Konstantin Tsiolkovski devient professeur de mathématiques au collège après avoir passé le concours en autodidacte, une activité qu’il mène de 1880 à 1891, dans le district de Borovsk, au sud de Moscou, non loin de la province de Kaluga, d’où il vient. Il donne alors l’image d’un pédagogue enthousiaste, capable de transmettre les mathématiques par des exemples concrets.

Il revient finalement dans la province de Kaluga, encore en tant qu’enseignant, puis en tant qu’enseignant pour une institution pour filles relevant de l’Église catholique orthodoxe de 1899 à 1918. Il est ensuite très content du passage à l’école soviétique.

Il mène pendant toute cette période une intense activité de vulgarisation scientifique, appelant à développer les sciences et les scientifiques à se tourner vers des choses socialement utiles.

Mais, surtout, parallèlement à cette activité, il mène une intense réflexion sur la colonisation spatiale. Il écrit déjà des recherches à l’âge de 19 ans sur la présence de l’homme dans l’espace, à 21 ans il étudie déjà les principes d’une machine rotative pour fournir de la gravité. Il fait systématiquement des dessins pour avoir une représentation de ses idées.

Il écrit plusieurs manuscrits envoyés à la Société russe de physique-chimie de Saint-Pétersbourg : en 1881 une Théorie du gaz, ainsi que Représentations graphiques des sensations, en 1882 Sur les mécaniques théoriques de l’organisme vivant, une recherche sur la gravité et ses effets sur les êtres humains.

Cela lui donne un certain succès d’estime, qui prend une autre ampleur avec son manuscrit de 1883, Espace libre. Il y traite de la question du mouvement dans l’espace, affirmant qu’il fallait une éjection de matière – c’est le principe de la fusée. Il réfléchit également à la stabilité d’une machine volante au moyen d’un gyroscope.

Il se met alors à construire des tunnels afin de canaliser le vent et réaliser des expérimentations qu’il résume dans un article intitulé Pression de l’air sur des surfaces introduites dans un flux d’air artificiel, publié en 1898 dans le Messager de physique expérimentale et de mathématiques élémentaires. Cela lui permet d’avoir un soutien financier de l’Académie des sciences.

Entre 1900 et 1903, il se met à calculer les rapports entre la vitesse d’une fusée, la vitesse des gaz sortant de la fusée, la masse de la fusée, la masse des matières premières pour former les gaz. C’est ce qui sera appelé l’équation de Tsiolkovski, formant le principe de base pour le mouvement des fusées spatiale.

Il a utilisé une allégorie au moyen d’une barque pour la présenter simplement. Si on est sur une barque chargée de pierres mais sans avirons, on peut utiliser ces pierres pour atteindre la rive. Il suffit de projeter chaque pierre dans la direction contraire à la rive. Le mouvement de projection dans un sens fera avancer la barque.

Il faut cependant bien saisir que dans l’équation, le principe est que, pour que la fusée ait une plus grande vélocité, il vaut mieux la qualité que la quantité, c’est-à-dire qu’il vaut mieux améliorer la vélocité des gaz que leur débit.

Konstantin Tsiolkovski a ainsi fourni les éléments de base de l’astronautique. L’Américain Robert H. Goddard découvrira indépendamment l’équation en 1912, l’Allemand Hermann Oberth en 1920 et il faut noter les travaux en ce domaine du Français Robert Esnault-Pelterie, qui fut largement incompris dans sa démarche.

Il publie également en 1903 dans la revue russe Étude scientifique une Recherche sur les espaces et les véhicules réactifs, posant la question du voyage interplanétaire et de l’utilisation d’un carburant liquide et non solide, pensant à l’hydrogène liquide et à l’oxygène liquide.

On notera que cette question du carburant liquide fut déjà soulevée par l’Ukrainien Nikolaï Kibaltchitch (1853-1881), lors d’une note sur un avion-fusée écrite en prison juste avant sa mort pour la participation à l’exécution du tsar Alexandre II.

Il reprit cet article dans une version approfondie en 1912 pour la revue Le messager du vol, posant la question de la résistance de l’air, de la pression atmosphérique sur la fusée dans l’espace, de l’énergie atomique pour la propulsion.

L’année précédente, il avait publié dans le Bulletin de l’aéronautique un article en deux parties sur « L’exploration de l’espace cosmique au moyen des engins à réaction ».

Il commence alors à proposer la colonisation spatiale, avec l’établissement de l’humanité dans l’espace ; il participe en mai 1914 au troisième congrès panrusse de l’aéronautique à Saint-Pétersbourg, publiant la même année un article sur la seconde loi de la thermodynamique, où il remet en cause le principe d’une perte d’énergie dans l’univers.

Cependant, la reconnaissance scientifique de Konstantin Tsiolkovski se voyait restreinte par les possibilités pratiques et d’ailleurs la Société pour les sciences expérimentales lui refusa des fonds en septembre 1916.

La révolution d’Octobre 1917 ouvrit une nouvelle perspective.