Война ускорила внедрение в производство научных достижений. Накануне Великой Отечественной войны оружейник В. Г. Грабин разработал и внедрил уникальный метод скоростного проектирования при параллельной разработке технологического процесса. В результате коллектив под руководством талантливого новатора сконструировал знаменитую 76-мм полковую пушку ЗИС-3 и внедрил её в производство всего за два месяца. А не менее известная 107-мм пушка для танка «Климентий Ворошилов-2» КВ-2 была создана за месяц с небольшим!
По данным Э. И. Гракиной, «доля новых образцов в 1943 г. достигла в стрелковом вооружении – 42,3 %, артиллерийском – 83 %, бронетанковом – более 80 %, авиационном – 67%2. Начиная с 1943 г. до конца войны в большинстве базовых отраслей индустрии было обеспечено наращивание продукции для военной промышленности, транспорта и народного хозяйства. Так, например, в 1945 г. стали было выплавлено на 45 % больше, чем в 1943 г., резко увеличилось производство качественного проката, специальных сталей, цветных металлов, развилась топливно-энергетическая база. Добыча угля приближалась к довоенному уровню и в 1945 г. превзошла его» (Гракина Э. И. Учёные в России в годы Великой Отечественной войны. – М., 2000).
Во время войны советские конструкторы решили задачу не только масштабного серийного выпуска военной техники, но и занимались вопросами повышения технологичности, удешевления, а вместе с тем и упрощения производства военной продукции. Примером тому служит легендарный танк, признанный лучшим танком войны – Т-34.
В гонке вооружений с Германией в СССР рождались новые технические отрасли: радиоэлектроника, радиолокация, реактивная авиация и артиллерия, ракетостроение и другие.
Продолжались и фундаментальные исследования в области физико-математических, технических, химико-биологических и других наук. Открытия в этих отраслях, полученные в годы войны, получили всемирное признание. Большой вклад в развитие ядерной физики внесли выдающиеся учёные: Д. Д. Иваненко, Я. И. Френкель, И. Е. Тамм. Научные изыскания Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси в теории нелинейных колебаний обеспечили прорыв в радиофизике и радиотехнике, создав новую научную область радиогеодезию. А 1942 г. П. Л. Капица, работая в области физики низких температур, открыл явление сверхтекучести гелия II (сверхпроводимость). Несколько позже другой известный физик Л. Д. Ландау создал теорию этого явления, совершив революцию в квантовой физике. Метод Капицы позволил в годы Великой Отечественной создать мобильные установки для получения жидкого кислорода, который имел широкое применение, в частности, применялся в бомбах из бетона, наполненных твёрдым горючим веществом.
Большую роль в военно-техническом прогрессе нашей страны сыграли исследования по термоэлектричеству и полупроводникам, ведущиеся под руководством академика А. Ф. Иоффе. Свои исследования в этой области он начал ещё в 1920-е гг. На их основе в годы войны были созданы малогабаритные термогенераторы, столь необходимые партизанам и разведчикам; светящиеся составы, чувствительные к инфракрасному излучению для оптических приборов ночного видения.
Развитие научных отраслей помогало на высоком уровне решать проблемы военной промышленности. Так, благодаря разработанным академиком М. В. Келдышем теории двух явлений – штопора и шимми (самовозбуждающиеся колебания переднего колеса шасси при взлёте и посадке самолётов) советские пилоты были надёжно защищены от этих опасностей. Во время войны в нашей авиации не было гибели самолётов и лётчиков по этим причинам.
Математики М. В. Остроградский и А. Н. Колмогоров разработали методы проверки качества боеприпасов. Научные открытия Колмогорова помогли также увеличить эффективность артиллерийского огня.
В 1942 г. группа математиков под руководством академика С. Н. Бернштейна разработала и вычислила таблицы для определения местонахождения судна по радиопеленгам. Благодаря им штурманские расчёты были быстрее примерно в 10 раз.
Разработки советских физиков и математиков были направлены на повышение манёвренности, скорости, безопасности и улучшение других тактико-технических показателей основных видов тяжёлой военной техники.
Большой вклад внесли учёные-физики Ленинградского физико-технического института в защиту кораблей Военно-Морского Флота от магнитных и электромагнитных мин. Ещё весной 1941 г. начались разработки противоминных устройств системы ЛФТИ в ЦКБ Наркомата судостроительной промышленности. В результате к началу войны были найдены методы размагничивания кораблей, созданы типовые проекты размагничивающих устройств. Проблема обезвреживания акустических мин была успешно решена к 1942 г. коллективом учёных-физиков под руководством чл. корр. АН СССР Н. Н. Андреева. Ими была разработана теория траления акустических мин.
Огромное значение для советской армии имели исследования взрывчатых веществ Ю. Б. Харитона, будущего конструктора советской атомной бомбы. В 1942 г. вместе с С. Б. Ратнером он создал мощные противотанковые гранаты.
Сложно переоценить вклад в борьбу с врагом советских химиков, которые подготовили вооружённые силы СССР к химической войне с противником на случай, если он, согласно военной доктрине Советского Союза, первый применит средства химического нападения. В итоге, немецкое командование, узнав о высоком уровне готовности советских химслужб и качестве средств химзащиты не решилось применить химическое оружие в ходе войны.
Колоссальный опыт советского самолётостроения был обобщён в «Руководстве для конструкторов», которое содержало методы конструирования и боевого применения новых типов самолётов, появившихся в преддверие и во время войны (истребители Як-1, ЛаГ-3, МиГ-3, штурмовик Ил-2, бомбардировщики Пе-2, Ту-2 и др.)
С марта 1941 г. начался выпуск бронированного штурмовика, Ил-2 С. В. Ильюшина – самолёта, не имевшего аналогов в мире. На протяжении 1941–1942 гг. КБ Ильюшина усиливало вооружение, защитные свойства Ил-2. К 1942 г. усовершенствованный вариант универсальный самолёт Ил-2, гроза танков, был запущен в серийное производство.
ОКБ С. А. Лавочкина разработало для серийного производства истребители Ла-5 с усиленным вооружением. Это был один из самых лучших истребителей войны, показав все свои достоинства под Сталинградом. В 1943 г. Ла-5 сменил более совершенный ЛаГГ-3.
Продолжалось совершенствование довоенных проектов, в 1942 г. в серийное производство вошёл улучшенный, более скоростной Пе-2. В этом же году пикирующий бомбардировщик ТУ-2 отправился на фронт, в боях стяжав себе славу лучшего фронтового бомбардировщика II Мировой войны.
Создание новых типов самолётов стало возможным благодаря фундаментальным исследованиям советских математиков и физиков. На вооружении советской авиации было передовое мощное стрелково-пушечное оружие, а также такое ноу-хау того времени как реактивные снаряды.
В 1943 г. коллективами учёных и конструкторов ЦАГИ, ЦИАМ, ЦИАТИМ и рядом ОКБ были созданы модернизированные образцы военной авиатехники. Благодаря оперативной работе Наркомата авиационной промышленности советская авиация быстро перешла на новые образцы вооружения: истребители Як-3, Як-9, Ла-5, Ла-7, Ил-4, Ил-10, Пе-3, Пе-8 (их скорость достигла околозвукового порога, была увеличена дальность полёта). Самолёты имели бортовые радиостанции, а штурмовики были оснащены противотанковыми бомбами, установками для реактивных снарядов, 23 и 37-мм пушками т т. д.
В 1943 г., в год «коренного перелома», когда появились первые проблески будущей Победы, КБ Ильюшина приступило к разработке первого пассажирского гражданского самолёта.
В годы войны конструкторская мысль в области советского танкостроения была раскрыта на самом высоком уровне. Когда в конце 1942 г. на вооружении Вермахта появились новые типы танков: «Пантера» и «Тигр», а в 1944 г. «Королевский тигр» – советские конструкторы приняли вызов немецкой инженерной мысли. Они вплотную занялись улучшением тактико-технических характеристик наших танков (проходимость, живучесть, бронезащита, манёвренность и др.). Было налажено производство универсальных бронепробивных снарядов. На модернизированном Т-34-45 с утолщённой бронёй была установлена новая башня, где мог помещаться ещё один член экипажа – наводчик, а так же 85-мм пушка. С января 1944 г. основной боевой единицей бронетанковых войск стал Т-34-85 – лучший танк в мире. Он имел толстую броню 90 мм и при этом развивать скорость до 55 км/ч. А к весне этого года появилась модификация – Т-34-85 с огнемётом.
Танковая промышленность развивалась в инновационном ключе с учётом конкретных обстоятельств: нужны были достойные противники «Тиграм». Поэтому к 1943 г. танки КВ-I и КВ-2 заменили более подходящими для борьбы с немецкими «кошками» тяжёлые танки «Иосиф Сталин»: ИС-1 с 85мм пушкой; ИС-2 – с 122-мм пушкой и крупнокалиберным зенитным пулемётом ДШК. Новые советские тяжёлые танки имели гораздо более толстую и мощную броню, чем «Тигр», но при этом были гораздо легче, проще и дешевле в изготовлении.
Продолжались работы по усовершенствованию ракетных установок в направлении их унификации для снарядов всех калибров. Были созданы установки для пулемётных лафетов, мотоциклов, грузовиках. В начале 1944 г. была разработана 16-зарядная самоходная установка «Штурмовик» на автошасси ЗИС-6 для пуска 132-мм ракетных снарядов. В 1942–1943 гг. усилиями советских конструкторов появилась многозарядная горновьючная пусковая установка, которая могла монтироваться и на автомашины, и на корабли. В 1941–1942 гг. ракетное оружие стало внедряться в военно-воздушные и военно-морские силы.
Массовое распространение в годы войны получили миномёты. Их стали разрабатывать ещё в первые довоенные пятилетки. К началу Великой Отечественной войны на вооружении советской армии появились образцы 82-мм батальонного миномёта, а также 120-мм полкового миномёта, который был достаточно лёгким и имел дальность стрельбы 5700 м. Позже конструкторы Третьего Рейха полностью скопировали его.