Научные интересы В.Н. Челомея сосредоточились на исследовании динамической устойчивости упругих систем. В ходе этих исследований он получил важные теоретические результаты, нашедшие применение на практике, — им был предложен метод расчёта параметров продольных, поперечных и крутильных колебаний упругих систем. Этот метод позволяет создать универсальную вычислительную программу для ЭВМ и потому нашёл широкое применение.

В 1940 году было учреждено 50 сталинских стипендий для особо одарённых молодых учёных, работающих над докторскими диссертациями в специальной докторантуре АН СССР. В их число был включён и 26-летний В.Н. Челомей — самый молодой в полусотне избранных. Утверждается тема его докторской диссертации: «Динамическая устойчивость и прочность упругой цепи авиационного двигателя». Он получает сталинскую стипендию в размере 1500 рублей, весьма значительную по тем временам сумму. Для сравнения: профессор университета получал в то время 1200 рублей.

28 октября 1940 года на первой странице «Правды» появилась статья членов-корреспондентов АН УССР Ю.Д. Соколова и И.Я. Штаермана, в которой они, в частности, писали о В.Н. Челомее: «Его блестящий талант счастливо сочетает глубокое теоретическое проникновение с прекрасной изобретательностью инженера. Он не отвлекается в сторону беспочвенных абстракций, а решает действительно нужные и важные проблемы для социалистической промышленности». 7 ноября 1940 года в «Авиационной газете» (№ 55) появляется статья «Сталинский стипендиат» — о В.Н. Челомее.

С 1940 года Челомей в Москве, докторант АН СССР, работающий над докторской диссертацией. Установлен был и срок завершения и защиты диссертации — 1 июня 1941 года. По предположению Е.В. Кулешова, бывшего начальника сектора ОКБ-52 и впоследствии серьёзного исследователя деятельности и жизни В.Н. Челомея, докторскую диссертацию «Динамическая устойчивость и прочность упругой цепи авиационного двигателя» он защитил в срок, даже получил звание профессора, но из-за начала войны работа не была утверждена ВАКом, документы были утрачены… Неоднократно натыкаясь в своей жизни на требования соответствующих бумаг и справок, ведь «без бумажки — ты букашка», Челомей, когда позволила жизненная ситуация, в 1951 году дополнил диссертацию результатами новых научных исследований, вновь вышел на защиту и вновь успешно защитился уже в МВТУ им. Н.Э. Баумана.

Нельзя не заметить, что Челомей был единственным среди советских ракетостроителей человеком, получившим столь точное, истинно «ракетное» образование. Ведь и теория колебаний, и динамическая устойчивость упругих систем непосредственно рассматривают важнейшие вопросы, связанные с поведением конструкции ракеты — прочностью, устойчивостью, надёжностью работы отдельных систем во время полёта.

В июле 1941 года, вскоре после начала войны, В.Н. Челомей был назначен на должность начальника группы реактивных двигателей в ЦИАМ им. П.И. Баранова.

Осенью 1941 года сотрудники института вместе с частью оборудования были эвакуированы в Уфу В начале 1942 года при участии В.Н. Челомея был разработан проект ракетно-пушечной установки для боевых аэросаней НКЛ-26, вооружаемых пулемётом ДТ и приводившихся в движение толкающим винтом, вращаемым двигателем М-11 Г. Военно-промышленная комиссия рекомендовала принять установку на вооружение Красной армии. Это предложение 4 апреля 1942 года было доложено заместителю наркома авиационной промышленности П.В. Дементьеву.

В мае 1942 года в Москву из Уфы прибыл первый эшелон ЦИАМа с оборудованием. Вернулся в институт и Владимир Николаевич.

Широкий научный кругозор, творческое начало, исключительная работоспособность позволили В.Н. Челомею в середине 1942 года выдвинуть ряд теоретических обоснований по пульсирующим воздушно-реактивным двигателям. Его идеи и творческие разработки заинтересовали руководство, стали заметным явлением в научной жизни института.

Впервые пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД) был изобретён в России в 1906 году инженером В.В. Караводиным, на что тот получил «привилегию». Построен первый ПуВРД был в 1907 году, и газеты описывали его как «аппарат для получения пульсирующей струи газов значительной скорости, образующейся вследствие периодического сгорания горючей смеси».

Впоследствии работы над ПуВРД велись в США, а до боевого применения были доведены в нацистской Германии, создавшей самолёты-снаряды Фау-1, укомплектованные этими двигателями. До девяти тысяч этих самолётов-снарядов было запущено в годы Второй мировой войны, главным образом для бомбардировок Лондона. Применение Фау-1 отличалось более высокой эффективностью по сравнению с воздушными бомбардировками: прежде всего потому, что отсутствовали потери дорогостоящих бомбардировщиков и их экипажей.

В годы войны в СССР над созданием пульсирующих ВРД работали уже несколько групп, в частности группа Б.С. Стечкина, будущего академика и Героя Социалистического Труда, находившегося в Казанской «шарашке». Он хотел установить на крыльях Пе-2 12 пульсирующих малогабаритных реактивных двигателей УС-К (ускоритель Стечкина карбюраторный), призванных увеличить скорость бомбардировщика более чем на 100 километров в час. К сожалению, эта интересная работа не была доведена до серии.

Во второй половине 1942 года В.Н. Челомею удалось подойти к непосредственному воплощению давно замысленного им нового типа двигателя — ПуВРД. В это время его главными помощниками были техники Анна Алексеевна Курбатова и Пётр Алексеевич Фомичёв и инженер-конструктор Лев Борисович Эльштейн. В 1943 году В.Н. Челомеем был разработан и испытан экспериментальный пульсирующий двигатель прямой реакции ВЧ-1 (Владимир Челомей-1). Первый экспериментальный ПуВРД прямой реакции ВЧ-1 был разработан в трёх вариантах: с подвижной заслонкой, с тарельчатыми и пластинчатыми клапанами. Заслонка, устанавливаемая на камере сгорания, так же как и топливный насос, приводилась во вращение от внешнего источника. Тарельчатые и пластинчатые клапаны были автоматическими.

10 июля 1942 года В.Н. Челомей был переведён на должность научного сотрудника по группе прочности с окладом 1300 рублей. Помимо работ над пульсирующим двигателем он занимается вопросами нестационарной газовой динамики и динамической устойчивости.

Динамическая устойчивость — фактическая специальность Челомея — сегодня является основополагающим предметом любого ракетостроительного предприятия. Известный космонавт, дважды Герой Советского Союза Г.М. Гречко, начинавший свой путь в космос в отделе динамики «у Королёва», оставил о «той» своей работе замечательное краткое воспоминание:

«…Насколько важна такая работа, показывает случай с продольными (не изгибными!) колебаниями. Подряд несколько ракет, предназначенных для полёта на Луну, падали и рассыпались. В чём дело? Высказывались разные мнения, вплоть до диверсанта с винтовкой… Оказалось, что пульсация двигателей совпадает с частотой продольных колебаний, отчего возникает роковой для ракеты резонанс. Лишнее доказательство тому, что мелочей в нашей работе не бывает» [33].

В результате испытаний ПуВРД прямой реакции ВЧ-1 были выявлены дефекты входных клапанных механизмов всех трёх систем (вибрации заслонки, совершающей возвратно-поступательное движение, частые поломки тарельчатых и пластинчатых клапанов). Тщательный их анализ и доработки двигателя позволили создать новый экспериментальный ПуВРД прямой реакции ВЧ-2.

«Владимир Николаевич подобную работу (создание пульсирующих двигателей. — Н. Б.) выполнил гораздо лучше и раньше, ещё до войны, и экспериментально проверил. Но, как это у нас всегда было, к своим собственным изобретениям мы всегда относимся с недоверием. Когда у немцев Фау-1 полетел — тогда и вспомнили о двигателе Челомея», — говорил Герой Социалистического Труда, академик А.А. Дородницын [49].