Пионерские работы по космонавтике и воздухоплаванию. В 1883 году, воспользовавшись школьными каникулами, он закончил рукопись «Свободное пространство», изложенную в виде научного дневника. Это первый в мире труд, в котором рассматривались явления в среде, где отсутствуют силы тяготения и сопротивления.
К.Э. Циолковским впервые был сделан четкий вывод - единственно возможный способ перемещения в космическом пространстве основан на принципе реактивного движения. Уже в этой работе чувствуется уверенность автора, что человек в будущем преодолеет барьер тяготения своей планеты. В «Свободном пространстве» ученый предугадал основы будущей космической техники и рассмотрел условия возможного существования человека в космическом корабле. Впервые он подошел к мысли о необходимости активного преобразовательного отношения к космосу как месту обитания людей.
Много и серьезно работал ученый в это время и над проблемой воздухоплавания, особенно над вопросом цельнометаллического дирижабля. «В 1885 году, имея 28 лет, я твердо решил отдаться воздухоплаванию и теоретически разработать металлический управляемый аэростат», — писал Циолковский. Результатом раздумий, исканий, расчетов явилась большая работа «Теория и опыт аэростата». Исследование это было первым в мире трудом о дирижабле переменного объема с металлической оболочкой.
Большую моральную поддержку оказали тогда молодому исследователю прогрессивные ученые И.М. Сеченов, А. Г. Столетов, Д. И. Менделеев. В Калугу семья Циолковского перебралась в начале 1892 года. Константина Эдуардовича как опытного и знающего педагога перевели на работу в Калужское уездное училище. В 1894 году журнал «Наука и жизнь» напечатал его статью «Аэроплан или птицеподобная (авиационная) летательная машина», где описывалась конструкция металлического моноплана с крыльями, похожими на крылья большой парящей птицы, двигателем внутреннего сгорания, закрытой кабиной для экипажа, убирающимися шасси и даже автопилотом.
В приложении к журналу «Вокруг света» появился его научно-фантастический рассказ «На Луне». Затем была издана научно-фантастическая повесть «Грезы о Земле и небе и эффекты всемирного тяготения». В петербургском журнале «Научное обозрение» опубликована статья «Продолжительность лучеиспускания Солнца». Циолковский построил аэродинамическую трубу для испытания моделей летательных аппаратов.
Это была первая в России «воздуходувка», как называл ее ученый, с открытой рабочей частью. Кстати, аэродинамическая труба, построенная под руководством профессора Н.Е. Жуковского, появилась несколькими годами позже. Работа по аэродинамике подучила поддержку Российской академии наук. Академия выделила Константину Эдуардовичу субсидию в 470 рублей на продолжение опытов. Это была единственная помощь официального учреждения ученому-самоучке.
Здесь был завершен капитальный труд «Исследование мировых пространств реактивными приборами». В нем впервые в мире основывалась возможность применения реактивных летательных аппаратов для межпланетных сообщений, давалась теория полета ракеты. Идея применения ракеты для решения научных проблем, идея использования реактивных двигателей для создания движения космических аппаратов целиком принадлежит Циолковскому. 5.