«Одновременно меня страшно занимали разные вопросы, и я старался сейчас же их решать с помощью приобретенных знаний… Особенно мучил меня такой вопрос — нельзя ли применить центробежную силу, для того чтобы подняться за атмосферу, в небесные пространства?» Был момент, когда К. Э. Циолковскому показалось, что он нашел решение этой задачи. «Я был так взволнован, — писал он, — даже потрясен, что не спал целую ночь, бродил по Москве и все думал о великих следствиях моего открытия. Но уже к утру я убедился в ложности моего изобретения. Разочарование было так сильно, как и очарование. Эта ночь оставила след на всю мою жизнь: через 30 лет я еще вижу иногда во сне, что поднимаюсь к звездам на моей машине, и чувствую такой же восторг, как и в ту запамятную ночь».
Осенью 1879 года К. Э. Циолковский сдал экстерном экзамен на звание учителя народного училища, а месяца через четыре был назначен на должность учителя арифметики и геометрии в Боровское уездное училище Калужской губернии. На своей квартире в Боровске К. Э. Циолковский устроил маленькую лабораторию. У него в доме сверкали электрические молнии, гремели громы, звонили колокольчики, загорались огни, вертелись колеса и блистали иллюминации. «Я предлагал, — писал об этих годах К. Э. Циолковский, — желающим попробовать ложку невидимого варенья. Соблазнившиеся угощением получали электрический удар. Посетители любовались и дивились на электрического осьминога, который хватал всякого своими лапами за нос или за пальцы, и тогда у попавшего к нему волосы становились дыбом и выскакивали искры из любой части тела».
В 1881 году 24–летний К. Э. Циолковский самостоятельно разработал теорию газов. Эту работу он послал в Петербургское физико — химическое общество. Работа получила одобрение видных членов общества, в том числе и гениального химика Д. И. Менделеева. Однако ее содержание не представляло новости для науки: аналогичные открытия были сделаны несколько раньше за границей. За вторую работу, названную «Механика животного организма», К. Э. Циолковского единогласно избрали членом Физико — химического общества.
С 1885 года К. Э. Циолковский начал усердно заниматься вопросами воздухоплавания. Он поставил своей задачей создать металлический управляемый дирижабль (аэростат). К. Э. Циолковский обратил внимание на весьма существенные недостатки дирижаблей с баллонами из прорезиненной материи: такие оболочки быстро изнашивались, были огнеопасны, обладали весьма незначительной прочностью, и наполняющий их газ быстро терялся вследствие их проницаемости. Результатом работы К. Э. Циолковского было объемистое сочинение «Теория и опыт аэростата». В этом сочинении дано теоретическое обоснование конструкции дирижабля с металлической оболочкой (железной или медной); для пояснения сути дела в приложениях разработаны многочисленные схемы и чертежи.
Эта работа над совершенно новой задачей, без литературы, без общения с учеными, требовала невероятного напряжения и сверхчеловеческой энергии. «Работал я два года почти непрерывно, — писал К. Э. Циолковский, — я был всегда страстным учителем и приходил из училища сильно утомленным, так как большую часть сил оставлял там. Только к вечеру я мог приняться за свои вычисления и опыты. Как же быть? Времени было мало, да и сил также, и я придумал вставать чуть свет и, уже поработавши над своим сочинением, отправляться в училище. После этого двухлетнего напряжения сил у меня целый год чувствовалась тяжесть в голове».
В 1892 году К. Э. Циолковский значительно дополнил и развил свою теорию цельнометаллического дирижабля. Результаты научных изысканий по этому вопросу К. Э. Циолковский издал на свои собственные скудные средства.
Наиболее важные научные достижения К. Э. Циолковского относятся к теории движения ракет и реактивных приборов. Долгое время он, как и его современники, не придавал большого значения ракетам, считая их делом забавы и развлечений. Но в конце XIX столетия К. Э. Циолковский начал теоретическую разработку этого вопроса. В 1903 году в журнале «Научное обозрение» появилась его статья «Исследование мировых пространств реактивными приборами». В ней была дана теория полета ракеты и обоснована возможность применения реактивных аппаратов для межпланетных сообщений.
Важными и оригинальными открытиями К. Э. Циолковского в теории реактивного движения являются исследование движения ракеты в космическом пространстве, определение коэффициента полезного действия ракеты (или, как называет К. Э. Циолковский, утилизация ракеты), исследование полета ракеты под влиянием тяжести в вертикальном и наклонном направлениях. К. Э. Циолковскому принадлежит подробное изучение условий взлета с различных планет, рассмотрение задач о возвращении ракеты с какой‑либо планеты или астероида на Землю. Он исследовал влияние силы сопротивления воздуха на движение ракеты и дал подробные расчеты необходимого запаса горючего для того, чтобы ракета пробила слой земной атмосферы. Наконец, К. Э. Циолковский выдвинул идею составных ракет или ракетных поездов для исследования космических пространств.
Результаты трудов К. Э. Циолковского в теории ракет стали сейчас классическими. В первую очередь нужно отметить закон К. Э. Циолковского, касающийся движения ракеты в безвоздушном пространстве под действием только реактивной силы, и его гипотезу о постоянстве относительной скорости истечения продуктов горения из сопла ракеты.
Из закона К. Э. Циолковского следует, что скорость ракеты возрастает неограниченно с увеличением количества взрывчатых веществ, причем величина скорости не зависит от быстроты или неравномерности сжигания, если только относительная скорость выбрасываемых из ракеты частиц остается постоянной. Когда запас взрывчатого вещества равен весу оболочки ракеты с людьми и приборами, тогда (при относительной скорости выбрасываемых частиц 5700 метров в секунду), скорость ракеты в конце горения будет почти в два раза больше той, которая нужна, чтобы удалиться навсегда из поля тяготения Луны- Если запас горючего в шесть раз больше веса ракеты, то в конце горения она приобретает скорость, достаточную для удаления от Земли и превращения ракеты в новую самостоятельную планету — спутник Солнца.
Работы К. Э. Циолковского по реактивному движению не ограничиваются теоретическими расчетами; в них даны и практические указания инженеру — конструктору по конструированию и изготовлению отдельных деталей, выбору топлива, очертанию сопла; разбирается вопрос о создании устойчивости полета в безвоздушном пространстве.
Ракета К. Э. Циолковского представляет собой металлическую продолговатую камеру, похожую по форме на дирижабль или аэростат воздушного заграждения. В головной, передней, ее части находится помещение для пассажиров, снабженное приборами управления, светом, поглотителями углекислоты и запасами кислорода. Основная часть ракеты заполнена горючими веществами, которые при своем смешении образуют взрывчатую массу. Взрывчатая масса зажигается в определенном месте, вблизи центра ракеты, а продукты горения, горячие газы, вырываются по расширяющейся трубе с огромной скоростью.
Получив исходные расчетные формулы для определения движения ракет, К. Э. Циолковский намечает обширную программу последовательных усовершенствований реактивных аппаратов вообще. Вот основные моменты этой грандиозной программы:
1. Опыты на месте (имеются в виду реактивные лаборатории, где производятся опыты с неподвижно закрепленными ракетами).
2. Движение реактивного прибора на плоскости (аэродроме).
3. Взлеты на небольшую высоту и спуск планированием.
4. Проникновение в очень разреженные слои атмосферы, т. е. в стратосферу.
5. Полет за пределы атмосферы и спуск планированием.
6. Основание подвижных станций вне атмосферы (вроде маленьких и близких к Земле лун).
7. Использование энергии Солнца для дыхания, питания и некоторых других житейских целей.
8. Использование солнечной энергии для передвижения по всей планетной системе и для индустрии.
9. Посещение самых малых тел Солнечной системы (астероидов или планетоидов), расположенных ближе и дальше, чем Наша планета, от Солнца.
10. Распространение человеческого рода по всей нашей Солнечной системе.
Исследования К. Э. Циолковского по теории реактивного движения написаны с широким размахом и необычайным взлетом фантазии. «Избави меня Боже претендовать на полное решение вопроса, — говорил он. — Сначала неизбежно идут: мысль, фантазия, сказка. За ними шествует научный расчёт, и уже в конце концов исполнение венчает мысль».
Мечтая о межпланетных путешествиях, К. Э. Циолковский писал: «Сначала можно летать на ракете вокруг Земли, затем можно описать тот или иной путь относительно Солнца, достигнуть желаемой планеты, приблизиться или удалиться от Солнца, упасть на него или уйти совсем, сделавшись кометой, блуждающей многие тысячи лет во мраке, среди звезд, до приближения к одной из них, которая сделается для путешественников или их потомков новым Солнцем.
