Стремясь защитить дирижабль, Константин Эдуардович приступил к изучению законов сопротивления воздуха. Эта тема давно интересовала ученого. И, конечно, не мог он пройти мимо этой области науки, занимаясь созданием летательных аппаратов. Уже после переезда в Калугу он написал статью под названием «К вопросу о летании посредством крыльев», в которой предложил оригинальный способ определения аэродинамических сил, действующих на крылья. Но гораздо важнее являлись для него в 90-е годы XIX века исследования законов сопротивления воздуха. Ведь именно эти законы должны были доказать следующее: аэростаты могут быть управляемыми или, напротив, навсегда останутся игрушкой ветров.
Первые опыты он стал производить с самодельными моделями. Поднявшись на крышу дома (к недоумению и недовольству хозяйки), Циолковский подставлял ветру свои модели, затем подсчитывал возникшее сопротивление и вычислял аэродинамический коэффициент модели. Конечно, точность первых экспериментов оставляла желать лучшего. Кроме того, ветер часто менял направление и силу, осложняя исследования. И он решает: пора перестать зависеть от ветра. Надо заменить естественный воздушный поток искусственным. А, значит, надо строить «воздуходувку» — установку, которую сегодня называют аэродинамический трубой. Никаких аналогов Циолковский не имел. Он мог рассчитывать только на собственную изобретательность. Но где взять деньги? Опять до крайности пришлось урезать семейный бюджет.
И все же труба была построена. Построена ценой переутомления, недоедания всей семьи, отказа от самого необходимого. Воздуходувка представляла собой вентилятор довольно крупных размеров, лопастное колесо которого приводилось во вращение при помощи тяжелого груза. Она занимала целую комнату. Средняя дочь ученого, Мария Константиновна вспоминала: «Дом наш был трехоконный, с двумя выходами: парадный – с улицы, и второй через кухню – со двора. Комнаты были проходные, кроме зальца, в котором поселился отец со своими моделями и аэродинамической трубой. Спать ему было негде, и он устроил себе спальню в прихожей, поэтому парадный вход наглухо закрыли. Кроватью ему служил верстак, тот самый, который сейчас стоит в музее. В связи с этим вспоминается такой эпизод. Сестра Аня, хотя и была моложе, иногда обижала меня, и мне приходилось спасаться у отца. Он поднимал меня к себе на верстак, где отдыхал после обеда, и я торжествовала: обидчица не могла до меня дотянуться».
В аэродинамической трубе ученый исследовал более ста моделей самой различной формы, склеенных их толстой бумаги. Итоги своих исследований он высказал в статье «Давление воздуха на поверхности, введенные в искусственный воздушный поток». «Прибор, устроенный мною, так дешев, удобен и прост, так быстро решает неразрешимые теоретические вопросы, что должен считаться необходимой принадлежностью каждого университета или физического кабинета», — писал Циолковский. В 1898 году статью опубликовал журнал «Вестник опытной физики и элементарной математики».
Но кто же поможет ему в дальнейшей работе? И Константин Эдуардович решается написать в высокую инстанцию – вице-президенту Академии наук. Честно говоря, он и сам не ожидал от Академии наук слишком многого. Он лишь упомянул о «Вестнике опытной физики». Однако, все произошло вопреки ожиданиям. Спустя десять дней после отправки письма Физико-математическое отделение наук передало его академику Михаилу Александровичу Рыкачеву. Лучшего рецензента и желать было нельзя. Проблемами воздухоплавания Рыкачев интересовался на протяжении многих лет, и даже сам провел серьезные исследования по аэродинамике в 1870-1871 годах.
Прочитав статью Циолковского, Рыкачев понял, что имеет дело с серьезным, вдумчивым исследователем. «Опыты эти заслуживают полного внимания академии, — писал Рыкачев в своем отчете, — как по идее, так и по разнообразию опытов. Несмотря на примитивные домашние средства, какими пользовался автор, он достиг все же весьма интересных результатов… По всем этим причинам производство опытов в более широких размерах и более точными приборами было бы крайне желательно, и я позволю себе просить отделение исполнить просьбу автора и оказать ему материальную поддержку из фонда, предназначенного на ученые потребности».
Результатом этого отчета стало решение Академии наук выделить Циолковскому для продолжения опытов 470 рублей, и эта сумма доставила Константину Эдуардовичу много радостных минут. «Я взял эти деньги с великой благодарностью и радостью и решился на эти деньги произвести все предполагаемые мною в проекте опыты», — писал он Рыкачеву. Не теряя времени ученый принялся за сооружение новой аэродинамической трубы. Прошло около полутора лет. За это время в своих опытах Циолковский продвинулся далеко вперед. «Сделаны были и измерительные приборы, и все это чуть не шесть раз переделывалось и перестраивалось, пока не получился воздушный поток достаточно удовлетворительный». писал он Рыкачеву. Результаты опытов заняли более шестидесяти листов, сведенных в таблицу, не считая множества графиков и чертежей. Он работает «на износ». И, почувствовав это, Рыкачев советует на время прекратить опыты, чтобы обработать то, что уже сделано. Циолковский соглашается. Весной 1902 года в Академию наук был отправлен подробный отчет, получивший высокую оценку специалистов. Действительно, Циолковский стал первооткрывателем многих закономерностей в науке о сопротивлении воздуха.
