Водяной компьютер: гидроинтегратор Лукьянова

По просьбе наших читателей

Приглашаем вас познакомиться с одним выдающимся ученым и его необычным изобретением прошедшей эпохи.

XX век прошлого столетия бурно цвёл научной деятельностью и техническим прогрессом, и благодаря этому прочно закрепился в истории, оставив след в памяти людей в виде технологий, новых исследований, разработок и появления новых изобретений. Да, золотые были времена! 

В числе выдающихся светил науки был талантливый советский ученый, лауреат Государственной премии, профессор, доктор технических наук Владимир Сергеевич Лукьянов (1902-1980). Его исследования вывели Советский Союз на ведущие позиции в области аналоговых средств вычислительной техники.

Так, в 1936 году Лукьяновым был создан гидравлический интегратор — первая в мире вычислительная машина, созданная для решения дифференциальных уравнений, действие которого, только представьте себе на минуточку, было основано на протекании воды! Вот это да! Это же настоящий водяной компьютер!

Данное изобретение на протяжении полувека было единственным средством вычислений, связанных с широким кругом задач математической физики. 

Возможно, не многие люди слышали о таком интеграторе, поэтому, усаживайтесь поудобнее.

Героями не рождаются, героями становятся

Взрослая и серьезная жизнь молодого Лукьянова началась с момента окончания им Московского института инженеров путей сообщения (МИИТ), где его направили на постройку железных дорог Троицк-Орск и Карталы-Магнитная (ныне Магнитогорск).
Нелегко было строительство железных дорог в то время, в 20-30-е годы оно велось медленно, причиной служило отсутствие необходимой техники. В распоряжении были лишь лопата, кирка и тачка, а земляные работы и бетонирование производились только летом. Но качество работ все равно оставалось невысоким, появлялись трещины – в те годы это бич железобетонных конструкций. 

Появление трещин в бетоне заинтересовало Лукьянова, однако его предположение об их температурном происхождении  вызвало со стороны специалистов скептический взгляд. Молодого инженера это не остановило, а наоборот, добавило огня, для того, чтобы начать исследовать температурные режимы в бетонных кладках в зависимости от состава бетона, используемого цемента, технологии проведения работ и внешних условий. Распределение тепловых потоков описывается сложными соотношениями между температурой и меняющимися со временем свойствами бетона. Эти соотношения выражаются так называемыми уравнениями в частных производных. Однако существовавшие в 1928 году методы расчетов не смогли дать быстрого и точного их решения.

В поисках вариантов решения этой проблемы Лукьянов обращается к трудам известных математиков и инженеров. Верное направление он находит в трудах выдающихся российских ученых — академиков А. Н. Крылова, Н. Н. Павловского и М. В. Кирпичёва. Сумев обобщить идеи ученых, Лукьянов выводит свою модель — вот высшая степень наглядности математической истины! 

Проведя ряд исследований и убедившись, что законы течения воды и распространения тепла во многом сходны, он сделал вывод — вода может выступать в роли модели теплового процесса. 

Принцип действия прибора

• 

• 

Лукьянов предложил принципиально новый способ механизации расчетов неустановившихся процессов — метод гидравлических аналогий, тем самым спустя год создал тепловую гидромодель для демонстрации метода. 

На тот момент это примитивное устройство, сделанное из кровельного железа, жести и стеклянных трубок, успешно разрешило задачу исследования температурных режимов бетона.

Принцип работы его весьма прост, но в то же время изящен. Главным его узлом стали вертикальные основные сосуды определенной емкости, соединенные между собой трубками с изменяемыми гидравлическими сопротивлениями и подключенные к подвижным сосудам. Поднимая и опуская их, менялся напор воды в основных сосудах. Пуск или остановка процесса расчета производились кранами с общим управлением. Примечательно, что вся система была разборная и состояла из блоков, собирая которые, решали различные задачи. Перед началом работы гидроинтегратора составлялась расчётная схема процесса. А уже согласно ей устройство из сосудов и трубок собиралось работником. Условия, поставленные в начале для решения, задавались для одной группы сосудов. После их наполняли жидкостью, которая перетекала в другую группу сосудов. Измерение уровня последних и было ответом на поставленную задачу, представленным в виде графика. Можно сказать, что благодаря трубкам и сосудам учёные моделировали различные процессы.

Так в 1936 году заработала первая в мире вычислительная машина для решения уравнений в частных производных — гидравлический интегратор Лукьянова.

Что необходимо было сделать, чтобы решить задачу на гидроинтеграторе?

1. составить расчетную схему исследуемого процесса;
2. на основании этой схемы произвести соединение сосудов, определить и подобрать величины гидравлических сопротивлений трубок;
3. рассчитать начальные значения искомой величины;
4. начертить график изменения внешних условий моделируемого процесса.

После этого задавались начальные значения: основные и подвижные сосуды при закрытых кранах наполняли водой до рассчитанных уровней и отмечали их на миллиметровой бумаге, прикрепленной за пьезометрами (измерительными трубками) — получалась своеобразная кривая. Затем все краны одновременно открывали, 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. Уровни жидкости в пьезометрах менялись, в нужные моменты времени краны закрывали, останавливая процесс, и на миллиметровой бумаге отмечали новые положения уровней. По этим отметкам строили график, который и был решением задачи.

Возможности гидроинтегратора оказались необычайно широки и перспективны. В 1938 году В. С. Лукьяновым была основана лаборатория гидравлических аналогий, которая вскоре превратилась в базовую организацию для внедрения метода в народное хозяйство страны, которой он руководил в течение сорока лет. 

Главным условием широкого распространения метода гидравлической аналогии стало совершенствование гидроинтегратора. Создание конструкции, удобной в практическом применении, позволило решать задачи различных типов — одномерные, двухмерные и трехмерные. 

Например, течение воды в прямолинейных границах — одномерный поток. Двумерное движение наблюдается в районах крупных излучин рек, вблизи островов и полуостровов, а грунтовые воды растекаются в трех измерениях.

Первый гидроинтегратор ИГ-1 был предназначен для решения наиболее простых — одномерных — задач. В 1941 году сконструирован двухмерный гидравлический интегратор в виде отдельных секций.

В 1949 году постановлением Совета Министров СССР в Москве создан специальный институт НИИ «СЧЁТМАШ», которому были получены отбор и подготовка к серийному производству новых образцов вычислительной техники. Одной из первых таких машин стал гидроинтегратор. В итоге, за шесть лет в институте разработана новая его конструкция из стандартных унифицированных блоков, и на Рязанском заводе счетно-аналитических машин начался их серийный выпуск с заводской маркой ИГЛ (интегратор гидравлический системы Лукьянова). Ранее единичные гидравлические интеграторы строились на Московском заводе счетно-аналитических машин (САМ). В процессе производства секции были модифицированы для решения трехмерных задач.

В 1951 году за заслуги перед Отечеством и за создание семейства гидроинтеграторов В. С. Лукьянову присуждена Государственная премия.

После организации серийного производства интеграторы стали экспортироваться за границу: в Чехословакию, Польшу, Болгарию и Китай. Гидроинтеграторы успешно использовались в шахтостроении, геологии, строительной теплофизике, металлургии, ракетостроении и во многих других областях.

Особенно наглядно проявилась эффективность метода гидравлических аналогий при изготовлении железобетонных блоков первой в мире гидроэлектростанции из сборного железобетона — Саратовской ГЭС им. Ленинского комсомола (1956-1970). Для этого была поставлена задача: разработать технологию изготовления около трех тысяч огромных блоков весом до 200 тонн. Блоки должны были быстро вызревать без трещин на поточной линии во все времена года и сразу устанавливаться на место. Очень сложные расчеты температурного режима с учетом непрерывного изменения свойств твердеющего бетона и условий электропрогрева произвели своевременно и в нужном объеме только благодаря гидроинтеграторам Лукьянова. Теоретические расчеты в сочетании с испытаниями на опытном полигоне и на производстве позволили отработать технологию изготовления блоков безукоризненного качества.

Появившиеся в начале 50-х годов первые цифровые электронно-вычислительные машины (ЦЭВМ) не могли составить конкуренции водяной машине.

Основные преимущества гидроинтегратора — наглядность процесса расчета, простота конструкции и программирования. 

ЭВМ первого и второго поколений были по тем временам дороги, имели невысокую производительность, малый объем памяти, ограниченный набор периферийного оборудования, слабо развитое программное обеспечение, требовали квалифицированного обслуживания. В частности, задачи мерзлотоведения легко и быстро решались на гидроинтеграторе, а на ЭВМ — с большими сложностями. Более того, предварительное применение метода гидравлических аналогий помогало поставить задачу, подсказать путь программирования ЭВМ и даже проконтролировать ее во избежание грубых ошибок. В середине 1970-х годов гидравлические интеграторы применялись в 115 производственных, научных и учебных организациях, расположенных в 40 городах СССР. Только в начале 80-х годов появились малогабаритные, дешевые, с большим быстродействием и объемом памяти цифровые ЭВМ, полностью перекрывающие возможности гидроинтегратора.

Сегодня два гидроинтегратора Лукьянова представлены в коллекции аналоговых машин Политехнического музея в России. Это поистине редкие экспонаты, имеющие большую историческую ценность как памятники науки и техники. Оригинальные вычислительные устройства вызывают неизменный интерес у посетителей и входят в число самых ценных экспонатов отдела вычислительной техники.

Каждый раз, читая труды, документы и достижения мировых ученых, понимаешь, что благодаря их тяжелому труду, приложенным ими усилиям и проделанной титанической работе, появились на свет новые научные открытия, выдающиеся изобретения, невероятные исследования, которыми мы пользуемся по сей день! Нашему нынешнему поколению есть кем гордиться и на кого равняться. Потому как наука всегда была, есть и будет, потому как наука – это тот луч света, который способен вывести человека на новый уровень, подняв его на ступеньку выше, сделав его образованнее, способнее и могущественнее. 

Читайте нас в  телеграм