За эти годы Можайский основательно изучил паровые машины. В 1858 г. Можайский неожиданно получил приказ принять участие в экспедиции в Хиву.
Перед экспедицией была поставлена задача провести широкие географические исследования Арало-Каспийской низменности, в программу которых входило также изучение Аральского моря и бассейна Амударьи. Для проведения этих работ нужен был хорошо образованный и энергичный моряк. Таким человеком и был Александр Можайский. Он прекрасно справился с возложенной на него задачей. «За отличную усердную службу и труды, оказанные во время экспедиции в Хиву» он был награждён орденом Владимира 4-й степени. Кстати, это была не первая награда. До этого он уже был отмечен орденом Станислава 2-й степени, бронзовой медалью на Андреевской ленте и двумя бриллиантовыми перстнями.
В 1860 г. А. Ф. Можайский был направлен в Финляндию, в расположенный на берегу Ботнического залива город Бьернеборг, как тогда на шведский манер назывался финский город Пори. Там находились судостроительные верфи, на которых строился винтовой клипер «Всадник». Можайский как опытный морской офицер, хорошо знающий паромашинные силовые установки, должен был руководить монтажом паровой машины и всех механизмов судна. Эта работа, безупречно выполненная Можайским, оказалась для него хорошей школой. Теперь его знания паровых двигателей, ограниченные раньше преимущественно вопросами эксплуатации, значительно расширились. Он более основательно изучил их конструкцию, овладел техникой сборки, наладки и регулирования. Назначенный командиром «Всадника», он был не только первоклассным офицером, но прекрасным инженером, специалистом в области паровых машин.
В 1862 г. Можайский был временно уволен из флота. Он получил длительный отпуск в связи с сокращением личного состава флота, которое вынуждена была проводить Россия после поражения в Крымской войне. Можайский был назначен «кандидатом при мировом посреднике 2 участка Грязовецкого уезда Вологодской губернии» обязанностью которого являлось введение «Положения от февраля 1861 г.». В Вологодской губернии Александр Федорович Можайский женился на молодой помещице Любови Дмитриевне Кузьминой, которая родила сыновей: в 1863 г. — Александра и в 1865 г. — Николая. После рождения второго сына Любовь Дмитриевна умерла.
В этот период Можайский увлёкся идеей создания самолёта. Раньше он много наблюдал полёты птиц, видел, как они разбегаются, взлетают, парят, как планируют и садятся. Изучив специальную литературу о полёте птиц, Можайский приступил к созданию первого своего летательного аппарата. Это был обыкновенный воздушный змей, какие запускают ребята. Только размеры змея были иные. Можайский всё увеличивал их и в конце концов изготовил змей, на котором ему дважды удалось подняться и летать. Из этих полётов Можайский сделал вывод о больших возможностях неподвижного (не машущего) крыла в качестве источника подъёмной силы. Этот вывод имел далеко идущие последствия и позволил перейти к следующему этапу, к разработке схемы летательного аппарата тяжелее воздуха с воздушным винтом, то есть самолёта.
В те годы в разных странах, в том числе и в России, обсуждался вопрос о возможности управляемых полётов на аппаратах тяжелее воздуха; многие крупные учёные считали это нереальным — слишком смелой была эта идея. Но вот в 1870 г. знаменитый русский учёный академик М. А. Рыкачев провёл опыты по определению подъёмной силы винта, вращаемого в воздухе. Результаты были опубликованы в «Морском сборнике» в 1871 г. Из этих опытов следовало, что можно поддерживать в воздухе машину с помощью винта, приводимого во вращение этой же машиной. Можайский решительно делает свой выбор: будущее авиации принадлежит самолёту. Надо его создавать.
В 1873 г. он приступил к изготовлению моделей. В приложении книге Б. Д. Потёмкина «Военная аэронавтика» помещён эскиз из этих моделей. Из эскиза видно, что модель представляла собой своеобразный воздушный змей. На корпусе (фюзеляже), представляющем собой лодочку, устанавливалась штанга, к которой крепилась несущая плоскость в виде двух прямоугольных крыльев. Модель имела три воздушных винта (пропеллера). Корпус монтировался на тележке (шасси). К корме его крепились вертикальный и горизонтальный рули. Двигателем служила часовая пружина. Нетрудно понять, что в этой модели были уже ясно видны черты будущего самолёта со всеми пятью его основными частями (несушая поверхность, создающая подъёмную силу; фюзеляж; шасси; двигатель; оперение). Главное же заключалось в принципиальном — теперь уже и в практическом решении — двух главных задач проблемы самолёта: создания подъёмной силы и придания поступательного движения.
Свою модель Можайский продемонстрировал в 1876 г. собравшимся в здании манежа. Впечатление от этой демонстрации было огромное. «Кронштадтский вестник» от 12 января 1877 г. поместил статью о результатах опытов Можайского над летающими моделями самолётов.
«Аппарат при помощи своих «двигательных снарядов», — читаем мы в этой газете, — не только летает, бегает по земле, но может и плавать. Быстрота полёта аппарата изумительная; он не боится ни тяжести, ни ветра и способен летать в любом направлении. Замечательно, что хотя теперешний опыт с моделькой по причине её незначительной величины и жалкой беспомощности со стороны наших технических производств имел за собой все невыгоды для осуществления замечательной идеи изобретателя, но, несмотря на это, моделька всё-таки выполняла своё дело прекрасно. Опыт доказал, что существовавшие до сего времени препятствия к плаванию в воздухе блистательно побеждены нашим даровитым соотечественником... Мы не можем не приветствовать горячо изобретение г. Можайского и желаем ему полнейшего успеха в доведении дела до конца».
В газете «С.-Петербургские ведомости» 10 июня 1877 г. была помещена статья «Воздухоплавательный снаряд г. Можайского». В этой статье после полемики с противниками идеи управляемого полёта приведено описание модели Можайского и её испытаний.
В статье говорится: «В нашем присутствии опыт был произведён в большой комнате над маленькой моделью, которая бегала и летала совершенно свободно и опускалась очень плавно; полёт происходил тогда, когда на модель клали кортик, что, сравнительно, представляет груз весьма значительного размера. Изобретение г. Можайского было уже на испытании нескольких известных специалистов и заслужило их одобрение... К тому немногому, что мы имели право сказать об аппарате г. Можайского, мы можем прибавить, что стоимость изготовления летательной машины сравнительно небольшая, а расход на двигатель по отношению к грузу и возможной продожительности полёта, можно сказать, ничтожный». Ободрённый блестящими результатами испытаний моделей и очень благоприятной реакцией общественности, Можайский обратился в официальные инстанции с предложением о выделении средств «для дальнейшего производства изысканий и опытов как над движением проектированного им снаряда, так и для определения различных данных, необхо димых для рационального и правильного устройства всех составных частей такого снаряда».
В то время русских военных уже интересовали практические вопросы воздухоплавания. Было известно о бомбардировке австрийскими аэростатами Венеции в 1849 г.; об удачных опытах воздушной разведки с аэростатов, которые в 1859 г. провели французы при сражении с австрийскими войсками; о применении аэростатов для корректирования артиллерийского огня в гражданской войне 1861—1865 гг. в США. Пора было подумать о создании отечественной воздухоплавательной техники.
В 1868 г. при Главном инженерном управлении Военного министерства была образована Комиссия по воздухоплаванию. Во главе Комиссии стал крупный военный инженер генерал-адъютант Э. И. Тотлебен — руководитель инженерных работ при обороне Севастополя, при осаде Плевны, автор ряда трудов по военно-инженерной технике. К нему и поступило в январе 1877 г. предложение А. Ф. Можайского. Э. И. Тотлебен для рассмотрения предложения созвал комиссию, в состав которой кроме нескольких ответственных военных чиновников вошли и двое крупных учёных. Одним из них был ещё молодой, но уже проявивший яркое дарование математика и техника, профессор Инженерной академии и Петербургского практического технологического института, впоследствии почётный член Петербургской академии наук, почётный член и председатель Русского технического общества Н. П. Петров.
