类飞行 器是依靠空气的浮力作用而上升到空中的。在中国西汉时成书的《淮南子》 中，有这样一条记载：“将一枚鸡蛋的一端钻孔，把蛋清、蛋黄从孔中吸出， 再将燃着的艾草的火焰放到空蛋壳之下，蛋壳就将迎风而起，飞上天空。” 这是现存的对热空气使物体在空气中浮升的最早记载。到了北宋时期，中国 的劳动人民又制造出了一种能够飘浮在天空中的“孔明灯”，它是以竹子扎 成框架、糊上薄纸，再在其中点上蜡烛，由于灯内温度升高，空气密度也就 随之变小，故而就冉冉上升了。这种“孔明灯”是当时孩子们最喜爱的游戏， 每当晴朗的夜晚，都会有许多“人造星星”在空中摇曳、闪烁。“孔明灯” 实际上就是近代热空气球的雏型。
1783年，人类历史上第一次进行了有生物搭乘的热空气球飞行。法国的 蒙德哥尔弗勒兄弟用麻布与纸为原料制成一只很大的热空气球，并将第一批 乘客——1只羊，1只鸭子和1只公鸡送上了云端。不久，由于人类掌握了轻 于空气的气体的分离方法，所以气球里便不再充入热空气，而是充入比空气 轻得多的气体——氢气或氦气了。这时也开始有人乘坐气球进行冒险的游 乐。
但气球并非人类长期寻求的那种理想的空中交通工具，因为气球是随气 流的变化而运动着，所以就无法按照乘员的意志飞行，只不过随着风向而到 处飘荡。这样，除了存在固定气流的地方，气球也就没有其实用价值。于是， 有人就提出了制造一种可由乘员操纵的气球——飞艇的设想。他们认为，飞 艇不仅能像气球一样在空中飞行，同时还能依靠它本身所具有的动力系统， 使乘员对它飞行的方向进行操纵。
在19世纪初期，关于飞艇的设计方案，有的设计家提出：为了减少空气 对飞艇的飞行阻力，飞艇的形状就应该如同一枚鸡蛋，成为椭圆形。为了给 飞艇提供飞行动力，有人建议使用空气螺旋桨；也有人认为使用压缩空气或 以酒精作燃料的发动机更为合理。
在不断地改进与争议中，飞艇设计取得了一些重要的进展，但仍然存在 着相当多的缺点。其中最突出的就是飞艇所采用的胶布外壳既不结实耐久， 又很容易引起火灾；而且当飞艇升空后，由于高空空气稀薄，压力较低，所 以飞艇里的气体就会膨胀，甚至出现外壳撑裂、艇毁人亡的悲剧。
针对飞艇的这个致命弱点，齐奥尔科夫斯基开始了对飞艇的研究。此时 他已经有了2个孩子，一间不大的居室里，不仅住着他们一家4口，而且在 破旧的家具中间还堆放着各式各样的仪器与模型。尽管生活条件如此的简陋 与贫寒，但一心铺在研究上的齐奥尔科夫斯基在妻子的支持下，坚持了他的 研究。
如同以往一样，齐奥尔科夫斯基每天很早就起床，进行几个小时的设计 研究后，便赶到学校教课；下课回家之后，他就专心于飞艇与研究，直到深 夜。就这样，经过2年多的艰苦研究，他最终完成了对新型飞艇的设计。他 设计的飞艇，一改往日的胶布外壳，以全金属的外壳取而代之。
根据对全金属飞艇的设计，齐奥尔科夫斯基写出了题为《气艇的理论与 实践》的科学论文，并将它寄到莫斯科自然科学爱好者协会。他的这种全新 的飞艇设计理论，在科学界引起了强烈反响与广泛的重视。在莫斯科的俄国 著名学者斯托列托夫与儒柯夫斯基看到这篇论文后，认为极有创见，就邀请 齐奥尔科夫斯基到自然科学爱好者协会去报告自己的研究成果。
来到莫斯科后，斯托列托夫与儒柯夫斯基热情地接待了这位衣着破旧、 皮肤黝黑的外省中学教师。在自然科学爱好者协会的讲台上，齐奥尔科夫斯 基用平静的声调叙述了他所设计的全新概念的全金属飞艇，马上引起了众多 听众的极大兴趣。政府也派人参加了报告会。
新式飞艇设计成功使齐奥尔科夫斯基受到极大的鼓舞。但正当他怀着激 动兴奋的心情回到家后不久，一场突发性灾难降临到他的头上。一个狂风的 夜晚，他的邻居家着了火，随着风势大火蔓延到他家，齐奥尔科夫斯基夫妇 被浓烟与烈火熏醒后，忙乱地抱着孩子们冲出了房子，其它的一切都来不及 抢救了。熊熊的火焰吞噬了他所有的图书资料、仪器、模型以及研究手稿， 这个家就这样被无情大火烧毁了。
在如此巨大的打击下，齐奥尔科夫斯基病倒了，坚持了几年的研究工作 也被迫中断了。此时他已30岁了，全家的生活重担都压在他的肩上；更为重 要的是，被他视为第二生命的多年来的科研结晶都成了灰烬。眼前的一切就 这样结束了吗？齐奥尔科夫斯基坚毅的意志否定了这种泄气的念头。在他妻 子以及几位朋友的全力支持下，他们又拥有了一个新家。对科学真理的追求 给了他无穷的力量，不久，他的病也好了，随之他又继续顽强地开始了工作。 在自传中齐奥尔科夫斯基回忆：“生活给我带来很多的不幸，幸运的是，我 用对事业的坚信战胜了它们。”
根据自己以前的研究，齐奥尔科夫斯基重新开始收集资料，向学校、向 朋友们借仪器、工具，不久又重新开始了全金属飞艇的设计。这次他所设计 的飞艇，吸取了上一次设计的经验并改进了不足之处，所以这种飞艇具有了 如下四个优点：
首先，是飞艇气体容积的可变性。在飞艇处于不同温度及不同高度的条 件下，飞艇的气体容积可以进行连续的调节，使其能持久地保持不断上升的 力量，针对飞艇气体容积的变化，齐奥尔科夫斯基建设性地采用了缠绕集结 系统与带有各种印纹的外壳。
其次，这种充气飞艇，可以依靠通过螺旋管道放出的废气热量给气体加 热，并使飞艇膨胀上升。
第三，这种飞艇在结构上采用有皱纹的金属外壳，可以大大增加飞艇的 强度而且不易发生火灾。
第四，在飞艇形状的设计上，齐奥尔科夫斯基选用了流线型的几何外形， 这样就减小了飞行阻力。
设计完毕并制造出飞艇的模型后，齐奥尔科夫斯基就将自己的设计手稿 以及精心制作的飞艇模型寄到了俄罗斯科学协会。当时科学协会的负责人， 著名的化学家门捷列夫进行仔细研究后，就把它们推荐给了俄国当局。但是， 齐奥尔科夫斯基对飞艇最先进的设计，并没有得到俄国当局的重视与支持。 当局甚至拒绝了为试验飞艇所需经费的合理申请，因为政府的这些官僚们并 不相信一个没有受过系统高等教育的中学教师能够完成如此复杂的设计，所 以他们宁愿花费大量金钱购买外国的材料与技术去制造旧型号飞艇，其实这 类飞艇的各种性能远不如齐奥尔科夫斯基所设计的全金属飞艇。
就这样，齐奥尔科夫斯基的辛勤劳动成果，在腐朽的沙俄统治者的忽视 下，最终未能取得实际的应用与推广。
五、对飞机的研究
眼见自己有关制造全金属飞艇的设想无法实现，齐奥尔科夫斯基心中百 感交集。视科学研究为生命的他又将研究领域转向一个当时很少有人涉足的 新领域——比重大于空气的飞机的研究。
从 1892年开始，齐奥尔科夫斯基陆续发表了一系列有关飞机研究的论 文。就在这一年，他完成了第一篇飞机研究的论文——《论用翅膀飞行的几 个问题》。儒柯夫斯基看完这篇论文后，对他的研究给予了很高的评价：“齐 奥尔科夫斯基先生的这篇大作给予我十分可喜的印象，因为在我用作者的方 法进行分析与试验后，得到了正确的结果。”
在该文中，齐奥尔科夫斯基详尽地分析了平板在流体 （液体与气体的总 称）中运动时，流体对于平板的作用力；在这里他所研究的平板，实际上就 是一对简单翅膀，它在空气中的运动就可以看作是鸟类在高空飞翔的动作复 制。在鸟类飞翔时，由于鸟与空气气流的相对移动，在鸟的翅膀上就产生了 空气动力，正是这种空气动力的产生，使得鸟类能在天空中自由飞翔。同样 的原理，当平板在空气中移动时也能够产生空气动力。这时的空气动力可以 分解为：垂直于物体表面、托浮起物体的力——升力；与物体运动的方向相 反、阻止物体运动的力——阻力。直到今天，如何尽量提高飞机的升力、减 少空气对飞机的飞行阻力，依然是空气动力学家以及飞机设计师们所要更好 解决的重要课题。
那么如何减少飞机在空中飞行时的阻力呢？齐奥尔科夫斯基用自制的仪 器进行了初步的研究。他在一块平板上固定了二个支座，在支座上装了一只 能够自由旋转的、带有圆筒的轴；圆筒上缠着一段带有铅锤的细线，这样铅 锤运动时线就带动着圆筒旋转；在垂直于转轴的方向上安装着两根细铁丝， 而细铁丝的两端分别固定着两块厚纸作的平板。这两块平板就是他的研究对 象。
在实际应用中，齐奥尔科夫斯基拿着这件仪器在屋子里、街道上走动， 并有意识地忽快忽慢，仔细观察并记录下平板旋转速度的变化，再经过一系 列的计算，最终就测定出了在不同条件下，平板所受到的不同阻力。
在观察与测定过程中，齐奥尔科夫斯基发现：平板所受到的阻力大小与 平板的长度和宽度之比有关。在实际记录中，他写道：“通过如此多的实验 我可以证明：长方形平板愈长、宽度愈窄，气流作用于其上的压力就愈小。” 他的这个结论完全符合现代航空理论，他的话用现代航空术语来表达，就是： 飞机飞行时的阻力值同翼展（飞机左右机翼之间的距离）和弦长（机翼最前 端与最后端两点间的距离）之比成反比，它们间的比值越大，阻力值就越小。 齐奥尔科夫斯基的这一发现对于未来飞机机翼的设计理论起到了重要作用。
1892年，齐奥尔科夫斯基全家迁往卡卢加地区，他在当地中学教授物理 与数学。虽然是来到了一个新地方，换了一批新学生；但他一如既往地对学 生们倾注了自己的爱心与关怀。由于他的讲课是那么风趣，实验又是那样的 熟练，所以学生们很喜欢这位和蔼可亲而又知识渊博的新老师。
在进行教学工作的同时，齐奥尔科夫斯基仍然抓紧时间继续研究关于飞 机飞行理论的问题。1894年，他又发表了《飞机或类似飞鸟的飞行机器》一 文。在这篇论文中，他向别人介绍了自己对于飞机制造的设想：“让我们所 制造的飞行机器具有一种能在一定高度自由飞翔的鸟类的形状；假设我们用 二只船用螺旋推进器去代替它的头；用燃烧燃料的中型发动机去代替它的肌 肉——而且这些发动机并不需要太多的燃料，也不需要笨重的锅炉以及大量 的水，还可以用空气使工作汽缸冷却，这一点在实践中已经采用过了；然后 再在它尾部的水平和垂直平面上装上二只舵。”
这就是齐奥尔科夫斯基关于未来飞机的设想，从示意图中我们可以发 现，他所设计的“鸟形飞机”的外形完全符合现代空气动力学的理论。为了 减小飞机飞行的阻力，他将机身设计成流线型，并将单机翼的末端做成了弯 曲状。为了使飞机能够加速飞离地面并安全降落，他在飞机底部装设了轮式 起落架；为了能够控制飞机的飞行高度与方向，他在飞机的尾部设计安装了 升降舵与方向舵。
齐奥尔科夫斯基所设计的飞机，经过了十几年以后才出现在天空中，由 此可见他超人的设计天才。尤为令人惊叹不已的是，在当时蒸汽机统治动力 来源的时代，他就大胆的预见到内燃机可以作为未来飞机的动力源，并对这 种远景充满了自信。在工作日志中，齐奥尔科夫斯基这样写道：“我确信在 不久的将来，设计师们就可以制造出非常轻而且功率又很大以汽油为燃料的 高效发动机，它们完全符合飞行任务的要求。”同时，在飞机设计中，他还 考虑到减轻驾驶员的疲劳程度的问题，提出了在驾驶舱安装能自动调节航向 的陀螺仪，这就为现代飞机中自动驾驶仪的设计奠定了成功的基础。
但是，在沙皇统治下的俄国一团漆黑，统治阶层所想的只是如何对外进 行掠夺、扩张自己的势力范围，所以对于齐奥尔科夫斯基的这种先进科学设 计根本不感兴趣，他们不愿花费大量的财力认真研制在当时看来没有太大用 途的飞机。
看到自己的科研工作如此地不受重视，齐奥尔科夫斯基感到极为苦闷， 在工作日志中他记下了自己在这一时期的心情：“在实验中我得出了许多新 的结论，但是这些新结论却往往受到政府的怀疑。这些结论可以在任何实验 中重演，但什么时候才能进行这些实验并且将其应用到实践之中呢？我不知 道，真不知道。这许多年来，我都是在不顺利的条件下紧张地工作着，没有 任何希望和任何支持。”
令齐奥尔科夫斯基感到欣慰的是，他按气体力学原理所设计的单翼飞机 的构造原理，终于在十多年之后得到了实际应用。他对单翼飞机设计的独特 构想，对后来的飞机设计产生了重大影响。
六、建成俄国第一座风洞
在全金属飞艇和飞机的设计过程中，齐奥尔科夫斯基需要不断地研究空 气动力现象，以便对它们的阻力值进行测试。与此，他就大量地采用了实验 方法。例如，在他自己制造的测量风阻的简单仪器的基础上，他又进一步加 以改造，在房子顶上，他安置了两根直径为25厘米，长为75厘米的管子， 一根管子中放置一块平板，而另一根管中放着准备进行阻力值测量的模型； 然后再用细杆将模型与平板连接起来；这时，在有风的条件下，平板就会迎 风旋转。于是他一面仔细观测，一面不断改变平板的尺寸大小，使整个装置 重新获得平衡，然后，再依据平板的大小计算出不同的阻力。虽然通过这种 方法求得的阻力不够精确，但同实标的误差已经不大了。然而对科学研究一 丝不苟的齐奥尔科夫斯基并不满足，他需要的是完全接近实际的数值。
显然，采取以往的实验方法是无法精确地研究空气动力现象的，因为自 然空气气流的原动力——风，是难以控制和变幻莫测的。所以，齐奥尔科夫 斯基就希望能制造一台人工造风的机器以产生理想中的稳定气流。但是，要 制造这样的一台“送风机”，需要几百卢布的费用，身为中学教师的他根本 无力拿出这么多的钱，于是他抱着一线希望给俄罗斯物理化学协会写了一封 信，请求协会给予帮助，然而协会却以“试验计划太简单”为借口拒绝给齐 奥尔科夫斯基拨款。
尽管无法得到外界的支持，齐奥尔科夫斯基却没有因此而放弃自己的计 划，他依靠自己那微薄的薪水，在妻子的支持下省吃俭用，积攒了一笔钱； 他又向朋友们借了一些钱，终于筹措到了足够的经费。1897年，他成功地制 成了自己理想中的“送风机”——俄国航空史上的第一座实验风洞。
用现代科学术语来解释，风洞就是产生人工气流的管道装置，用以研究 空气或其他气体绕物体的流动情况和物体的空气动力特性。试验时，把需要 测试的模型或实物置于风洞之中，就可以测量并研究空气在物体周围流动时 所产生的动力及其作用。
齐奥尔科夫斯基所制造的第一座风洞的实物现已不复存在，但他的设计 草图却保存到了今天，从这份原始草图中，可以了解到这座风洞是如何运作 的：在蜗牛形的喇叭口里安放一只靠重锤的牵动来转动的轮子，轮子的叶片 转动后，就会产生气流从喇叭口里冲出来，并吹到喇叭口前面的模型上。为 了测定模型受到的阻力值，齐奥尔科夫斯基将模型放置在一个木架上，并使 它在装满了水的铁容器的水面上处于飘浮状态；再用一条细线将模型与木支 架上的可移动金属摆连接在一起，于是，根据金属摆的倾斜度，就可以判断 出所产生的阻力值了。为了能够从风洞出口处得到均匀的气流（即要求出口 截面上每点的气流速度值均等），齐奥尔科夫斯基还首创了在喇叭口的出口 处安装整流格栅的方法。这样，当气流通过出口处的这种蜂窝状的小格子后， 速度就变得十分均匀了。
从以上的介绍可以看出，齐奥尔科夫斯基所设计的“送风机”结构虽然 很简单，但在原理上已经与现代的大型风洞完全一致。在科学技术高度发展 的今天，风洞技术在进行空气动力学的实验研究中得到了极为广泛的应用， 比如：在飞机、火箭以及其它飞行器的研制过程中，寻求最完善的外形设计； 分析运动员在运动过程中各方面所受到的作用力，以便进一步提高运动成 绩；在高层建筑的设计中，许多地方都要考虑到飓风的影响，风洞就是模拟 风力大小的最佳工具。
齐奥尔科夫斯基利用他自制的风洞，研究了各种形状的物体模型，并在 不断的研究中得出了一些重要的结论。然而，一个长期存在的问题依然困扰 着他，这就是经费问题，由于实验经费不足，他无力进行更大规模的研究。 鉴于上次的教训，所以他这次向俄国科学院发出了求援信，希望科学院的权 威们能够对他所进行的工作进行审查与评估，然后伸出援助之手以帮助他继 续进行新的科学试验。他在信中诚恳地写道：“诸位尊敬的先生们，如果您 对我所进行的工作评估良好，我是否能够得到科学院物质方面的帮助，以制 造一个功率更大的风洞？这样，我就可使用更大的气流来进行有关空气阻力 的新试验。我可以保证，所有的这些试验都是内容丰富、数据精确的新试验。”
科学院接到齐奥尔科夫斯基的来信后，就向他索取了详细的试验计划、 设计图纸以及其他的有关资料。在严格的审查之后，认可了齐奥尔科夫斯基 的创造性研究，并答应资助他一千卢布的实验经费。
不久，齐奥尔科夫斯基收到了这笔经费，这令他欣喜万分，这也是他在 十月革命以前唯一的一次得到官方组织的资助。利用这笔钱，在1900年12 月，他制造了一座新的风洞，这座风洞的口部是方形的，截面尺寸为 71×71 平方厘米；利用这个新风洞，他又进行了更大量的研究，得到了许多新数据。 1901年春天，科学院收到了他的详细的实验报告。
随后，在儒柯夫斯基的亲自参加下，俄国科学院按照齐奥尔科夫斯基的 设计方案制造了风洞，并进行了飞艇模型与飞机机翼的研究。
七、星际航行理论的奠基者
对飞行在地球大气层内的飞行器进行了深入研究之后，齐奥尔科夫斯基 的研究领域扩展到了火箭技术与星际航行理论方面，并开创性地提出了远程 火箭的飞行图解公式与星际航行火箭的运行公式，从而为人类的航天科学作 出了更加卓越的贡献。
如前所述，早在1883年，齐奥尔科夫斯基就在《自由空间》一文中提出 了关于宇宙飞船的最初设计方案，显示了他对宇宙航行的天才设想。 19世 纪 90年代，他又发表了两篇科学幻想小说，在小说中，他生动地描绘了人 类飞往其他行星球的雄伟构想。
1903年，齐奥尔科夫斯基发表了《利用火箭喷射仪器研究宇宙空间》一 文，这篇论文的发表，在人类的航天科学史上起到了划时代的重要作用。
首先，作者在论文中提出了用什么样的飞行器进入宇宙空间的问题。现 在我们已经知道在宇宙空间的空气极为稀薄，几乎接近真空，所以靠空气浮 力为力源的气球与气艇都无法飞出大气层。齐奥尔科夫斯基也意识到了这一 点，所以在他的论文一开始就写道：“装有自动观察仪的无人操纵的小型气 球，直到现在它的升限也未能超过22公里。很明显，利用气球飞往更高空间 的困难将随着高度的增大而不断增加，要利用气球或飞艇飞到大气层范围之 外是完全不可能的。”
随后，齐奥尔科夫斯基又认真地研究了利用大炮炮弹飞向宇宙的可能 性。他通过仔细的计算，最终认为利用炮弹飞往星际空间也是不可能的。这 是因为炮弹由大炮发射出时的初速度非常高，这就会在极短的时间内产生极 大的动力加速度，但这种加速度将会造成宇航员的突然死亡以及仪器的彻底 损坏。很显然，大炮的炮弹根本不能用于星际航行。最后他得出了自己的结 论：“我建议使用喷气装置，也就是火箭之类的飞行器去研究外层空间用以 代替气球和大炮炮弹。”
喷气式火箭，离开地面的初始速度并不是需要太高，而是在飞行过程中 逐渐加速的，最终达到足以摆脱地球引力，从而飞出地球大气层的速度。因 为宇航火箭的速度是逐渐提升的，加速度远比炮弹小得多，所以就能够保证 火箭内乘员的生命安全以及工作仪器的正常运转。但是，宇宙火箭在宇宙空 间是如何飞行的呢？它的构造又应是怎样的呢？通过什么办法才能够计算出 宇宙火箭的飞行速度与高度呢？这些都是当时未解决的问题。为了解决这些 问题，齐奥尔科夫斯基在物体运动力学理论方面进行了新的探索。他根据已 知的力学原理全面地研究了火箭的运动过程，从而创立了牛顿古典力学中新 的一章——变质量力学。他通过自己的研究，提出了著名的火箭推进速度的 计算公式——齐奥尔科夫斯基公式：
M
V＝Cl i
n M
k
式中：
“V”表示火箭运动的速度；
“C”表示火箭燃料的燃烧产物从喷气管喷出的速度；
“M”表示火箭起飞前的原始质量；
i
“M”表示燃料与氧化剂燃烧完之后的火箭最终质量。
k
这一公式表明，在外层空间，火箭的飞行速度是由发动机喷气管喷出气 流的速度以及火箭的起始质量与发动机最终停止工作后火箭的质量比所决定 的。要想提高火箭的飞行速度，就需要提高火箭发动机喷出气流的速度并增 大火箭的最初质量与最终质量的比值。
那么，究竟怎样才能增加这两个数值呢？齐奥尔科夫斯基认为：决定火 箭喷出气流速度快慢的是火箭燃料燃烧的性质，燃烧后释放热量大的推进剂 喷出的速度就大；而液体燃料的发热量要比固体燃料（火药）大，因此从流 体燃料火箭发动机喷气管中喷出的气流速度要比固体燃料火箭发动机喷气管 中喷出的气流速度大。因此，他在人类科学史上首次提出了采用液体燃烧为 火箭发动机的思想，并在他的这篇论文中绘出了世界上第一枚液体动力火箭 的构造图，从而为火箭的设计与发展开辟了一条崭新的道路。
齐奥尔科夫斯基所设计的火箭外形犹如一支雪茄烟，因为这样的外形可 以使火箭飞行时所受到的阻力最小。在火箭的前仓是宇航员的控制室；火箭 的后仓则被分为两个相互隔离的储藏室，储藏室中分别放置液态氢（作为燃 料）与液态氧 （作助燃剂），这两种物质在燃烧室内混合后就会燃烧起来， 燃气从喇叭形的喷气管内高速喷出。
为了更好地控制火箭的飞行方向，齐奥尔科夫斯基还在论文中提出了在 星际空间高速航行的火箭操纵问题。他设想在火箭喷气管的出口处安装石墨 舵 （因为石墨能耐高温），利用石墨舵在燃气流中的转动所引起燃气流的偏 转来改变火箭的运动方向。
从齐奥尔科夫斯基的这些设计中，我们可以看出虽然他的喷气式火箭设 计还相当原始，考虑也不够周全，但这确实是现代火箭的雏形，他的研究工 作，为以后火箭研制奠定了基础。
在此之后，齐奥尔科夫斯基在火箭设计及宇宙航行领域中继续深入研 究。1915年，他又发表了《论外层空间的航行》一文，在这篇论文中，他探 讨了火箭发射升空后如何返回地面的问题。此时，他已预见到火箭返回地球 的困难——这是因为火箭返回地球时的速度极快；因此，高速运动的火箭在 降落过程中就会与周围大气的摩擦而产生高温，所以不采取任何防护措施的 火箭就难免如同流星一样被烧毁。为了避免这种灾难性的后果发生，他提出 了利用低温液态氧循环冷却火箭外壳的方法，这样就能使火箭安全地返回地 球。
通过不断的深入研究，齐奥尔科夫斯基发现，仅仅依靠提高火箭发动机 喷出燃气的速度，无法解决火箭进入宇宙飞行的问题，因为当时还无法提供 一种能使火箭摆脱地球引力而飞行的液体燃料，这样火箭就无法以宇宙飞行 速度飞行。
我们所说的宇宙飞行速度有三个。第一宇宙速度也称为环绕速度，即当 物体以这一速度环绕地球运动时，所产生的离心力恰好等于在这一高度时物 体的重力。这个速度同物体所处的高度有关，物体在地球表面的环绕速度为 7.91公里/秒，在离地面200公里处为7.79公里/秒，具有这样速度的物体 就会环绕地球飞行，而成为地球的卫星。第二宇宙速度也称逃逸速度，即物 体脱离地球的引力而成为太阳的卫星所要达到的速度，其数值为11.2公里/ 秒。第三宇宙速度即物体脱离太阳引力的速度，其数值为16.5公里/秒；一 旦物体运行速度超过这一数，就会脱离太阳系而进入其他恒星系。
齐奥尔科夫斯基以为，必须设法提高火箭的原始质量与发动机终止工作 后的最终质量之比，才能用现有的液体燃料使火箭达到应有的速度，但是实 际上，单级火箭增加质量比的可能性并不大，这是因为贮藏液体燃料与氧化 剂必须要有足够的空间，而随着液体燃料与氧化剂数量的增加，它们占用的 空间也就会增加，这样火箭的整体重量也会不可避免地加大。因此，质量比 就无法提高了。
针对这个问题，齐奥尔科夫斯基在1929年发表的《火箭列车》的论文中， 首次提出了多级火箭的新颖构想。这样就大大增加了火箭的质量比，使人类 可以利用已经掌握的液体燃料实现飞往星际空间的美好愿望。
在这篇论文中，齐奥尔科夫斯基提出了两种多级火箭的方案。
第一种是串联多级火箭，它是由好几枚火箭一枚接一枚地串连起来的。 火箭发射时，第一级火箭点火，推动整个火箭升空，在它的燃料用完后，就 自动脱离“火箭列车”；接着第二级发动机又开始了工作，推动剩下的几级 火箭继续飞行，一直到燃料用完后也与“火箭列车”脱离；……就这样，到 了最后只有最前面的一级才成为真正在宇宙中遨游的飞行物，它实际上是依 靠其余火箭的不断推动而最终飞行在空间轨道上的。
第二种是并联多级火箭，齐奥尔科夫斯基称之为“飞行中队型火箭”。 在起飞时，并联着的多级火箭同时启动，当各级火箭的燃料同时燃烧得只剩 下一半时，旁边的火箭就将燃料灌入相邻火箭的燃料舱中，并脱离“火箭列 车”。就这样几次重复后，最终的一级火箭就将进入预定的飞行轨道。
那么，齐奥尔科夫斯基设计的“火箭列车”是如何提高火箭质量比的呢？ 下面就举一个简单的例子解释这个问题：假设单级空火箭的重量为500公 斤，其中装有1500公斤的推进剂，也就是说火箭在起飞前的总重量为2000 公斤，因此这时火箭的质量比就是2000/500=4。现在我们再来看一看“火箭 列车”（两级火箭）的质量比。“火箭列车”起飞前的总重量还是2000公斤； 不过这时，因为它是由两级同样的火箭组成的，所以每一级空火箭的重量为 250公斤，其中装有的推进剂为750公斤。在第二级火箭最终进入飞行轨道 后，“火箭列车”的质量比就是：起飞前火箭的总质量与第二级空火箭（即 宇宙飞行物）的质量之比 （因为第一级火箭在燃料燃尽后已脱离），即 2000/250=8，这就比单级火箭的质量比增加了一倍。因此，火箭的飞行速度 就会大幅度提高。以上是以两级火箭组成的“火箭列车”为例，如果要是更 多级火箭组成的“火箭列车”，根据同样的道理可以推算出它的质量比会更 大，它的飞行速度也将有更大的提高。
齐奥尔科夫斯基对于多级火箭设计原理的探讨，是火箭技术研究过程中 的一个巨大飞跃，因为他对火箭技术的研究，解决了使用化学燃料作为推进 剂来实现宇宙航行的运载工具问题，从而使宇宙航行具备了可能性。今天， 人类已经向太空轨道发射了2000多颗人造地球卫星与多艘宇宙飞船，这些都 是依靠多级火箭发射升空的。这一事实的成功源泉就是来自齐奥尔科夫斯基 的“火箭列车”的技术性设计。仅凭这一点，人们不能不承认齐奥尔科夫斯 基是现代航天飞行的卓越奠基者。
另外，在星际航行的问题上，齐奥尔科夫斯基还首次提出了建立空间站 的卓越设想。早在1883年发表的《自由空间》一文中，他就谈到了人造地球 卫星：“我所想像中的人造地球卫星就象月亮一样，不停地围绕地球运转； 但它只是在浓密的大气层之外，可以非常靠近地球，即大约离地球表面300 公里之外。”从此以后，他进行了许多计算，并指出发射人造卫星是人类进 入星际空间的第一步。
齐奥尔科夫斯基认为，空间站实际上就是一个巨大的人造卫星，它可以 成为未来宇宙飞船的“起航站”与“中转站”。他的这种思想十分符合星际 航行的实际情况，因为空间站建在大气层之外，在那里已经几乎不存在空气 的阻力，地球的引力也相对较小，而且空间站本身也具备了相当大的速度， 所以宇宙飞船从空间站起飞就只需消耗很少的燃料；同时，空间站也可以储 备大量宇航用物资，这样宇宙飞船在航行中不必再回到地面就可以得到充足 的物资补给。因此，宇宙飞行中空间站的建立，可视为人类跃进宇宙的跳板。
今天空间技术的发展，完全验证了齐奥尔科夫斯基的设想。前苏联发射 的“联盟号”、“礼炮号”空间站，数年如一日地在太空中绕地球运转，成 为人类研究宇宙的小小基地；美国科学家也计划建造并发射更大规模的空间 实验室以作为人类日后更深远地进入宇宙空间的基地。
