«В погоне за светом и пространством...»

Пытаясь оценить эффективность «прибора», 10 мая 1897 года Циолковский вывел формулу, которая сегодня носит его имя. Она устанавливала связь между четырьмя параметрами: скоростью ракеты в любой момент времени, скоростью истечения продуктов сгорания топлива («газов») из сопла («трубы»), массой ракеты и массой топлива. Допустим, необходимо запустить спутник на околоземную орбиту. Значит, скорость ракеты после исчерпания топлива должна равняться первой космической скорости. Зная скорость истечения продуктов сгорания, можно перебирать соотношения масс топлива и ракеты, добиваясь оптимального значения. Формула сразу дала Циолковскому доказательство того, что космические полёты посредством ракет возможны. Она же позволила ему установить идеальное топливо для ракеты: горючее — жидкий водород, окислитель — жидкий кислород.

На основе своих расчётов Циолковский написал статью «Исследование мировых пространств реактивными приборами». Её первая часть была опубликована в майском выпуске журнала «Научное обозрение» за 1903 год. Ничего похожего на эту тему в то время не было. Циолковский сам понимал значение своей работы: «Предлагаю реактивный прибор, т. е. род ракеты, но ракеты грандиозной и особенным образом устроенной. Мысль не новая, но вычисления, относящиеся к ней, дают столь замечательные результаты, что умолчать о них было бы большим грехом. Эта моя работа далеко не рассматривает всех сторон дела и совсем не решает его с практической стороны — относительно осуществимости; но в далёком будущем уже виднеются сквозь туман перспективы до такой степени обольстительные и важные, что о них едва ли теперь кто мечтает».

В «Исследовании…» Циолковский описывал пилотируемую ракету с двигателем на жидком топливе, системой жизнеобеспечения и автоматическим управлением. Однако само открытие возможности внеземного полёта с помощью ракеты побуждало к большему, и Циолковский приступил к написанию второй части, в которой рассматривал перспективы появления новой технологии. Из-за закрытия «Научного обозрения» её публикация задержалась, и очередная статья увидела свет только в 1911—1912 годах — в журнале «Вестник воздухоплавания».

В этой работе Циолковский среди прочего сообщал: «По описанию полёта видно, что ракета может сделаться вечным спутником Земли, движущимся вокруг неё, подобно Луне. <…> Движение вокруг Земли ряда снарядов, со всеми приспособлениями для существования разумных существ, может служить базой для дальнейшего распространения человечества». Таким образом, транспортное средство для достижения космических скоростей превращалось в гораздо большее — орбитальную станцию, где люди смогут находиться годами, приспосабливаясь к необычной среде обитания в мире без тяжести.

Как обеспечить столь длительное пребывание в космосе, где нет каких-либо ресурсов и самой жизни? Циолковский решил и эту задачу, предложив снабдить «ракету-спутник» оранжереей замкнутого цикла: «Кто мешает захватить нам оранжерею с громадной поверхностью в упакованном виде, т. е. в малом объёме! Когда круговое движение вокруг Земли <…> установится, мы собираем и выдвигаем из ракеты наши герметически закрытые цилиндрические ящики с разнообразными зачатками растений и подходящей почвой. Солнечные лучи польются через прозрачные покровы оранжереи и приготовят для нас с баснословною быстротою наш роскошный стол. Они дарят нам и кислород и мимоходом очищают почву и воздух от животных выделений».