Лишь после завершения своих аэродинамических опытов Циолковский разобрал «воздуходувку» и с особым увлечением занялся теоретической разработкой своего космического корабля.
Тяжелые бытовые условия не могли отвлечь Циолковского от вопроса, в котором он видел цель всей своей жизни. В 1903 году он опубликовал в «Научном обозрении» статью, посвященную проблеме космического корабля, под заглавием «Исследование мировых пространств реактивными приборами». Эта глубоко содержательная статья положила — не только в России, но и за границей — начало той отрасли науки, которая лишь через несколько десятилетий, уже в наше время, получила наименование «космической навигации» или «космонавтики», то-есть науки о движении летательных аппаратов в космическом пространстве.
В силу печальных обстоятельств, о которых будет сказано ниже, Циолковскому удалось напечатать только первую часть своей статьи. Опубликовать вторую ее часть он сумел лишь через восемь лет. Но основные положения были изложены Циолковским именно в первой части. Таким образом, приоритет в теоретическом обосновании применения реактивных летательных аппаратов как для исследования верхних слоев атмосферы, так и для проникновения в межпланетное пространство бесспорно принадлежит Циолковскому. Он первый в мире дал математический анализ тех крупных возможностей, которые открываются реактивными летательными аппаратами в применении к этим целям, определил скорости, необходимые для того, чтобы летательный снаряд мог преодолеть сопротивление атмосферы и земное притяжение, указал на наиболее подходящее горючее для межпланетного корабля и т. д. Фантастические мечты, развиваемые Циолковским в предшествовавшие годы, облекались теперь в научную форму. Корабль для космических полетов был, наконец, найден, и теперь производились первые его расчеты: мощность ракетного двигателя, его скорость, вес и т. д. Теперь намечался путь его в космосе среди небесных светил. Математическими выкладками Циолковский неопровержимо доказывал, что теоретически вполне возможен полет человека не только в пределах земной атмосферы, но и на огромные расстояния за ее пределами. Лучшим и, в сущности, единственно возможным летательным аппаратом для такого космического полета и должна явиться ракета. Основное в ней, ее «становой хребет» — камера взрыва, переходящая в раструб (для этого раструба ныне принято наименование «дюза»). Из камеры извергаются с огромнейшими скоростями (порядка нескольких тысяч метров в секунду) продукты мгновенного сгорания тех или иных веществ, например, водорода и кислорода. Они поступают в камеру из специальных баков, занимающих большую часть корпуса ракеты. Возникающая при этом реактивная сила сообщает межпланетному кораблю такую огромную скорость, что она позволит ему не только преодолеть всю толщу земной атмосферы, но и удалиться от земли на такое расстояние, на котором уже прекращается сила земного притяжения.