Водяной компьютер: гидроинтегратор Лукьянова

Водяной компьютер: гидроинтегратор Лукьянова 1

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!

Водяной компьютер: гидроинтегратор Лукьянова 2

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

Водяной компьютер: гидроинтегратор Лукьянова 3
Владимир Лукьянов

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.
Водяной компьютер: гидроинтегратор Лукьянова 6

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.

Водяной компьютер: гидроинтегратор Лукьянова 7

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.

Водяной компьютер: гидроинтегратор Лукьянова 8

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.

Водяной компьютер: гидроинтегратор Лукьянова 9

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

Добавить комментарий