18歲那年，他就想設計一個金屬飛行器。12年過去了，他隻得出三個結論：一是飛行器的外殼一定要像輪船那樣堅固，像鳥兒那樣輕巧；二是它的外殼要有一定的伸縮性，適應不同的氣候條件；三是它的外殼應該是金屬的。製造金屬外殼的飛行器不簡單呀！齊奧爾科夫斯基整整用了兩年的時間，反複設計、計算、實驗，終於搞出了點眉目。
他寫了《氣球原理》一書，裏邊有80個公式，150幅插圖。設計草圖掛滿了牆，製作的模型擺滿了屋子，但能充上氣飛行的隻有一個。他回憶這段生活時說：“這兩年，除了在學校上課以外，我幾乎沒有和別人說過話。看來人不說話也能生活。”望著自己兩年的心血，齊奧爾科夫斯基多想把它介紹給社會，以求得資助呀！
機會終於來了。1887年春天，齊奧爾科夫斯基得到自然科學愛好者協會的允許，可以就飛行器研究狀況辦一次講座，但首先要通過一名權威的考核。
接到消息後，齊奧爾科夫斯基立即動身去了莫斯科。一下火車，他就直奔考核專家斯托列托夫教授家。
教授打量著這位貌不驚人的年輕人，隨後發出了一連串的提問：牛頓的自然哲學原理，馮特的因果關係學說，奧斯特瓦爾德的能量守恒定律，黑格爾和萊布尼茨的學說，氣體動力學原理……這突然襲擊式的“考試”，不但沒有嚇倒齊奧爾科夫斯基，反而驅走了他初來時的不安心情，他講話聲愈來愈高，好像不是在回答提問，而是在演講。他從來沒有遇見過能跟他談論這麼廣泛、這麼深奧科學知識的人，好不容易碰上了這個機會，他怎麼能放過呢！
“考試”完了，斯托列托夫教授站起來說：“好極了！我沒想到，你這位居住在窮鄉僻壤裏的青年人能精通這麼多科學理論，明天請介紹你的飛行器吧！”
第二天在綜合技術博物院禮堂，第一個做報告的就是齊奧爾科夫斯基。他的整個報告幾乎全是實驗結果、公式和數據。報告結束時，隻有稀稀落落幾個人鼓掌。大會主席禮節性地和他握手表示祝賀。齊奧爾科夫斯基悶悶不樂地回到了住所。
可就在這天晚上，斯托列托夫教授派人送來了一封便信，信上寫道：“親愛的朋友，我祝賀你！盡管在你今天的報告結束時鼓掌的人寥寥無幾，這也難怪，因為你的報告太枯燥，同時你大膽的設想和科學上的獨創不是所有的人都能理解的。然而我認為你的每句話都建立在可靠的科學基礎上。你的飛行器一定會製作出來的，它將是我們俄羅斯科學的驕傲！我要盡全力幫助你實現這個宏大的理想。我決定以我個人名義向皇家技術協會航空部推薦你的報告。
我想，他們會撥出錢來資助你的。你要馬上返回巴洛夫斯克，把所有的資料，還有你做的模型寄往彼得堡，一天也不要耽誤，越快越好！”
齊奧爾科夫斯基連夜乘火車趕往巴洛夫斯克，可是不幸的災難發生了，鄰居家發生火災，殃及到周圍幾家，齊奧爾科夫斯基的家也被大火吞沒。他用10多年積累起來的圖紙、數據，及模型全部被大火燒毀。
火災後，齊奧爾科夫斯基病倒了，而且病了很長時間。病情稍稍好些，他就不顧醫生的勸告，撐著虛弱的身體又開始工作了。
全家人既要吃穿，又要買工具、材料，可是錢從哪兒來呢？壓縮生活開支，這是惟一可行的辦法。菜不吃了，黑麵包也隻允許吃八成飽。穿的好辦：一件衣服大人穿完小孩穿。
齊奧爾科夫斯基忍受著難以忍受的困難，以難以想象的毅力又整整研究了3年，總算把飛行器的詳細設計圖和模型搞出來了，連同手稿一起寄給了斯托列托夫教授，由他將飛行器設計方案呈送皇家技術協會航空部。
一兩個月過去了，他的設計方案如石沉大海。在絕望中，他看到彼得堡一家報紙上登的一條消息：
昨天在皇家技術協會航空部會議上，彼得洛夫上校就齊奧爾科夫斯基先生提出的製造金屬飛行器設計方案作了長篇報告，與會者對報告感到極大興趣，並進行了激烈的爭論。