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로켓·우주 연구에 대한 연구, 공기역학 연구용 풍동의 개발 및 사용을 선도했으며 우주공간에서 로켓 여행에 대한 문제를 연구했다(우주탐사). 그는 평범한 집안에서 태어났다.

지방 산림관리자였던 아버지 E. I. 치올코프스키는 폴란드의 귀족출신이었으며, 그의 어머니 M. I. 유마셰바는 러시아와 타타르계 혼혈이었다. 9세 때 성홍열로 청력을 잃은 후 4년 뒤 그의 어머니가 죽었다. 이 두 사건은 어린 그에게 큰 영향을 주어 그를 내성적·자립적인 성격으로 만들었다. 공부에만 몰두했으며, 특히 수학과 물리학에 흥미를 가졌고 10대부터 우주여행에 관심을 보였다. 16세 때 3년 동안 모스크바에 머물면서 보청기를 착용하고 강의를 들으며 수학·역학·천문학·화학을 공부했고, 비행문제에 대한 이해를 넓혔다.

아버지는 그가 물리학의 난해한 문제를 해결할 수 있는 능력을 가진 것을 인식했음에도 불구하고 재정적으로 독립하기를 원했다. 그러나 아들이 모스크바에서 과로와 굶주림에 있음을 알고 1876년 그를 뱌트카에 있는 집으로 돌아오게 했다. 그는 곧 교사시험을 통과한 뒤 모스크바에서 약 100㎞ 떨어진 보로프스크에 있는 학교로 발령을 받았다. 그곳에서 교사경력을 쌓았고 V. Y. 소콜로바야와 결혼했으며 서서히 과학에 대한 관심을 되찾았다.

그는 과학의 중심부에서 격리된 채 자신만의 연구를 했다. 그는 기체운동론에 관한 방정식을 풀어 연구사본을 상트페테르부르크에 있는 러시아 물리화학학회에 보냈으나, 화학자인 D. I. 멘델레예프는 이것이 25년 전에 이미 풀렸음을 알려주었다. 멘델레예프의 격려를 받고 그는 연구를 계속했다. 지방학교 젊은 교사의 지적 독자성에 감명을 받은 러시아 물리화학학회는 그를 회원으로 초빙했다.

1892년 칼루가에 있는 다른 학교로 자리를 옮겼고 그곳에서 우주비행학과 항공학에 대한 연구를 계속했다.

그당시 그는 거의 일생을 바쳐 조절 가능한 기낭(氣囊)이 있고 전체가 금속인 비행선을 제작하는 데 착수했다. 그는 자신의 실험에 대한 타당성을 입증하기 위해 러시아에서는 최초로 풍동을 제작했다. 풍동은 다양한 형태의 항공기에 대해 공기역학적 장점을 시험할 수 있었다. 그는 러시아 물리화학학회로부터 어떤 재정 지원도 받지 못했기 때문에 풍동 제작을 위해 생활비를 사용할 수밖에 없었다.

그는 100가지 설계 모형에 관해 조사했고, 그의 실험은 매우 정교하고 훌륭했다. 그는 유선형(流線型) 물체를 지나는 공기흐름의 속도에 대한 공기마찰과 표면적의 효과에 대해 연구했다. 과학 아카데미가 그의 연구를 알게 되어 그에게 470루블을 지원했으며, 이 지원금으로 그는 좀더 큰 풍동을 제작했다. 그뒤 비행선과 비행기의 가능성을 비교하여 발전된 항공기를 설계하게 되었다(항공교통). 그러나 공기역학을 연구하는 동안 그는 우주 문제에 더 큰 관심을 가지기 시작했다.

1895년 그는 〈지구와 하늘의 꿈 Gryozy o zemle i nebe〉이라는 책을 출판했고, 1896년에는 다른 행성의 거주자들과의 통신에 관한 논문을 발표했다. 또한 같은 해에 열전달, 우주항해장치, 공기마찰에 의한 가열, 그리고 연료공급의 유지 등을 비롯해 우주공간에서의 로켓 기관 사용에 관한 이론적인 문제를 다룬 〈반작용 장치에 의한 우주 탐험〉이라는 논문을 쓰기 시작했다.

20세기의 처음 15년은 그에게 가장 암울한 시기였다. 1902년 그의 아들 이그나티가 자살했으며, 1908년 오카 강의 범람으로 집이 침수되어 그가 모아놓은 많은 과학기구들이 못쓰게 되었다. 1911년에는 혁명운동에 가담한 혐의로 그의 장녀인 류보프 콘스탄티노브나가 체포되었다. 과학 아카데미는 그의 공기역학실험의 가치를 인정하지 않았고, 1914년에는 상트페테르부르크의 항공학 회의에서 전체가 금속인 그의 비행선 모형이 완전히 무시되었다.

이 사건으로 의기소침해진 그는 60세가 되던 1917년 혁명이 일어날 때까지 가난에서 벗어나기 위해 노력했다. 생애 마지막 18년 동안에는 소련 정부의 지원으로 광범위한 과학문제에 관한 연구를 계속했다. 성층권 탐사와 행성간 비행에 대한 그의 공헌은 특히 주목할 만하며, 그당시 우주비행학에 중요한 역할을 했다. 독일의 과학자 H. 오베르트는 "당신은 불을 밝혔고 우리는 그 불이 꺼지지 않게 할 것이며, 인류의 가장 큰 꿈을 달성하기 위해 노력할 것이다"라고 말했다.

1919년 사회주의 아카데미(후에 소련 과학 아카데미로 개칭되었고, 지금의 러시아 과학 아카데미)에 선출되었다. 1921년 11월 9일 인민위원회는 교육과 비행학에 대한 그의 업적을 인정해 그에게 연금을 주었다. 죽기 전에 그는 자신의 일생에 걸친 연구업적을 소련 정부에 유증했다.