Первые опыты Циолковский производил над телами, движущимися в закрытом помещении, потом стал пользоваться естественным ветром и, наконец, самостоятельно изобрел и соорудил аэродинамическую трубу; она имела квадратное отверстие 35×35 сантиметров и скорость воздушного потока 5 метров в секунду. Нельзя не отметить при этом, что скромный самодельный аппарат калужского учителя был первой аэродинамической трубой в России, а одна из существенных деталей, так называемая «спрямляющая решетка», выравнивающая и успокаивающая воздушный поток, должна быть признана первой во всем мире.

О работе с этой трубой, или, как ее называл Циолковский, «воздуходувкой», изобретатель сообщает следующее:

«Как воздуходувка, так и измерительные приборы были оригинальны и очень чувствительны, что позволило получить новые и интересные выводы. Впоследствии к таким же выводам пришли и другие экспериментаторы. Подробный труд с большим атласом чертежей, таблиц и описанием наиболее совершенных аппаратов до сих пор еще не издан».

Конечно, теоретические представления Циолковского не были похожи на современную нам аэродинамику с ее сложной теорией воздушных вихрей; учение это разработано было позднее, в последние годы XIX и в начале XX века, главным образом трудами проф. Н. Е. Жуковского и немецкого ученого проф. Прандтля. Циолковский придерживался более упрощенных представлений, которые, однако, для своего времени были несомненно передовыми. Экспериментаторский талант помог ему, несмотря на примитивную теорию, достичь практически важных положений.

«Теоретики находили сопротивление воздуха для аэростата громадным. Мои опыты показали, что оно далеко не так значительно и что коэффициент сопротивления уменьшается с увеличением скорости движения аэростата. Опыты производились отчасти в комнате, отчасти на крыше в сильный ветер. Помню, как я был радостно взволнован, когда коэффициент сопротивления при сильном ветре оказался мал[15]: я чуть кубарем не скатился с крыши и земли под собой не чувствовал».

Циолковский измерял сопротивление, встречаемое со стороны воздуха движущимися телами различной формы: прямоугольных пластинок разной формы, повернутых поперек потока, призм, цилиндров, многогранников, шаров, различных тел вращения, полуцилиндров, конусов, модели аэростата Шварца[16]. Все это выполнялось с ничтожными денежными средствами, главным образом собственными; общественная помощь в этом деле была ничтожна. Вот что сообщает об этом Циолковский:

«Сочувствие прессы к моим трудам сопровождалось пожертвованиями от разных лиц на дело воздухоплавания (приток денег вызван был появлением упомянутой ранее статьи Голубицкого в „Калужском Вестнике“). Всего получено было 55 рублей, которые я употребил на производство новых опытов с сопротивлением воздуха… Но, увы, несмотря на порядочный шум газет, сумма оказалась чересчур незначительной. Так, Питер (Ленинград) выслал 4 рубля. Как бы то ни было, спасибо обществу и за то. Я многое разъяснил себе произведенными опытами, которые описал, так же как и устроенные мною приборы, в „Вестнике опытной физики“, в статье „Давление воздуха на поверхности, введенные в искусственный воздушный поток“ (1899 г.). Работа эта была представлена мною в Академию наук. Академик Рыкачев сделал о ней благоприятный доклад Академии, которая, благодаря этому, выдала мне по моей просьбе 470 рублей на продолжение опытов. Года через полтора мною был послан в Академию подробный доклад, состоящий из 80 писчих листов и таблиц-чертежей. Краткое извлечение из этого доклада было позднее напечатано под заглавием „Сопротивление воздуха и воздухоплавание“. После этой работы я некоторое время продолжал свои опыты, которые, связанные с разными вычислениями, постепенно выяснили мне истину сопротивления воздуха».

В другом месте Циолковский так рассказывает об успехах своих аэродинамических исследований:

«Академия дала о моих трудах благосклонный отзыв, но в виду множества сделанных мною оригинальных открытий отнеслась к моим трудам с некоторым сомнением. Теперь (1913 г.) Академия может порадоваться, что не обманулась во мне и не бросила денег на ветер. Благодаря последним опытам Эйфеля, самые странные мои выводы подтвердились».

К аэродинамическим работам Циолковского примыкают его опыты по гидростатическому испытанию дирижаблей. Речь идет о придуманном им особом способе исследования сил, действующих на оболочку воздушного корабля. Рассчитать математически оболочку дирижабля на прочность чрезвычайно трудно; задача слишком сложна. Взамен расчета, прибегают поэтому к опыту. Пользуются тем, что вода, налитая в модель оболочки, распирает ее совершенно так же, как давил бы изнутри наполняющий ее легкий газ. Правда, вода тянет дирижабль вниз, наполненная же газом оболочка увлекается вверх, но законы действия сил в обоих случаях одинаковы. Поэтому различие в направлении не мешает инженерам, пользуясь тождественностью действия сил, делать заключение о прочности конструкции. Способ этот, придуманный впервые Циолковским, применяется сейчас во многих лабораториях: испытывая дирижабль, изготовляют его уменьшенную (например, в 30 раз) модель, подвешивают в перевернутом виде и наполняют водой; по тому, как распределяются в оболочке нагрузки от давления воды, судят об их распределении под действием распирающего газа. Этим остроумным и удобным приемом пользовались между прочим и строители стратостатов, чтобы заранее определить, какую форму примет оболочка в полете на различной высоте над землей.

Стиль изобретательской работы Циолковского, подведение теоретической и экспериментальной основы под каждый шаг, под каждое заключение, может служить, повторяю, образцом для изобретателей: вот как надо работать и изобретать!

Ничего подобного не наблюдаем мы в работах германского изобретателя воздушных кораблей гр. Цеп-пелина, шедшего ощупью, вслепую, и нередко допускавшего дорого стоящие ошибки, которых можно было бы избежать. Оценивая первые достижения Цеппелина, Циолковский писал:

«Цеппелин в 1900 г., на рубеже XX века, достигает сравнительно незначительного результата со своим цилиндром, разгороженным поперечными перегородками, еще более увеличивающими его сопротивление. Если бы Цеппелин сделал расчет, основываясь на очень недорогих опытах, то убедился бы, что его грандиозный по величине воздушный корабль не может получить скорости более 25 километров в час (7 метров в сек.); это и обнаружилось на деле. Только тот воздушный корабль можно будет назвать управляемым, который имеет значительную самостоятельную скорость, не меньшую 50 километров в час, т. е. 14 метров в сек. (скорость, отвечающую сильному ветру в 4 балла по метеорологической шкале)».

Работы Циолковского, относящиеся к расчету дирижаблей, и описание его опытных исследований изложены в полусотне печатных его трудов — книг, брошюр, статей. Из них главнейшие, включенные (в несколько измененном виде) в отдельный том его «Избранных трудов», следующие:

«Теория цельнометаллического аэростата» (1905–1908 гг.).

«Простейший проект металлического аэростата из волнистого железа» (1914 г.).