Пламя и взрыв

С фронта на фронт

Рядового Щелкина разыскали на артиллерийских позициях. В видавшей виды шинели, ботинках с обмотками и обгорелой шапке-ушанке Кирилл Иванович выглядел бывалым фронтовиком.

— Щелкина к командиру дивизии! — громко выкрикнул запыхавшийся связной командира батареи.

Артиллеристы, любившие своего разведчика, перестали копаться у пушек — как-никак вызывал командир дивизии.

По колее, проложенной танками, Щелкин шагал в указанном связным направлении. Путь лежал через заснеженный овраг, в сожженное село, где в подвале разрушенной школы расположился штаб дивизии.

Полгода Кирилл Иванович на фронте. Таких, как он, в части осталось немного. Позади — труднейшие кровопролитные бои, оборона Москвы.

Доброволец первых дней войны, он оказался в знаменитой 64-й (позднее 7-й гвардейской) стрелковой дивизии, вступившей в бои с фашистами еще в Белоруссии. В самое трудное время держала она оборону сначала на Минском направлении, затем на шоссе, ведущем в Смоленск. Потеряв почти половину личного состава, она ни разу не была отброшена врагом.

Вместе с ним с пополнением в разные подразделения дивизии прибыло несколько сот добровольцев из Москвы и Ленинграда. Щелкин был назначен вычислителем-разведчиком батареи начальника артиллерии дивизии. Начальник артиллерии, старший лейтенант Сидоркин, никогда не был полностью доволен полученными данными. После любого доклада старался что-то уточнить, узнать о противнике еще больше. Недаром разведчики между собой называли его: «И больше ничего?»

— Запомните, недаром я вас так гоняю, — объяснялся Сидоркин с разведчиками, заставляя их во время учения по пять раз засекать «огневые точки» противника. — Каждая ваша неточность может стоить многих жизней…

Кирилл Иванович быстро втянулся в суровый ритм боевой учебы. Ставя свои опыты, не раз кончавшиеся взрывами, он привык к опасностям. Да и физически был вынослив — помогли занятия планеризмом, греблей, плаваньем, стрельбой. Вкатывая пушку на позицию, Кирилл Иванович вспоминал, как он вместе с товарищами тянул к старту планер в болотистых Озерках.

А потом началось. Бои у Днепра, где дивизия впервые заставила противника отступить. Ошеломил тогда фашистов точно нацеленный огонь дивизионных пушек. А чего стоила разведчикам эта точность! Памятна и тяжелая оборона у Серпухова, у южных ворот Москвы. Здесь сюрпризом для гитлеровцев стали кочующие орудия, не дававшие им передышки даже ночью.

И все же главное испытание ждало гвардейцев на самом близком к Москве участке фронта, у Солнечногорска, куда их спешно перебросили в конце октября.

…На полях вокруг Москвы белел снег — зима наступила рано. Припущенные снегом железнодорожные составы, везшие дивизию от Серпухова к Солнечногорску, остановились в Химках, поблизости от столицы. Отсюда подразделения со своим оружием отправлялись на Ленинградское шоссе в район поселка Большие Ржевки.

Немцы уже заняли Крюково и рвались к Москве. Гвардейцы оседлали перекресток шоссейных дорог и стали стеной. В критические моменты бойцы кидались с гранатами под танки, не раз поднимались врукопашную. Смело действовали артиллеристы, в рядах которых сражался Щелкин. Был случай, когда командир орудия А. Черпус, оставшись один в своем расчете, вел огонь целый день, уничтожил 12 танков противника.

Гвардейцы несли потери. Но их силы не иссякали. Легкораненые не выходили из боя. В дивизию непрерывно прибывали коммунисты и комсомольцы из столицы. Они получали оружие и тут же рядом с ветеранами шли в бой.

В конце ноября по заданию командарма К. К. Рокоссовского группа гвардейцев во главе с офицером Ганцовым провела удачную вылазку в тыл немцев и захватила в плен фашистского офицера, одетого в парадную форму.

Щелкин с удивлением разглядывал пышно разодетого гитлеровца. Комиссар рассказал, что фюрер приказал офицерам частей, близко подошедшим к Москве, быть в парадной форме, чтобы 1 декабря торжественно вступить на Красную площадь.

Но эта задача оказалась им не по зубам. Наши бойцы не пустили их дальше ни на шаг. На подмогу защитникам столицы прибывали свежие силы, близился час расплаты. И вот впервые по цепи пронеслась весть: «Немцы попятились! Вперед на запад!» Кажется, слов более радостных Кирилл Иванович за всю свою жизнь не слышал…

«Что же это за задание такое, — раздумывал Щелкин, — которое будет давать сам комдив?» Поправив шапку и ремень на шинели, он открыл дверь в подвал и в свете керосиновой лампы увидел сидящего в полушубке седоволосого, с моложавым широким лицом комдива. Афанасий Сергеевич Грязнов, которому в декабре было присвоено звание генерала, поднялся со стула, поздоровался за руку, внимательно оглядел бойца. Потом взял со стола какую-то бумагу. Пригласил:

— Садитесь. Кем работали до войны?

— Старшим научным сотрудником в Институте химической физики… В Ленинграде, — ответил Щелкин.

— Есть труды?..

— Так точно.

— Кандидат наук?

— Так точно.

— Что ж молчали об этом?

— Ученая степень, товарищ генерал, не мешала мне бить фашистов.

— Это мне известно, — улыбнулся комдив. — Но вы нужнее не здесь. Пришел приказ товарища Щаденко откомандировать вас к месту прежней работы… В Казань… — поправился генерал. — Работа ваша теперь там. В двадцать четыре часа чтобы отправились… Вы что, не рады?

— Я доброволец, товарищ генерал…

— Приказ есть приказ. Завтра получите документы.

Утром, как всегда, старшина сурово оглядел Кирилла Ивановича. «Ну куда в таком виде ехать, — заворчал он, — подберем что-нибудь посвежее». Сборы были быстры: один предложил новые бриджи, другой гимнастерку, третий дал свой котелок. Собрали в дорогу несколько селедок, хлеб и консервы. Передавая все это Щелкину, ротный «Теркин» пошутил: «Хорошо в дорожке пирожок с горошком».

В штабе ему вручили удостоверение: «Выдано настоящее бывшему красноармейцу 7-й гвардейской стрелковой дивизии Щелкину Кириллу Ивановичу в том, что он следует в г. Казань для продолжения научной работы при Институте химической физики Академии наук СССР…

Основание: шифротелеграмма зам. наркома обороны т. Щаденко».

Так уезжал Кирилл Иванович с военного фронта на фронт научный. С двояким чувством покидал Кирилл Иванович родное подразделение. Недаром, видно, говорят: «Бой славен мужеством, а красен дружеством». В то же время он чувствовал, как соскучился по институту, по научной работе, темы которой мысленно произносил с ласкою: детонация, спин, турбулентность… Все это будило воспоминания о мирном Ленинграде, о товарищах, о семье. Как-то чувствуют себя родные на Вологодчине? Он знал, что через пять дней после его отъезда на фронт мать, жена и Феликс выехали из Ленинграда в Казань. Но до Казани не доехали, остановились в Вологде и с трудом добрались до совхоза на берегу Кубенского озера.

Проделав долгий путь по железной дороге, Кирилл Иванович появился в институте в кирзовых сапогах, с вещевым мешком за спиной и позвякивавшим у пояса котелком. В лаборатории встретили с радостью. Часами расспрашивали про бои, помогли недавнему фронтовику обжиться. Поселился он в общежитии на Клыковке. Туда вскоре привез и семью.

В эти трудные годы, создавая боевое оружие для фронта, конструкторы самолетов уже заглядывали в будущее, веря, что только реактивная техника обеспечит большие скорости полета. Раньше реактивные двигатели появлялись на летательных аппаратах эпизодически. В 1940 году совершил первый полет ракетоплан РП-1-318 конструкции С. П. Королева. 15 мая 1942 года летчик Г. Я. Бахчиванджи испытал в полете самолет-истребитель с жидкостным ракетным двигателем. Самолет носил марку БИ-1, его конструктором был В. Ф. Болховитинов.

Теперь же речь шла о самолете с воздушно-реактивным двигателем (ВРД). Сердце такого двигателя— камера сгорания. От ее устройства, от организации в ней рабочего процесса зависят надежность и мощь силовой установки. Лучшему пониманию протекающих в камерах сгорания процессов, отысканию возможностей их совершенствования призвано было содействовать исследование горения.

Теорию реактивного двигателя, как известно, разработал советский ученый академик Б. С. Стечкин. Еще в 1929 году он опубликовал серию статей по теории воздушно-реактивного двигателя.

К тому времени, когда вопросами горения в реактивных двигателях занялся К. И. Щелкин, авиаконструкторов интересовали всевозможные камеры сгорания, где в качестве окислителя используется воздух атмосферы.

Откликаясь на эти запросы, Кирилл Иванович предложил новую методику расчета одноклапанного пульсирующего двигателя. Повышение давления в камере сгорания такого двигателя осуществляется за счет использования скоростного напора набегающего воздушного потока. Через форсунки в эту камеру непрерывно подается бензин, а зажигание производится искрой авиационной свечи с частотой 40–50 циклов в секунду. В каждом цикле вследствие повышения давления в камере от сгорания смеси, клапан, впускающий воздух, на время закрывается, а продукты сгорания вытекают через сопло в атмосферу, создавая тягу, разгоняющую аппарат, на котором такой двигатель установлен. «Давление, под которым газы вытекают из камеры сгорания, — установил Щелкин, — зависит от скорости сгорания». Поскольку это так, размышлял ученый, время сгорания не является для данной смеси постоянным, оно будет определяться соотношением скоростей сгорания и истечения. Таким образом, зная закон изменения давления и время сгорания, нетрудно рассчитать характеристики, которые обычно интересуют конструктора.

В научной работе у него всегда впереди шла мысль. Если уж он ставил эксперимент, то лишь действительно необходимый.

«Наука должна очень экономно расходовать средства, — любил говорить он. — Стоит теоретически разобраться — и не надо многих дорогостоящих опытов. Постарайтесь сначала выделить суть явления, очистите его от всего второстепенного, тогда легче будет выразить его математически».

Авторитет Щелкина в коллективе института был так высок, что вскоре после возвращения с фронта его избрали секретарем партийного комитета.

Продолжая исследование горения в реактивном двигателе, он окончательно сформулировал то, что впоследствии получило название модели турбулентного горения. Ранее в расчете одноклапанного двигателя он не указал, каким образом можно усилить интенсивность горения, как увеличить поверхность пламени. Теперь этот изъян был ликвидирован. «Форсировать сгорание, — утверждает Щелкин, — можно с помощью турбулентности».

Перед войной он увидел в турбулентности ускоритель детонации. Теперь Щелкин делал упор на другую особенность турбулентности. Он открыл, что интенсивное разветвление пламени, перемешивание сгоревшего и свежего газа позволяет сжигать большие количества горючих смесей в малых объемах.

Часть его работы «Горение в прямоточном ВРД» увидела свет уже в 1943 году в статье «Сгорание в турбулентном потоке». Очень скоро статья эта стала известна во всем мире. Выводы Щелкина до сих пор лежат в основе представления о процессах, происходящих при форсированном сжигании горючих смесей.

Взвихренный газовый поток как бы «взламывает» гладкий фронт пламени. Поверхность, разделяющая сгоревший и свежий газ во взбудораженном потоке, оказывается сморщенной. В итоге скорость турбулентного распространения пламени становится во столько раз больше нормальной скорости горения, во сколько раз поверхность сморщенного фронта больше гладкой поверхности.

Исследуя общий случай горения в турбулентном потоке, он выяснил конкретно влияние турбулентности на процессы в камере сгорания, вывел формулы для определения скорости горения, высказал советы конструкторам по устройству диффузора и других частей двигателя.

Составной частью общей проблемы создания эффективного воздушно-реактивного двигателя являлась задача обеспечения безотказности его запуска и устойчивости горения.

Запуск двигателя с учетом турбулентности рисовался Щелкину так. После зажигания искрой образуется очаг пламени. Очень маленький. Размером в искровой промежуток, составляющий один-два миллиметра. Масштаб же турбулентности намного больше. От размера искрового промежутка до масштаба турбулентности пламя распространяется медленно — не быстрее четверти метра в секунду. Потом вступает в действие ускоритель-турбулентность, и скорость пламени возрастает примерно в сто раз.

Исходя из этой физической картины, Кирилл Иванович вывел условия безотказного запуска двигателя. А ведь запуск двигателя, к примеру, на летательном аппарате — дело первейшей важности. Стоит заглохнуть двигателю в полете и не запуститься вновь, как возникает катастрофическая ситуация. Что же предлагал Щелкин для запуска? Самым надежным он считал поджигание большим (больше масштаба турбулентности) источником воспламенения: пороховым зарядом или дополнительной горелкой на бензине, водороде, ацетилене.

А как обстояло дело с устойчивостью горения?

Для стабилизации пламени керосиновой лампы поступают просто: заключают его в стеклянный колпак. Но ведь в двигателе колпак не применишь. В нем стабилизировать пламя куда труднее. Можно, отмечал К. И. Щелкин, применять местное торможение потока. «Замедление потока в каком-либо месте можно создать, введя в камеру препятствие — экран, кольцо, выступ и т. д., причем такое, чтобы за ним скорость движения газа была ниже скорости распространения пламени. Распространение пламени от препятствия в несгоревшую смесь создает стабильную поверхность горения».

Однако Кирилл Иванович ясно видел и недостаток стабилизации путем местного торможения потока: неустойчивость против малых возмущений. Для большей надежности, предложил он, лучше осуществлять вторичное горение. Для этого в разные области камеры можно подавать бедную первичную и более богатую горючим вторичную смесь. Таким образом, возникают два конуса пламени — внутренний и внешний, и устойчивость горения повышается.

Зарождение новой отрасли техники — реактивного двигателестроения — потребовало усилий многих коллективов ученых и конструкторов. Кириллу Ивановичу всегда было приятно сознавать, что и ему выпала честь работать вместе с пионерами реактивной техники.

Все отчетливее он понимал: и здесь может возникать явление детонации, изучению которого он посвятил многие годы. Вместе с Я. Б. Зельдовичем и другими нашими учеными он показал, что детонационное горение не стоит особняком среди других видов горения. Форсирование сгорания в турбулентном потоке приводит к возникновению ударных волн, которые, в свою очередь, могут вызывать воспламенение смеси. Детонационное горение распространяется со сверхзвуковыми скоростями: 2–3 км!сек — в газах, 5–9 км!сек — в твердом топливе. Ученые исследовали возможности использования столь быстрого детонационного горения в реактивных двигателях. Что же касается ракет, то К. И. Щелкин со своими сотрудниками установил: сгорание в их камерах имеет глубокую аналогию с детонацией.

«Удивительно, — писал он по этому поводу, — как бывают неожиданны приложения науки! Пример с ракетной камерой, не переоценивая его практического значения, лишний раз подтверждает эту старую мысль… Необычайно широка и многогранна эта увлекательная, содержащая переплетения множества разнородных процессов область науки — о горении и взрывах».

Осенью 1943 года институт переехал в Москву. Расположились на Воробьевых — ныне Ленинских — горах, и жилье сотрудникам, в том числе и Щелкину, дали за городом. Приходилось добираться из дому поездом.

Кирилла Ивановича назначили заведующим лабораторией, которая, впрочем, состояла тогда лишь из четырех стен, пола и потолка. Предстояло добыть оборудование, привезти его.

Первое, о чем вспомнил Щелкин, это о том, что было оставлено в Ленинграде. Туда снарядили «экспедицию» из нескольких бывших ленинградцев. В еще осажденном городе они собирали необходимые установки, готовили к отправке в Москву, где первое время Кирилл Иванович и его помощники работали слесарями, столярами, токарями, стеклодувами, малярами. В короткий срок лаборатория приняла рабочий вид.

Вы помните планы Кирилла Ивановича: на подготовку докторской диссертации были отведены 1940–1943 годы. Война внесла в эти наметки свои суровые коррективы. Тем не менее уже осенью 1946 года «Вечерняя Москва» извещала: 12 ноября в Институте химической физики состоится публичная защита диссертации на ученую степень доктора физико-математических наук Щелкиным К. И. Тема: «Быстрое горение и спиновая детонация газов». Оппоненты: академики С. А. Христианович, Б. С. Стечкин, Л. Д. Ландау. На защите был и Игорь Васильевич Курчатов.

Защита прошла успешно. Кириллу Ивановичу была присуждена степень доктора физико-математических наук, а затем и ученое звание профессора. Вскоре после этого его вызвали в Президиум Академии наук. В кабинете С. И. Вавилова сидели представители разных направлений науки. Сергей Иванович предложил Щелкину перейти работать заместителем директора Института физических проблем. Кирилл Иванович поблагодарил за доверие, но согласия не дал. Заместителю, объяснил он, много приходится заниматься чисто административными делами, ему же не хотелось бы отвлекаться от науки.

— А чем занимается товарищ?.. — тихо спросил у Вавилова незнакомый Кириллу Ивановичу человек, кивнув в его сторону.

— Горение, детонация, взрывы… — объяснил Вавилов.

— Пожалуй, стоит подумать о другом, более злободневном применении его знаний…

С одобрения Игоря Васильевича Курчатова Кирилл Иванович был «призван» на атомный фронт.