Компьютер, работающий на воде. История гениального изобретения советского инженера
В 1930-х советский ученый-инженер Владимир Лукьянов создал вычислительную машину, где вместо привычных транзисторов и электрического тока использовалась вода. С помощью движения жидкости по сложной системе трубок и сосудов с достаточно высокой точностью рассчитывали графики промерзания грунта, трещины в плотинах и даже траектории движения ракет. Аппарат выпускался серийно и поставлялся в проектные организации — причем до 1980-х годов. Рассказываем про самого ученого, а также про его необычное изобретение подробнее.
Сын страховщика, инженер, работал на железной дороге
Владимир родился в марте 1902 года в Москве в семье страхового агента Сергея Лукьянова. По сути, его юность пришлась на эпоху перемен в стране — что, очевидно, отразилось на формировании молодого человека. Тем не менее родители юноши старались достаточно много времени уделять его образованию. К тому же, как пишут источники, с ранних лет у парня проявилась склонность скорее к точным наукам, чем к гуманитарным.
В итоге в 1919-м Владимир оканчивает классическую гимназию, а после поступает на строительный факультет Московского института инженеров путей сообщения (ныне МИИТ). Уже там он получает специальность инженера-строителя и отправляется по распределению на масштабные инфраструктурные проекты — на строительство железных дорог Троицк — Орск и Карталы — Магнитная (будущий Магнитогорск).
Источники отмечают: в то время процесс шел долго и сложнее, чем сегодня. Например, бетонирование велось только летом, в теплый период. При этом качество самих работ, во всяком случае по современным меркам, оставалось относительно невысоким — в железобетонных конструкциях часто появлялись трещины при застывании.
В тот момент, говорят, мужчина и осознал необходимость в каком-то инструменте, который бы в ускоренном темпе справлялся со сложными тепловыми расчетами.
Если немного углубиться в тему: распределение тепловых потоков описывается соотношениями между температурой и изменяющимися со временем свойствами бетона. Эти соотношения выражаются дифференциальными уравнениями в частных производных. Методы решения последних к 1928 году не могли дать быстрого и точного ответа.
Впрочем, через какое-то время Лукьянов увидел аналогию между уравнениями, которые описывают теплообмен, и уравнениями, описывающими течение жидкости. Проще говоря, первый процесс можно было смоделировать с помощью второго.
Из инженера-строителя — в изобретатели
Забегая чуть вперед, отметим, что через некоторое время инженер разрабатывает аппарат, с помощью которого решается поставленная задача — проанализировать изменения температуры в бетоне в зависимости от его состава, технологии заливки, а также внешних условий.
Хотя легким путь Лукьянова не назовешь. Всего на строительстве железных дорог в отдалении от родных мест Владимир проводит пять лет. За это время он строит карьеру от младшего инженера до начальника дистанции пути. В 1930 году инженер, к тому моменту поработавший в проектных организациях, переходит к научной деятельности. Так Лукьянов попадает в Центральный институт путей и строительства НКПС СССР, где в основном занимается расчетом температурных режимов в бетонных конструкциях.
И в 1934 году исследователь предлагает новый метод механизации расчетов неустановившихся процессов — или же, выражаясь «техническим» языком, метод электрогидравлических аналогий. А в 1936-м разрабатывает, как говорится в источниках, «первую в мире вычислительную машину решения дифференциальных уравнений в частных производных». То есть гидравлический интегратор.
Или, если чуть упростить, первую версию его именитого «компьютера, работающего на воде».
Как действовал «водяной компьютер»
По сути, гидравлический интегратор — это аналоговый компьютер, действие которого основано на протекании воды.
«Девайс» состоял из сложной системы взаимосвязанных сосудов, трубок и гидравлических сопротивлений — элементов, которые ограничивали и регулировали поток жидкости. Математические переменные в такой системе представлялись физическими величинами: прежде всего уровнем или давлением воды в сосудах.
Например, при моделировании теплопроводности уровень жидкости мог соответствовать температуре в определенной точке объекта, а гидравлическое сопротивление трубок — сопротивлению среды передаче тепла.
Оператор настраивал систему в соответствии с математической моделью и задавал начальные условия. После запуска вода начинала перемещаться между сосудами под действием перепадов давления и силы тяжести. Если один сосуд соответствовал условно более «горячей» области, а соседний — более «холодной», перепад уровней заставлял воду перетекать между ними. Таким образом физическая система воспроизводила изменения, описываемые исходными дифференциальными уравнениями.
По мере движения жидкости уровни в сосудах менялись. Их значения можно было снимать по измерительным шкалам и переводить обратно в искомые физические величины. В случае задачи о теплопроводности получалось распределение температуры внутри исследуемого объекта — причем без необходимости вручную решать соответствующие сложные уравнения.
Еще раз об основном принципе работы подобного устройства: гидравлический интегратор не считал уравнение по формулам — он моделировал структуру математической модели.
Но насколько точными были подобные расчеты, особенно если сравнивать их с «классическими» ЭВМ? Однозначного ответа здесь нет. Но известно, что даже после появления первых электронных вычислительных машин гидравлические интеграторы еще достаточно долго оставались востребованными: некоторые задачи они, как уверяется, позволяли решать проще и быстрее, чем ранние ЭВМ.
Интегратор использовался на масштабных стройках СССР
Первая модель аппарата под названием ИГ-1 предназначалась для решения простых — одномерных — задач. В 1941 году сумели сконструировать двухмерный интегратор, после — и трехмерный. В научно-исследовательском институте счетного машиностроения впоследствии разработали модель устройства, которая состояла из унифицированных блоков.
В 1955 году запустили серийное производство интеграторов под маркой «ИГЛ» (интегратор гидравлический системы Лукьянова). «Блочное решение позволило в широких пределах комбинировать и изменять устройство интегратора в зависимости от характера и сложности решаемой задачи», — добавляют источники. Машину экспортировали и в союзные СССР страны.
На территории страны приборы, как утверждается, использовались при проектировании Каракумского канала (ныне — Каракум-река) и Байкало-Амурской магистрали (БАМ). Интеграторы применялись в шахтостроении, геологии, металлургии, ракетостроении, а также при изучении геокриологической обстановки на Крайнем Севере и ледникового покрова Антарктиды.
Отдельно эффективность интегратора отмечают при возведении первой в мире гидроэлектростанции из сборного железобетона — Саратовской ГЭС.
Что было дальше
Появившиеся в начале 1950-х первые цифровые электронно-вычислительные машины (ЦЭВМ) составить конкуренцию «водяным компьютерам» в части исследовательских вопросов, особенно узко специализированных, достаточно долго не могли — например, в задачах мерзлотоведения.
В общем, подобные «аналоговые» приборы использовались во многих организациях страны до начала 1980-х. Тогда в более свободном для предприятий СССР доступе уже оказались относительно малогабаритные и быстродействующие ЭВМ с увеличенным (по тогдашним меркам) объемом памяти. Они, очевидно, практически полностью перекрыли возможности гидроинтегратора.
Владимира Лукьянова не стало 17 января 1980 года — обладателю Сталинской премии третьей степени, ордена Трудового Красного знамени профессору и доктору технических наук было полных 77 лет. Сейчас два гидроинтегратора Лукьянова хранятся в Политехническом музее в Москве.
Нравится читать Onlíner? Добавьте наши новости в «Основные источники» Google
Есть о чем рассказать? Пишите в наш телеграм-бот. Это анонимно и быстро
Перепечатка текста и фотографий Onlíner без разрешения редакции запрещена. ga@onliner.by
