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
