Советские гидравлические компьютеры. Для чего они создавались и как работали

17 January

Современный человек, садясь за компьютер, редко задумывается, что эти умные машины совершенно не обязаны быть электронными. Тем не менее в 19 веке (!) англичанин Чарльз Бэббидж создал первый в мире компьютер, который был механическим. А в первой половине 20 века советский ученый Владимир Лукьянов создал еще более удивительную вычислительную машину, способную решать дифференциальные уравнения в частных производных. Ее принцип действия основывался на перетекании воды по системе стеклянных трубок.

В 1925 году молодой выпускник строительного факультета МИИПС Владимир Лукьянов получил направление работать инженером на строительстве уральских железных дорог. Работы по прокладке железнодорожных путей в те времена велись медленно, поскольку бетонирование могло проводиться только в теплое время года. Но даже летом качество бетонирования было невысоким, бетон постоянно растрескивался.

Владимир Сергеевич Лукьянов  (1902—1980) . Источник изображения: wikimedia.org
Владимир Сергеевич Лукьянов (1902—1980) . Источник изображения: wikimedia.org

Молодой специалист предположил, что появление трещин в бетоне связано с температурными перепадами и возникающими вследствие этого напряжениями. Однако более опытные коллеги скептически отнеслись к предположению вчерашнего студента. Лукьянов самостоятельно начинает исследовать свойства бетона в зависимости от температуры и влажности окружающей среды, качества исходных материалов. Математические расчеты требовали решения дифференциальных уравнений в частных производных, а это дело непростое даже для опытного математика. Да и не имелось в 1928 году расчетных методов, которые могли дать оперативное и верное решение.

Однако еще в 1918 году ученый-гидравлик академик Николай Павловский смог доказать, что можно смоделировать один процесс заменив его другим, при условии, что оба процесса описываются одинаковыми математическими уравнениями. А другой академик теплотехник Михаил Кирпичев разработал технологию моделирования производственных процессов в лабораторных условиях.

Объединить воедино идеи этих ученых и удалось Владимиру Лукьянову. Он понял, что процесс изменения температурных показателей во время охлаждения бетона можно смоделировать при помощи гидравлических процессов, благо охлаждение бетона и процессы перелива жидкостей описываются одними и теми дифференциальными уравнениями.

Для расчетов требовалась вычислительная машина, и тут Лукьянову пришло на помощь изобретение сделанное в 1910 году инженером-кораблестроителем академиком Алексеем Крыловым. Этот русский ученый создал аналоговый интегратор — счетную машину, способную решать дифуры 4-го порядка.

Объединив идеи предшественников, Лукьянов в 1934 обосновал гидравлический метод аналогий для механизации расчетов теплотехнических процессов. В 1935 на свет появился первая модель гидрокомпьютера, выполненная из примитивных материалов — трубки из стекла, жесть и кровельное железо. Еще через год был запущен настоящий гидроинтегратор Лукьянова, способный решать дифференциальные уравнения в частных производных.

Источник изображения: wikimedia.org
Источник изображения: wikimedia.org

Основным узлом новоявленной вычислительной машины были сосуды фиксированной емкости, которые соединялись трубками. Для трубок была предусмотрена возможность менять гидравлическое сопротивление, чтобы моделировать различные начальные условия. Трубки подключались к подвижным сосудам, которые можно было перемещать вверх или вниз, что позволяло менять напор жидкости в главных сосудах. Процесс расчета запускался или останавливался кранами, имеющими совместное управление.

Принцип программирования гидроинтегратора для решения конкретной задачи разделялся на несколько частей:

  1. Составление расчетной схемы процесса, который предстоит исследовать.
  2. Соединение сосудов на основании созданной схемы, определение и подбор параметров гидравлических сопротивлений соединительных трубок.
  3. Произведение расчета начальных значений искомой величины.
  4. Создание графика изменений начальных условий процесса, который следует смоделировать.

После выполнения всех этих предварительных задач следовало задание начальных значений — подвижные и главные сосуды заполняли до расчетной величины водой. Начальные положения воды в измерительных трубках (пьезометрах) отмечали на миллиметровке. Краны открывали, вода начинала переливаться, через некоторые промежутки времени краны закрывались, а новые положения жидкости в пьезометрах также отмечались на миллиметровке. В результате благодаря отметкам составлялся график, он являлся решением поставленной задачи.

Источник изображения: taable.com
Источник изображения: taable.com

Перспективы гидравлического компьютера оказались для своего времени поистине революционными. Руководство страны сумело по достоинству оценить открывавшиеся перспективы и доверило Владимиру Лукьянову создание и руководство лаборатории гидравлических аналогий, которой ученый бессменно руководил на протяжении 4 десятков лет.

Первый интегратор ИГ-1 мог решать только самые простые одномерные задачи, но уже в 1941 году был создан, состоящий из отдельных секций, двумерный интегратор. Вторая Мировая война не прервала работу лаборатории, и к 1955 году удалось создать гидравлический компьютер способный моделировать трехмерные процессы. Самому ученому в 1951 году за создание гидроинтеграторов присудили Государственную премию.

Источник изображения: amusingplanet.com
Источник изображения: amusingplanet.com

Примитивные ЭВМ 50-х годов отличались сложностью программирования и медленной скоростью. На их фоне гидроинтеграторы смотрелись нагляднее и проще, многие важные расчеты в стране проводились именно на компьютерах Лукьянова. Здесь следует вспомнить БАМ, проект Каракумского канала, строительство Саратовской ГЭС.

К середине 70-х годов в СССР гидравлические интеграторы использовались в 115 организациях, работали компьютеры Лукьянова и в странах СЭВ.

Появление в 80-х годах компактных быстродействующих ЭВМ, привело к быстрому вытеснению гидроинтеграторов. Сейчас 2 из оставшихся в строю компьютера Лукьянова находятся в столичном Политехническом музее в коллекции аналоговых машин.