Компьютер на воде

В истории вычислительной техники существует замечательная и часто упускаемая из виду глава: разработка аналоговых водяных компьютеров в Советском Союзе. Среди этих инноваций гидравлический интегратор Владимира Сергеевича Лукьянова представляет собой пионерское достижение, которое опередило сложные математические расчеты почти на полвека.

Рождение революционного вычислительного метода

В 1936 году советский ученый Владимир Лукьянов представил первый в мире гидравлический интегратор, аналоговый компьютер, способный решать дифференциальные уравнения в частных производных посредством контролируемого манипулирования водой. Это изобретение было не просто научным любопытством, но возникло из насущной инженерной проблемы, с которой столкнулся молодой инженер.

После окончания Московского института инженеров путей сообщения (МИИТ) Лукьянов был направлен на строительство железных дорог Троицк-Орск и Карталы-Магнитная (ныне Магнитогорск). Работая на строительстве, молодой инженер заметил серьезную проблему: в бетонных конструкциях часто появлялись трещины, даже когда работы проводились в теплое время года.

Лукьянов предположил, что причиной трещин являются температурные изменения в бетонных массивах. Для проверки своей гипотезы ему требовалось провести сложные расчеты, связанные с распределением тепла в бетоне в зависимости от состава бетона, используемого цемента, технологии проведения работ и внешних условий. Однако существовавшие в то время (1928 год) методы расчетов не могли обеспечить быстрого и точного решения таких сложных дифференциальных уравнений.

Вода как вычислительный элемент

В поисках решения проблемы Лукьянов обратился к трудам выдающихся российских ученых: академиков А.Н. Крылова, Н.Н. Павловского и М.В. Кирпичева. Вдохновленный их работами, Лукьянов пришел к революционной идее: использовать аналогию между тепловыми и гидравлическими процессами. Он обнаружил, что законы течения воды во многом сходны с законами распространения тепла, и сделал вывод, что вода может выступать в роли модели теплового процесса.

В 1934 году Лукьянов предложил принципиально новый метод механизации расчетов неустановившихся процессов — метод электрогидравлических аналогий. А уже в 1936 году он создал первую в мире вычислительную машину для решения дифференциальных уравнений в частных производных — гидравлический интегратор.

На протяжении нескольких лет Лукьянов работал над объединением идей своих предшественников, и к 1934 году обосновал гидравлический метод аналогий для механизации расчетов теплотехнических процессов. В 1935 году появилась первая модель гидрокомпьютера. Она не отличалась изяществом и выполнена была из примитивных материалов – трубки из стекла, жести и кровельного железа. Главным узлом гидроинтегратора являлись вертикально расположенные открытые сверху основные сосуды, соединенные между собой трубками с изменяемыми гидравлическими сопротивлениями. Уровень воды в различных камерах (с точностью до долей миллиметра) представлял сохраненные числа, а скорость потока между ними — математические операции. К основным сосудам были подключены подвижные металлические сосуды, перемещение которых вверх или вниз приводило к изменению напора воды в основных сосудах. Процесс решения задач

Для решения задачи на гидроинтеграторе требовалось:

1.     Составить расчетную схему исследуемого процесса.

2.     На основании этой схемы произвести соединение сосудов, определить их площадь сечения и подобрать величины гидравлических сопротивлений.

3.     Рассчитать начальные значения искомой величины.

4.     Составить график изменения внешних условий моделируемого процесса.

После этого основные сосуды устройства при закрытых кранах наполнялись водой до рассчитанных уровней, задавая таким образом начальные условия. Исходные уровни воды отмечались на миллиметровой бумаге, прикрепленной за пьезометрами (измерительными трубками). Затем все краны одновременно открывались, и исследователь менял высоту подвижных сосудов в соответствии с графиком изменения внешних условий моделируемого процесса.

При этом напор воды в основных сосудах менялся по тому же закону, что и температура в моделируемом процессе. Изменялись уровни жидкости в пьезометрах, в нужные моменты времени процесс приостанавливался с помощью кранов, и на миллиметровой бумаге отмечалось новое положение уровней. По этим отметкам строился график, который и являлся решением задачи.

Эволюция и совершенствование

Первые версии интеграторов Лукьянова были скорее экспериментальными, они изготавливались из кровельного железа, жести и стеклянных трубок, и каждый интегратор можно было использовать для решения только одной задачи. В 1930-х годах это был единственный компьютер в Советском Союзе для решения дифференциальных уравнений в частных производных.

В 1941 году Лукьянов создал гидравлический интегратор модульной конструкции, который позволял собирать машину для решения различных задач. Были разработаны двухмерные и трехмерные гидравлические интеграторы.

В 1949-1955 годах в НИИШЕТМАШе был разработан интегратор в виде стандартных унифицированных блоков. В 1955 году Рязанский завод счетно-аналитических машин начал серийное производство интеграторов под заводской маркой «ИГЛ» (Интегратор гидравлический системы Лукьянова). Блочное решение позволяло в широких пределах комбинировать и изменять устройство интегратора в зависимости от характера и сложности решаемой задачи. Широкое применение и международное признание

После организации серийного производства интеграторы начали экспортироваться за границу: в Чехословакию, Польшу, Болгарию и Китай. Но самое большое распространение они получили в Советском Союзе.

Гидроинтеграторы использовались при проектировании Каракумского канала в 1940-х годах и строительстве Байкало-Амурской магистрали в 1970-х. Они нашли широкое применение в самых различных областях: шахтостроении, геологии, металлургии, ракетостроении, а также в конкретных задачах по изучению геокриологической обстановки в районах Крайнего Севера и ледникового покрова Антарктиды.

Особенно наглядно эффективность метода гидравлических аналогий проявилась при изготовлении железобетонных блоков для Саратовской ГЭС им. Ленинского комсомола (1956-1970) — первой в мире гидроэлектростанции из сборного железобетона. Требовалось разработать технологию изготовления около трех тысяч огромных блоков весом до 200 тонн, которые должны были быстро вызревать без трещин на поточной линии во все времена года и сразу устанавливаться на место. Сложнейшие расчеты температурного режима с учетом непрерывного изменения свойств твердеющего бетона и условий электропрогрева были произведены своевременно и в нужном объеме только благодаря гидроинтеграторам Лукьянова.

В середине 1970-х годов гидравлические интеграторы применялись в 115 производственных, научных и учебных организациях, расположенных в 40 городах СССР.

Конкуренция с электронными компьютерами

Появившиеся в начале 1950-х годов первые цифровые электронно-вычислительные машины (ЦЭВМ) не могли составить конкуренции «водяной» машине. Основными преимуществами гидроинтегратора были наглядность процесса расчета, простота конструкции и программирования.

ЭВМ первого и второго поколений были дороги, имели невысокую производительность, малый объем памяти, ограниченный набор периферийного оборудования, слабо развитое программное обеспечение и требовали квалифицированного обслуживания.

Существовали задачи, которые легко и быстро решались на гидроинтеграторе, но представляли сложность для ранних ЭВМ, например, задачи мерзлотоведения. Более того, предварительное применение метода гидравлических аналогий помогало правильно поставить задачу для ЭВМ, подсказать путь программирования и даже проконтролировать её работу во избежание грубых ошибок.

Только в начале 1980-х годов появились малогабаритные, дешевые, быстродействующие цифровые ЭВМ с большим объемом памяти, которые полностью перекрыли возможности гидроинтегратора.

Наследие гидроинтеграторов

Гидроинтеграторы Лукьянова успешно использовались в течение 50 лет. В настоящее время два гидроинтегратора Лукьянова хранятся в Политехническом музее в Москве:

·         Демонстрационный интегратор ИГ-3, изготовленный в 1955 году на Рязанском заводе счетно-аналитических машин в первой серийной партии (заводской № 04)

·         Одномерный гидроинтегратор 1-ИГЛ-1-3, подаренный музею в 1993 году сыном профессора В.С. Лукьянова — Алексеем Владимировичем Лукьяновым

Эти необычные счетно-решающие устройства вызывают неизменный интерес посетителей и входят в число самых ценных экспонатов отдела вычислительной техники Политехнического музея. Вклад Лукьянова в развитие методов вычислений был признан не только в СССР, но и за рубежом, а его гидравлический интегратор стал одним из символов научно-технического прогресса своего времени.

Суть метода электрогидравлических аналогий заключается в том, что уравнения, описывающие электрические параметры (например, напряжение, ток, сопротивление), преобразуются в аналогичные соотношения для гидродинамики (например, давление, поток жидкости, гидравлическое сопротивление). Это позволяет строить гидродинамические цепи и анализировать их с помощью тех же методов, которые применяются для электрических цепей.