齊奧爾科夫斯基在宇宙航行理論方面的建樹是多方面的,當今宇宙航行的一些基本問題,他幾乎都有涉獵.
1883年,齊奧爾科夫斯基在《外層空間》一書中首先從理論上證明,行星際空間為絕對真空狀態(tài),火箭可以在空間真空環(huán)境中工作,因為它自帶氧化劑,燃料燃燒不需要外界供給氧.同時,它的反作用推進原理在真空中仍然有效.因此,火箭可以作為宇宙航行的動力.
1885年,他在一本科幻小說中提出發(fā)射人造地球衛(wèi)星的設(shè)想.
1903年,齊奧爾科夫斯基發(fā)表《用火箭推進器探索宇宙》論文,文中提出火箭公式,從理論上證明：火箭的速度與火箭發(fā)動機的噴氣速度成正比；火箭自身的結(jié)構(gòu)質(zhì)量越小,火箭所獲得的速度越高.這個公式后來被稱為齊奧爾科夫斯基公式,也被譽為宇宙航行第一公式,它為宇宙航行奠定了理論基礎(chǔ).齊奧爾科夫斯基還指出,液氫液氧是最理想的推進劑.在當時的工業(yè)技術(shù)水平上,他還指出,單級火箭達不到宇宙速度,必須用多級火箭接力的辦法才能進入宇宙空間.
1911年和1912年,齊奧爾科夫斯基又提出有關(guān)載人宇宙飛行的一系列設(shè)想,例如,到其他星球上去必須經(jīng)過真空區(qū),載人宇宙飛船必須攜帶空氣；飛船上必須有密封座艙；座艙中的空氣必須不斷凈化,才能為乘客提供新鮮空氣；飛船返回時利用地球大氣剎車；建立輪胎形空間住宅,用自旋產(chǎn)生人造重力；用動物和植物組成生物循環(huán)鏈,建立密閉生態(tài)系統(tǒng),為人提供食物和氧氣.他還推導和論述了不同質(zhì)量的物體在失重條件下的運動規(guī)律,研究了失重和超重對人體的影響.
1924年,他在《宇宙飛船》一文中具體地設(shè)想了一種紡錘形飛船,除動力裝置和密閉生態(tài)系統(tǒng)外,還提出了現(xiàn)今太空機動器的設(shè)想.他設(shè)想乘員走出密封座艙后,可利用“宇宙槍”噴出氣體的反作用力在太空真空中漫游.
齊奧爾科夫斯基還預言太陽的光能可以作為推動宇宙飛船的動力,因而提出太陽帆的設(shè)想.
齊奧爾科夫斯基一生寫下了730多篇論著,70歲以后,他還寫了《進入宇宙空間的火箭》、《宇宙火箭推進的列車》、《宇航員和火箭飛機加速升空》、《火箭燃燒》和《火箭的最大速度》等多部著作.
齊奧爾科夫斯基對宇宙航行理論的這些貢獻是其意志和智慧的結(jié)晶.
齊奧爾科夫斯基1857年生于俄國梁贊一個貧寒的家庭.10歲那年一場嚴重的猩紅熱病,奪去了他兩耳的聽力,無法繼續(xù)上學,只好由母親指導他讀書寫字.但第二年母親又去世了,他靠堅強的毅力自學了小學和中學的課程.16歲那年,他執(zhí)意上大學,但沒有一個學?？鲜者@個沒有中學文憑的聾子.他只身來到遙遠的莫斯科,寄住在一家好心的窮人家中,在圖書館中自學大學課程.父親每月只能給他寄來十幾個盧布.這點錢遠不夠伙食費,但他還要擠出錢來買書籍和實驗用品,有時連續(xù)二三天不吃東西,常常餓得昏了過去.
父親將他接回家后,他好不容易才被錄用為中學數(shù)學教師.在業(yè)余時間里,他全力進行宇宙航行理論的研究和實驗.然而,他常常不被人們所理解,認為他是一個“怪人”.他用科幻小說的形式宣傳宇宙航行知識,被權(quán)貴們斥為“異端邪說”.一家雜志發(fā)表一幅漫畫,諷刺他頭頂?shù)?腳朝天,腋下夾著大大小小的星球,挖苦他是“一個無名之輩,無聊文人”,斥責他“企圖把青少年引向邪路”.但他頂著各種奚落和打擊,毫不動搖地堅持自己的事業(yè).
經(jīng)過10多年的艱苦努力,他的研究成果才開始得到門捷列夫和斯托列托夫等著名學者的賞識.為了幫他在莫斯科找到一份工作,要他把自己的研究資料和實驗模型寄去.但鄰居的一場大火,使他的全部研究成果化為了灰燼.不過,他毫不灰心,重新積累資料,并寫成論文.可是沒有人肯為他出版.他想自己把論文印出來,又沒有錢.
齊奧爾科夫斯基有著徹底研究問題的良好習慣,從不放過任何微小的細節(jié).一次,他在物理學中學到,每一個作用力都會有一個大小相等、方向相反的反作用力存在.他在學習這一定律時,并不只是停留在定律本身,而是浮想聯(lián)翩.他想到,地球繞著太陽轉(zhuǎn),地球運行的離心力與太陽對地球的引力大小相等、方向相反,所以地球始終在軌道上繞太陽運行.然后,他又進一步大膽設(shè)想,如果地球發(fā)生災變,變成了碎片,碎片將會怎么樣?經(jīng)過思考,他認定地球碎片的引力中心仍然會繼續(xù)保持在地球繞太陽運行的軌道上.這樣,他就首先抓住了“引力中心不變定律”.這個定律與作用力和反作用力定律一樣,是解決宇宙航行問題的一個基礎(chǔ)理論問題.
另一次,他在看完一本叫做《作為星際航行工具的火箭原理》的小冊子后,發(fā)現(xiàn)書中有許多概念是錯誤的,于是便對火箭原理進行系統(tǒng)研究,這就導致了著名的火箭公式的提出,為宇宙航行理論打下了一個堅實的基礎(chǔ).