1892年，他和家人搬到了小城卡卢加，并在那里教了30年的书。从那时开始，齐奥尔科夫斯基的研究兴趣转到飞艇上来。他曾发表了多篇有关飞艇的论文，提出了全金属硬式飞艇的设想。那段时间他还研究过飞机，但由于经费不足，实验工作无法开展。这使他认识到，像飞艇或者飞机这类大型的工程问题，靠一个人在业余时间里摸索，很难得到有实际意义的成果。因此他觉得还是应当做一些理论研究工作。这时，他开始把主要精力投入到太空飞行研究上。

他创造了许多现在仍被使用的概念和技术：陀螺稳定器、逃逸速度……即使退休后他也坚持科研，一生共发表了500多篇航空航天相关的论文。

齐奥尔科夫斯基在1895年参观埃菲尔铁塔的时候，还萌生过打造太空电梯的想法：要是我们建一座足够高的电梯，是不是可以直接冲出大气层，升入太空？这个概念之后在大量的科幻小说中出现。　

1897年5月10日，他独立发现了火箭方程。这个方程是航天器设计的基础，直到现在还在被使用。火箭方程让人类飞出地球成为可能。但是，齐奥尔科夫斯基也注意到，由于火箭方程里燃料质量增长比较缓慢，而火箭不可能携带大量燃料上天，因此需要其他方式来推进火箭。

1903年，齐奥尔科夫斯基发表了《用火箭推进器探索宇宙》，在这篇著名论文中，他提出了分级火箭、太空站、人造卫星的思想。他还计算出环绕地球做圆周运动所需的最小速度，也就是第一宇宙速度。齐奥尔科夫斯基认为，火箭应该采用分级的方式达到第一宇宙速度，使用液体推进剂，火箭升空时应该垂直于地面。在人类还没有用上飞机和汽车的年代，齐奥尔科夫斯基就已经准确预言了未来。

第一次世界大战之后，齐奥尔科夫斯基发表了太空飞行科幻小说《地球之外》，1919年齐奥尔科夫斯基发表了关于多级火箭的论文《太空火箭列车》。

随着世界范围内火箭和太空飞行研究热潮的兴起，齐奥尔科夫斯基的名望在迅速增长。1932年在他75周岁生日时，苏联的各大报纸和杂志都刊登了有关他的事迹和科学成就的长篇文章，斯大林也向他发去了生日贺电，一时间这位老人成了苏联杰出的人民英雄。

1935年9月19日，齐奥尔科夫斯基逝世于卡卢加，享年78岁。今天，在航天界仍然流行着一句名言，这是齐奥尔科夫斯基在给《航空评论》杂志的信中写下的："地球是人类的摇篮，但人类不可能永远被束缚在摇篮里。"

1989年，他的名字进入了国际航空航天名人堂。现在，月球背面的一个大型撞击坑被命名为“齐奥尔科夫斯基环形山”。

齐奥尔科夫斯基在20世纪30年代曾说：“我非常确信，星际旅行是可行的，因为我找到了它的理论基础……”

直到现在，我们才意识到一个被同代人视为怪胎的中学教师，是一位多么伟大的先贤。

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