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».
Тогда он поставил множество оригинальных опытов. Добытых в них экспериментальных данных Кириллу Ивановичу хватило для веских теоретических выводов.
Да, теперь он чувствовал себя способным ответить на самый каверзный вопрос — о начале детонации.
Двигаясь относительно стенок трубы, газ из-за трения «закручивается», приобретая разную скорость. Стоит только одной точке пламени вырваться вперед, как фронт пламени бросается за ней и деформируется. Ускорение пламени вызывает ускорение еще несгоревшего газа, оно в свою очередь — ускорение движения пламени и т. д. Пламя ускоряется вплоть до перехода горения в детонацию.
От этого знания можно было смело идти к разрешению загадки вращения пламени в детонации, решать многие другие задачи…
Зимой 1940 года свой эксперимент со спиралью, которая буквально «взвинчивала» горение до детонации, Кирилл Иванович показал физикам и химикам Ленинграда.
— Поразительный эффект давала спираль, — вспоминает свое впечатление о той давней демонстрации академик Н. Н. Семенов. — Ясный, глубокий по смыслу эксперимент Щелкина — высокий образец экспериментаторского искусства.
— Меня до сих пор поражают его первые работы, — отзывается об этом успехе молодого Щелкина академик Ю. Б. Харитон. — Необычайно прозрачные и классически строгие. Введение проволочной спирали в трубу — простейший прием, показывающий необычайную глубину мысли ученого.
— Мы много спорили с Кириллом Ивановичем, — говорит академик Я. Б. Зельдович. — Я разрабатывал теорию горения, подходя к ней со стороны химической кинетики, осложненной выделением тепла, он акцентировал внимание на влиянии газодинамики. И в этом он нашел правильный ответ на вопрос о переходе медленного горения в детонацию. Опыт с шероховатостью трубы показал: у Щелкина была настоящая научная смелость, которая необходима, чтобы двигаться вперед, получать выдающиеся результаты.
Радуясь успеху сотрудника своего института, Николай Николаевич Семенов посоветовал ему: «Пора браться за докторскую диссертацию».
На подготовку докторской диссертации Щелкин решил отвести три года: с ноября 1940 года по ноябрь 1943-го. В процессе работы он надеялся всесторонне развить теорию детонации в газах. «Помимо теоретического интереса, — писал Кирилл Иванович в обоснование избранной темы, — исследование детонации в газах имеет и большое практическое значение, главным образом в связи с техникой безопасности. Ускорение сгорания и в особенности возникновение детонации в производственной обстановке (газоходы, выработки в каменноугольных шахтах и т. п.) неизбежно приводят к серьезным катастрофам. В связи с этим наиболее практическое значение имеет теория возникновения детонации и связанная с этим теория ускорения пламени, в большинстве случаев оканчивающегося детонацией».
Как всегда, в оценке своей работы Щелкин проявляет сдержанность. «До сих пор, — пишет он, — не существует теории возникновения детонации. Первые шаги к ее созданию были сделаны диссертантом в старых работах. Главной задачей настоящей диссертации является разработка теории возникновения детонации в газах и в приложении ее к взрывам в больших масштабах (газоходы, штреки)».
Работая над диссертацией, Кирилл Иванович систематизировал богатый материал, собранный во время поездок на шахты Донбасса для изучения особенностей возникновения горения и взрывов. Он написал специальный труд о механизме возникновения и распространения подземных взрывов, и институт направил эту работу для руководства специалистам по горной безопасности.
В своем теоретическом анализе Щелкин уподобил шахту с ее выработками, поддерживаемыми бревнами крепления, шероховатой трубе огромного диаметра. Пользуясь этой аналогией, он и нарисовал картину возникновения взрыва. Вспышка смеси метана с воздухом в забое вызывает ударную волну, распространяющуюся по выработке, — сначала по вентиляционному или откаточному штрекам, а затем по путям сообщения. Сметая каменноугольную пыль со стенок, пола и свода выработки, ударная волна формирует на своем пути взрывчатую смесь из воздуха и угольной пыли.