Для Донецкого бассейна Менделеев намечал и обосновывал ряд мероприятий, охватывающих развитие добычи каменного угля, использования глубоко лежащих пластов и реконструкцию транспортных путей.
Менделеев выдвигал смелые проекты изучения и освоения русского Севера. Он поддерживал начинания известного русского флотоводца и ученого адмирала С. О. Макарова, задумавшего достичь высоких широт в Арктике с помощью ледокола. Менделеев и Макаров говорили, что, ломая льды ледоколами, можно не только расширить перевозку грузов по Северному Ледовитому океану и сибирским рекам, но и достичь Северного полюса и других пунктов Ледовитого океана, куда в то время еще не достигали путешественники. Переписка Макарова с Менделеевым в очень живой и яркой форме показывает, какими смелыми идеями были воодушевлены передовые русские мыслители прошлого и как эти идеи не находили осуществления в дореволюционное время.
Важным стыком естественнонаучных интересов Менделеева и его практических стремлений была проблема воздухоплавания. Менделеев всю жизнь чрезвычайно интересовался учением о газах, и, как мы увидим ниже, ему принадлежат в этой области крупные открытия. Изучая разреженные газы, Менделеев заинтересовался верхними слоями атмосферы. «Этот интерес, — писал Менделеев, — привел меня в область метеорологии верхних слоев воздуха. А отсюда прямой переход к изучению воздухоплавания, дающего единственную возможность познать эти неизведанные края океана, омывающего сушу и воду. Мною овладело желание проверить на особо приспособленном аэростате тот закон перемены температуры с давлением разных слоев атмосферы, который я вывел… из совокупности имеющихся до сих пор наблюдений, произведенных при высоких аэростатических поднятиях, начатых в России Захаровым и выполненных потом французами и англичанами, соперничающими друг перед другом в опытном изучении верхних слоев атмосферы».
Русская научно-техническая мысль в области воздухоплавания обладала в то время длительной историей. Менделеев упоминает об академике Я. Д. Захарове, который в 1804 году в Петербурге поднялся на аэростате на высоту 2550 метров. Его полет продолжался 3 часа 45 минут. Захаров впервые применил аэростат для научных целей. Этот полет представляет выдающийся интерес для истории воздухоплавания, так как здесь впервые был использован ряд приборов, применяемых и поныне.
Полеты на аэростатах, развитие техники воздухоплавания и применение воздухоплавания для научных и практических целей продолжались в течение всего XIX века, причем темпы научно-технического прогресса в этой области стали особенно быстрыми начиная с конца 60-х годов. Здесь большое значение имели систематические исследования, начатые с 1869 года в русской армии.
Созданная Военным министерством Комиссия по применению воздухоплавания к военным целям произвела ряд исследований и изучила возможности наблюдений с аэростатов за продвижением войск и корректировки артиллерийской стрельбы по невидимым с земли целям. К исследованиям в области воздухоплавания была привлечена широкая научная общественность, в частности Русское физико-химическое общество. С 1880 года в Петербурге начал выходить журнал «Воздухоплаватель». В 1885 году в Петербурге же была создана первая кадровая команда военных воздухоплавателей, впоследствии названная «учебным воздухоплавательным парком». Одновременно участились полеты на аэростатах, связанные с метеорологическими и другими научными целями.
В это же время разрабатывались научные предпосылки авиации. В 1869 году А. Н. Лодыгин, выдающийся русский инженер и изобретатель ламп накаливания, выдвинул проект геликоптера с электрическим двигателем, в 60–70-е годы метеоролог академик М. А. Рыкачев, а несколько позже русский кристаллограф Е. С. Федоров выступили с важными теоретическими исследованиями, посвященными подъемной силе винтов и математическому расчету возможности использования винтов для полетов.
Менделеев, с его постоянным интересом к научно-техническим запросам практики, был энергичным участником всех крупных начинаний в этой области. Следует особо упомянуть о поддержке, которую он оказывал известному конструктору А. Ф. Можайскому и другим пионерам авиации и воздухоплавания.
В 1875 году Менделеев выдвинул идею стратостата. Он говорил о большом аэростате, к которому будет прикреплен «герметически оплетенный упругий прибор для помещения наблюдателя, который будет тогда обеспечен сжатым воздухом и может безопасно для себя делать наблюдения и управлять шаром». Менделеев не только проектировал стратостат, осуществленный значительно позже, но и разрабатывал план исследований на воздушном корабле, который мог бы подняться в очень высокие слои атмосферы. В этот же период Менделеев выдвинул проект управляемого аэростата и произвел расчеты, необходимые для его конструирования. Менделеев поддерживал постоянную связь с учеными, конструкторами, воздухоплавателями как в России, так и за границей. Он поднимался на аэростате, и его интерес к области воздухоплавания носил постоянный характер. Вместе с тем Менделеев внес вклад и в создание научных основ конструирования и применения аппаратов тяжелее воздуха, иными словами, в создание основ авиации.
Менделеев видел громадное практическое значение воздухоплавания и авиации для России. Россия, по его словам, «владеет обширнейшим, против всех других образованных стран, берегом еще свободного воздушного океана». Он решил внести свой вклад в разработку научных основ воздухоплавания и авиации. «Главную подготовку для овладения воздушным океаном, первое орудие борьбы, по его словам, — составляет знание сопротивления среды, или изучение той силы, против которой придется бороться, побеждая ее соответствующими средствами, в том же сопротивлении жидкостей берущими свое начало». Менделеев вычислял работу, затрачиваемую для преодоления сопротивления воздуха, формулировал законы движения жидкостей и газов, и эти работы оказали важное влияние на развитие теоретических основ воздухоплавания и авиации. Менделеев произвел ряд теоретических исследований и экспериментов и вместе с тем неустанно пропагандировал необходимость изучения законов движения тел в жидкостях. Книга Менделеева «О сопротивлении жидкостей и о воздухоплавании», по словам великого русского механика, «отца русской авиации» Н. Е. Жуковского, «может служить основным руководством для лиц, занимающихся кораблестроением, воздухоплаванием или баллистикой».
Изучая верхние слои атмосферы и разрабатывая вопросы давления воздуха в связи с задачами воздухоплавания, Менделеев видел громадное значение верхних слоев атмосферы для погоды. Эти верхние слои Менделеев называл «лабораторией погоды». Им овладела мысль самому подняться на аэростате. В 1887 году Менделеев поднимался на военном воздушном шаре для наблюдения полного солнечного затмения и подготовил затем статью «Подъем на воздушном шаре в Клину», где описывал полет, а также впечатления и настроение исследователя. Его очень радовал общественный интерес к полету. Менделеев поднялся над облаками, произвел наблюдения затмения и метеорологических явлений.
Широта и объем химико-технологических исследований, опыт естествоиспытателя-новатора были основой другой научно-технической победы Менделеева — изобретения нового вида бездымного пороха. До 80-х годов XIX века в армиях и флотах всего мира применялся по преимуществу черный порох (в основном состоявший из калиевой селитры, серы и угля). Черный порох называется также дымным. При сгорании этого пороха менее половины вещества превращается в пороховые газы, выталкивающие снаряд из канала ствола, а больше половины превращается в дым, позволяющий противнику судить о месте выстрела. Кроме того, черный, дымный, порох отличался легкой воспламеняемостью, и поэтому производство и хранение его было опасным. Издавна делались попытки получить порох, лишенный этих недостатков. Уже в 30-е годы XIX века был получен пироксилин — клетчатка (например, бумага), опущенная в азотную кислоту и затем вымытая водой и просушенная. Пироксилин при сгорании не дает дыма. Его пытались применить для армии и флота и заменить им черный порох. Но пироксилин обладал недостатками. Прежде всего он был химически нестойким, подвергался самовозгоранию, и многочисленные взрывы складов в конце концов привели к прекращению опытов с пироксилином в некоторых государствах. Кроме того, горение пироксилина было неравномерным, и это отражалось на качестве стрельбы. Дальнейший технический прогресс уменьшил опасность самовозгорания, но другие недостатки пироксилина сохранились. Он был недостаточно компактным, накаленный газ проходил через заряд, и он воспламенялся сразу весь, что вызывало высокие давления, приводившие к порче орудия. В 80-е годы был получен компактный пироксилин. Его смешивали с летучим растворителем, а затем под прессом получали пластинки различной толщины. Эти пластинки высушивались, растворитель улетучивался, и таким образом можно было располагать компактными роговидными пластинками желательной толщины. Оказалось, что эти пластинки сгорают параллельными пластами и поэтому время горения зависит от толщины пластинок. Таким образом, можно было управлять скоростью горения. Но до получения вполне пригодного бездымного пороха было еще далеко. Морское министерство обратилось в это время к русским ученым, и вскоре к разработке проблемы бездымного пороха был привлечен Менделеев. В одной из своих записок ученый говорил: «Бездымный порох составляет новое звено между могуществом стран и научным их развитием. По этой причине, принадлежа к числу ратников русской науки, я на склоне лет и сил не осмелился отказаться от разбора задач бездымного пороха, когда… угодно было обратиться ко мне с вопросами, относящимися до вводимого в армии и флоте бездымного пороха».
Менделеев был убежден, что ему удастся дать русскому флоту бездымный порох с высокими баллистическими качествами, устойчивый, получаемый сравнительно легким и простым способом. Пироксилиновый порох оказывался при существовавших тогда методах производства неоднородным. При сго