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.