. И. Щелкина разрешен ряд серьезных методических трудностей, в результате чего создан безупречный метод объективной регистрации быстро протекающих взрывных процессов.
Результаты исследований, а также широкое знакомство с литературой по вопросам горения и хорошая общая физико-математическая подготовка (о чем свидетельствует отличная сдача всех экзаменов по аспирантской программе) дают основание квалифицировать К. И. Щелкина как серьезного научного работника, вполне подготовленного к самостоятельным исследованиям».
На 19 октября 1938 года была назначена защита диссертации. Собрался ученый совет — маститые ученые во главе с Н. Н. Семеновым. Выйдя на трибуну, Щелкин едва ли не впервые почувствовал, как трудно рождаются фразы, хотя гипотеза, которую он излагал, была обоснована им, казалось, во всех деталях. Скованность, однако, продолжалась до первого вопроса. Получив его, Кирилл Иванович успокоился, отвечал четко. Да, в трубе, в смеси углеводородов с воздухом, отмечена детонационная волна. Длительное окисление затрудняет переход медленного горения в детонацию. Кирилл Иванович показывал фотографии, выписывал на доске формулу за формулой.
Оппоненты единодушно одобрили выполненные исследования. В постановлении ученого совета было записано:
«Работа К. И. Щелкина является крупным шагом вперед в науке о горении и показывает, что диссертант обнаружил не только высокую квалификацию в области горения и большое экспериментаторское мастерство, но и, выдвинув оригинальную и весьма обоснованную новую теорию возникновения детонации, показал себя сформировавшимся самостоятельным ученым.
На основании изложенного Совет Института единогласно постановляет: присудить Щелкину К. И. ученую степень кандидата физико-математических наук.
В связи с интересом, который представляет диссертация Щелкина К. И. для промышленности, имеющей дело с горением и детонацией, Совет Института просит Наркомат тяжелой промышленности напечатать диссертацию…»
На основе своих исследований Кирилл Иванович предложил промышленности способ определения появления и измерения интенсивности детонации в двигателях внутреннего сгорания.
Но как же обстояло дело с главным вопросом, занимавшим его? Вы помните этот вопрос — каким путем из нормального горения возникает детонация, а проще говоря, взрыв? Он уже мог обнадежить себя: кое-что прояснялось, складывались кирпичики будущей теории.
Сравнительно давно он впервые написал о роли газового потока в возникновении спиновой детонации. Не давал покоя ему этот поток. И не просто газовый поток, а взбудораженный, взвихренный.
Особенно часто Кирилл Иванович думал об этом на аэродроме, с которого он и его друзья по планерной секции совершали полеты. Одному из них удалось выполнить удивительный парящий полет — в неспокойной атмосфере восходящий поток поднял его на сотни метров.
— Вот так завихрения! — восхищался пилот, возвратившись на землю. — Ведь это уже совершенно другой полет!..
«А почему я, — слушая летчика, подумал Щелкин, — слабо учитываю завихрения потока газов в «полете» пламени? Ведь уже давно замечено, что завихрения или турбулентность увеличивают перенос тепла?»
И еще одно обстоятельство показалось ему необоснованно им обойденным: если внутреннюю поверхность трубы покрыть песком, то в такой трубе детонация возникает гораздое ближе к искре, чем в чистой… Это доказал Лаффитт в 1923 году. Но почему песок на стенках трубы способствует детонации?
Ох уж это коварство стенок! Щелкину вспомнился рассказ Николая Николаевича Семенова о том» как он в течение нескольких лет выяснял странности окисления фосфора под стеклянным колпаком. Когда впервые в 1927 году изучали эту реакцию» обнаружили, что при снижении давления кислорода в сосуде она внезапно прекращается. Чтобы разгадать загадку, Николай Николаевич впервые нарисовал тогда картину лавинообразной реакции соединения фосфора с кислородом» а потом гениально предположил» что обрывают эту цепь при малом давлении стенки колпака. Атомы кислорода» ударяясь о них» выбывают из реакции, и может случиться так, что она вообще не разветвится, если количество выбывающих из игры атомов кислорода превысит количество вновь рождающихся… В том процессе стенка в определенный момент играла роль стоппера.
«А у меня? Может, как раз наоборот… Может, она и есть возбудитель завихрения?.. — думал Щелкин. — Иначе как объяснить, что нанесенный на внутреннюю поверхность трубы песок так действует на горение? В песке есть кварц или полевой шпат. Может, виноваты они? Нет, не будем ограничиваться химической стороной дела. Посмотрим шире. Пусть нам будет безразлично, песок это или что другое. Лишь бы завихрялся, возмущался газовый поток».
Вспомним самое простое. Чиркая спичкой по гладкой поверхности, огня не добудешь. Только трение вызывает огонь. Возьмем более сложный случай. Пламя, вспыхнув в шахте, «чиркает» по шероховатостям выработки и быстро переходит в детонацию. Ученые попробовали зажечь «шахтную» смесь в гладкой трубе, детонации не получилось.
Кирилл Иванович решил эту же смесь поместить в шероховатую трубу. Будет ли детонация?
Поставив несколько опытов, он убедился: наличие выступов, вообще всяких шероховатостей способствует возникновению детонации. Эти шероховатости, по-видимому, усиливают турбулентность газового потока. Но ведь и без них возникает детонация. Значит, главный источник турбулизации в самом пламени. Это — расширение горящих газов. Оно порождает поток несгоревших газов, который и ускоряет горение. Снова и снова возвращался он к счастливо найденной идее.
Ускорение пламени зависит не от изменения давления и температуры, а от движения газа перед фронтом горения. Пламя пульсирует, струи горящих газов врываются в свежий газ. Фронт пламени становится косматым, его поверхность резко возрастает, и вследствие этого растет линейная скорость распространения. Ускоряющееся пламя посылает вперед волны сжатия, которые, догоняя друг друга, соединяются в мощную волну, вызывающую детонацию.
А что же шероховатость? Она увеличивает степень турбулентности. Значит, усиливая шероховатость стенок трубы, можно убыстрять горение и ускорять возникновение детонации?
Кирилл Иванович начал увеличивать число выступов и неровностей. Опыты подтвердили его схему: шероховатость — турбулентность — быстрое ускорение горения до детонации.
Своей идеей Щелкин поделился с Семеновым. Николай Николаевич тщательно оценил все данные его опытов. Нелегкий путь к открытию разветвленных цепных реакций научил Семенова быть строгим к каждому новому научному результату. Он посоветовал своему молодому коллеге проделать еще одну серию опытов.
Когда и эти опыты подтвердили гипотезу Щелкина, Николай Николаевич проверил отчет и направил его в Академию наук для публикации. Называлась эта работа «К теории возникновения детонации в газовых смесях».
Объяснение Щелкиным возникновения детонации в газовых смесях получило всеобщее признание. Сейчас в Большой советской энциклопедии в статье о детонации можно прочесть: «Согласно К. И. Щелкину, ускорение горения в газовых смесях связано с тем, что продукты сгорания, расширяясь, вызывают неравномерное (вследствие влияния стенок) движение свежей смеси перед фронтом пламени…»
Но все это было только зарождением теории. В 1939 году Щелкин писал: «Не все детали предлагаемого механизма возникновения детонации ясны, многое придется еще уточнить и изменить». И далее: «Следует еще раз напомнить, что изложенное выше относится к зажиганию слабым источником (искра, пламя). В случае зажигания готовой детонационной волной детонация возникает сразу, без предварительного самоускорения пламени».
Несмотря на все оговорки, оказалось весьма плодотворным то, что к объяснению возникновения детонации Щелкин подошел с позиции движения газов, с позиции газодинамики, бывшей всегда неотъемлемой частью физики. Именно здесь произошло соприкосновение химических и физических идей, оно высекло искру истинного объяснения сложного процесса. Так в основание нового направления изучения горения— газодинамики горения — был положен один из первых камней.
Результаты, полученные Кириллом Ивановичем, заинтересовали Курчатова. Встретившись со Щелкиным в Лесном, Игорь Васильевич засыпал его вопросами, заключив свои расспросы так:
— Обязательно доведите дело до точки! В университете, в Крыму, я работал с когерером Попова. Вот вам пример. Пока теоретики рассуждали о вероятности передачи сигналов на расстояние без проводов, Попов не только всесторонне развил теорию, но и построил прибор, собрал коллег и продемонстрировал радиопередачу на деле. Или возьмите Павлова. Благодаря ему природа условного рефлекса стала понятна даже ребенку. Обнажите и вы свою идею.
И Щелкин продолжал искать, как нагляднее подтвердить связь шероховатости с турбулентностью и возникновением детонации. А что если отдельно от трубы «изготовить» шероховатость и «вставлять» ее внутрь только на время опыта? Без нее труба как труба. На определенном расстоянии от точки зажигания горючей смеси в трубе возникает детонация. Вставляешь шероховатость — горение гораздо быстрее переходит в детонацию. Вот это была бы картина! Нагляднее не придумаешь.
Ухватившись за эту мысль, Щелкин начал готовить решающий эксперимент. Сначала вдвигал в трубу кольцо, но эффект от такого «препятствия» был невелик. Тогда он заменил кольцо проволочной спиралью. И детонация стала возникать почти сразу после зажигания. Это было уже то, что нужно.
Вскоре построили экспериментальную установку: металлическая труба длиной около метра соединялась со стеклянной длиною в два метра. Во вторую половину стеклянной трубы вставлялась проволочная спираль, чтобы создать «искусственную» шероховатость, и в ходе опыта одна и та же фотография фиксировала распространение горения в гладкой и шероховатой частях трубы.
Оказалось, что в трубе со спиралью горение распространяется намного быстрее! Еще поразительнее было уменьшение расстояния от точки зажигания до начала детонации. В гладкой трубе оно составляло 71 сантиметр, в трубе с проволокой — всего 5 сантиметров! «Вот как меняется «взрывная константа», — думал Кирилл Иванович, — а ведь в первых опытах ты склонен был считать ее постоянной».