Шедевр советской инженерии - компьютер на воде

[Валерий]

Шедевр советской инженерии - компьютер на воде



Буквально только сейчас узнал о совершенно потрясающем устройстве – водяном компьютере. Гидравлический интегратор Лукьянова - первая в мире вычислительная машина для решения дифференциальных уравнений в частных производных - на протяжении полувека был единственным средством вычислений, связанных с широким кругом задач математической физики.
В 1936 году он создал вычислительную машину, все математические операции в которой выполняла текущая вода. Слышали ли вы о таком?



Первый гидроинтегратор ИГ-1 был предназначен для решения наиболее простых – одномерных задач. В 1941 году сконструирован двухмерный гидравлический интегратор в виде отдельных секций. В последствии интегратор был модифицирован для решения трехмерных задач.
После организации серийного производства интеграторы стали экспортироваться за границу: в Чехословакию, Польшу, Болгарию и Китай. Но самое большое распространение они получили в нашей стране. С их помощью провели научные исследования в поселке "Мирный", расчеты проекта Каракумского канала и Байкало-Амурской магистрали. Гидроинтеграторы успешно использовались в шахтостроении, геологии, строительной теплофизике, металлургии, ракетостроении и во многих других областях.
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 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. В середине 1970-х годов гидравлические интеграторы применялись в 115 производственных, научных и учебных организациях, расположенных в 40 городах нашей страны. Только в начале 80-х годов появились малогабаритные, дешевые, с большим быстродействием и объемом памяти цифровые ЭВМ, полностью перекрывающие возможности гидроинтегратора.



И еще немного для тех, кому интересны подробности.
Создание гидроинтегратора продиктовано сложной инженерной задачей, с которой молодой специалист В. Лукьянов столкнулся в первый же год работы.
После окончания Московского института инженеров путей сообщения (МИИТ) Лукьянов был направлен на постройку железных дорог Троицк-Орск и Карталы-Магнитная (ныне Магнитогорск).
В 20-30-е годы строительство железных дорог велось медленно. Основными рабочими инструментами были лопата, кирка и тачка, а земляные работы и бетонирование производились только летом. Но качество работ все равно оставалось невысоким, появлялись трещины - бич железобетонных конструкций.
Лукьянов заинтересовался причинами образования трещин в бетоне. Его предположение об их температурном происхождении сталкивается со скептическим отношением специалистов. Молодой инженер начинает исследования температурных режимов 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 то время (1928 год) методы расчетов не смогли дать быстрого и точного их решения.
В поисках путей решения проблемы Лукьянов обращается к трудам математиков и инженеров. Верное направление он находит в трудах выдающихся российских ученых - академиков А. Н. Крылова, Н. Н. Павловского и М. В. Кирпичева.
Инженер-кораблестроитель, механик, физик и математик академик Алексей Николаевич Крылов (1863-1945) в конце 1910 года построил уникальную механическую аналоговую вычислительную машину - дифференциальный интегратор для решения обыкновенных дифференциальных уравнений 4-го порядка.
Академик Николай Николаевич Павловский (1884-1937) занимался вопросами гидравлики. В 1918 году доказал возможность замены одного физического процесса другим, если они описываются одним и тем же уравнением (принцип аналогии при моделировании).



Академик Михаил Викторович Кирпичев (1879-1955) - специалист в области теплотехники, разработал теорию моделирования процессов в промышленных установках - метод локального теплового моделирования. Метод позволял в лабораторных условиях воспроизводить явления, наблюдаемые на больших промышленных объектах.
Лукьянов сумел обобщить идеи великих ученых: модель - вот высшая степень наглядности математической истины. Проведя исследования и убедившись, что законы течения воды и распространения тепла во многом сходны, он сделал вывод - вода может выступать в роли модели теплового процесса. В 1934 году Лукьянов предложил принципиально новый способ механизации расчетов неустановившихся процессов - метод гидравлических аналогий и спустя год создал тепловую гидромодель для демонстрации метода. Это примитивное устройство, сделанное из кровельного железа, жести и стеклянных трубок, успешно разрешило задачу исследования температурных режимов бетона.
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, меняли напор воды в основных сосудах. Пуск или остановка процесса расчета производились кранами с общим управлением.
В 1936 году заработала первая в мире вычислительная машина для решения уравнений в частных производных - гидравлический интегратор Лукьянова.

Для решения задачи на гидроинтеграторе необходимо было:

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 задавали 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. Руководителем этой лаборатории он оставался 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 "НИИСЧЕТМАШ", которому были получены отбор и подготовка к серийному производству новых образцов вычислительной техники. Одной из первых таких машин стал гидроинтегратор. 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 создание семейства гидроинтеграторов В. С. Лукьянову присуждена Государственная премия.
После организации серийного производства интеграторы стали экспортироваться за границу: в Чехословакию, Польшу, Болгарию и Китай. Но самое большое распространение они получили в нашей стране. С их помощью провели научные исследования в поселке "Мирный", расчеты проекта Каракумского канала и Байкало-Амурской магистрали. 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). Требовалось 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 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 нашей страны. Только в начале 80-х годов появились малогабаритные, дешевые, с большим быстродействием и объемом памяти цифровые ЭВМ, полностью перекрывающие возможности гидроинтегратора.
Два гидроинтегратора Лукьянова представлены в коллекции аналоговых машин Политехнического музея в Москве. Это редкие экспонаты, имеющие большую историческую ценность, памятники науки и техники. Оригинальные вычислительные устройства вызывают неизменный интерес посетителей и входят в число самых ценных экспонатов отдела вычислительной техники.

Источник: https://cont.ws/@orbritrebcoch/551591

 

[urfinjuss66]

Интересно!!! Думаю, что от сюда растут ноги "бытового интегратора" - без поллитры не разберешься!

 

[Николай_С]

А что такое "бытовой интегратор"?
ИМХО, это любой счетчик (электроэнергии, воды...), а в самогоноварении - поллитра.

 

[кочевник]

все математические операции в которой выполняла текущая вода.

Клепсидра? Да не может быть! Интересно, а какова была скорость расчетов? Интересно что в описаниях сказано что агрегат был аналоговым, не цифровым, что вообще все затуманило...

 

[Николай_С]

Интересно, а какова была скорость расчетов?

Полагаю, процессы расчитывались в реальном времени. Ведь всё было построено на идентичности протекания. Но время в ту пору было не столь важным фактрором, как теперь.

 

[urfinjuss66]

А что такое "бытовой интегратор"?

Имелось ввиду, что есть некая сложная для решения задача, в быту интегралы, производные, да даже синусы с косинусами никто не применяет, все делается по типу - а что если за.бенить... Да, неее, лучше припи.дячить... Да, вы, чо? .уйнуть вот так и усе! И тут приходит на помощь "бытовой интегратор"-поллитра! И все решается в реальном времени, благодаря простому перетеканию жидкости из одного сосуда(путылки) в несколько других(стаканы)!
Нуу, еще по пятьдесят и начнем!

 

[Валерий]

Интересно, а какова была скорость расчетов?

Пол-литра в минуту. )

 

[Валерий]

А вот интересно Doom-2 на нём пойдёт?

 

[AlexZir]

А вот интересно Doom-2 на нём пойдёт?

Проверяли года четыре тому назад на нонейме, не смогли запустить из-за отсутствия драйверов на видеокарту. )

 

[кочевник]

А вот интересно Doom-2 на нём пойдёт?

Конечно! Второй выстрел будет делать правнук в 17-м поколении. А видеокарта не нужна, нужно просто открыть кран.

 

[Vladimir_S]

Интересно, конечно, но вот только сразу возникает одно недоумение.
В статье позиционируется цепочка Гидроинтегратор - ЦЭВМ. Но ведь была еще одна ветка - так называемые Аналоговые ЭВМ. Сейчас они практически забыты, но так с полвека назад были в ходу (мне доводилось видеть лишь обломки одной из них). Вот кто, казалось бы, должен был вытеснить эти клепсидры еще в доцифровую эпоху! Дело в том, что гидродинамические и электрические процессы во многом сходны, законы практически те же, интеграторы-дифференциаторы строятся на RC-цепочках легко, а уж о скорости работы и говорить нечего!
Странно...

 

[AlexZir]

Наверное, нужно вспомнить, какого качества и в каком количестве полупроводники тогда выпускались у нас для нужд, отличных от военки Воды же было полным-полно и производство стеклянных трубок обходилось гораздо дешевле, чем полупроводниковых приборов.

 

[urfinjuss66]

что ни говори, но ВЕСЧЬ зачетная! А если кончилось электричество, электромагнитный импульс от ядерного взрыва? Где тогда будут эти электрические процессы, идентичные натуральному? А тут водицы из лужи налил, крантик открыл и не спеша, ходи-черточки рисуй!

 

[IronArgument]

Наверное, нужно вспомнить, какого качества и в каком количестве полупроводники тогда выпускались у нас для нужд, отличных от военки

Полупроводники, для нужд, отличных от военки? В середине 30-х годов прошлого столетия? Да они и для военки тогда не выпускались. Наверное, нужно вспомнить, какого качества и в каком количестве в те времена выпускались смартфоны для нужд населения. )

 

[Viewer]

Интересно, конечно, но вот только сразу возникает одно недоумение.
В статье позиционируется цепочка Гидроинтегратор - ЦЭВМ. Но ведь была еще одна ветка - так называемые Аналоговые ЭВМ.

Статья только лишь о гидравлических АВМ, но Вы правы - этой технологией разработки АВМ не ограничились:

Мне удалось еще студентом поработать на АВМ типа МН-7 и МН-8, и как для обучения, так и для решения сложных задач по теории и практике САУ.
МН-8 - АВМ средней мощности, предназначенная для решения методами математического моделирования сложных динамических систем, описываемых дифференциальными уравнениями до десятого порядка.

В целом, АВМ создавались на основе имеющейся в свое время элементной базы и технологических возможностей:
- механические;
- пневматические;
- гидравлические;
- электрические;
- электронные;
- оптические;
- лазерные
...

Отрывки из статьи ("Компьютерный музей"):

"В первые послевоенные годы стали актуальными исследования процессов, описываемых системой дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами, в частности, исследования малых колебаний самолета, устойчивости различного рода регуляторов, следящих систем и тому подобных. В Институте машиностроения АН СССР профессор Л.И. Гутенмахер предложил при помощи усилителей создать физическую модель динамической системы, аналитическая оценка которой отличалась повышенной сложностью. Вариант реализации идеи Л.И. Гутенмахера был изложен Н.В. Корольковым в докладе, прочитанном 23 декабря 1946 года на семинаре в упомянутом институте и опубликованном в Известиях Академии наук (№5, с. 585-596, 1947 г.). Автором была приведена показанная ниже принципиальная схема разработанной опытной установки, состоявшей из группы усилителей, связанных в единую систему при помощи омических сопротивлений и емкостей.
В декабре 1947 года Советом Министров было решено начать промышленное производство подобных установок. Пензенский завод САМ получил задание Главка Министерства машиностроения и приборостроения приступить к выполнению решения с марта 1948 года, при этом следовало организовать новый отдел, состоящий из электротехнической лаборатории и конструкторского бюро.
В 1949 году появился первенец электронно-ламповый интегратор ЭЛИ-12.
Следующей работой было создание электронного интегратора ЭЛИ-6. Он предназначался для решения обыкновенных дифференциальных уравнений. Его выполнили в виде модели матричного типа, конструктивно представленной тремя самостоятельными частями, схема соединений которых определялась видом решаемой задачи.
Руководством ВНИИнефть было предложено разработать уникальный электроинтегратор для решения задач подземной гидравлики.
Сотрудники выезжали на нефтепромыслы Баку и Поволжья для ознакомления с процессами нефтедобычи, с проблемой рационального размещения скважин в крупных нефтяных месторождениях.
Стоимость разработки оценили в 13 млн. рублей. Был создан сеточный интегратор, которому присвоили обозначение ЭИ-С.
Портфель заказов отдела был таков, что не просматривалось их выполнение в обозримом будущем."


Если говорить вообще об аналоговых вычислительных машинах, то, про отечественные можно сказать следующее:

1904 год — российский инженер Алексей Крылов изобрел первую механическую вычислительную машину, решающую дифференциальные уравнения;
1912 год — создана машина для интегрирования обыкновенных дифференциальных уравнений по проекту российского учёного Алексея Крылова.
1918 год - тот факт, что различные физические явления описываются одинаковыми математическими уравнениями, отмечался многими учеными: Больцманом, Гексли и др.
А. Н. Крылов сформулировал это явление достаточно точно, но не дал заключения о возможности создания на его основе вычислительной машины.
Такой вывод сделал другой русский академик Н. Н. Павловский в 1918 г. Павловский назвал этот метод аналогового моделирования ЭГДА (электро-гидродинамический аналог).
В развитии метода ЭГДА большую роль сыграла работа ленинградского математика С. А. Гершгорина.
1935 год — выпуск первой советской электродинамической счётно-аналитической машины САМ (модель Т-1).
Разработаны механический интегратор и электрический расчётный стол для определения стационарных режимов энергетических систем
В 1941 году Лукьяновым был создан гидравлический интегратор модульной конструкции, который позволял собрать машину для решения разнообразных задач.
1945—1946 годы, СССР — под руководством Льва Гутенмахера изобретены первые электронные аналоговые машины
В конце 40-х — начале 50-х годов Л. И. Гутенмахером, Н. С. Николаевым, Н. В. Корольковым, В. Б. Ушаковым и Г. М. Петровым создаются электроинтеграторы на активных четырехполюсниках для моделирования обыкновенных линейных и нелинейных уравнений.
В 1948 г. в СССР были созданы первые электронные аналоговые вычислительные машины (АВМ), построенные на операционных усилителях постоянного тока.
1949 год, СССР — изобретён ряд АВМ на постоянном токе, что положило начало развитию аналоговой вычислительной техники в СССР.
В 1949—1955 годах в институте НИИСЧЕТМАШ был разработан интегратор в виде стандартных унифицированных блоков.
В 1955 году на Рязанском заводе счетно-аналитических машин начался серийный выпуск интеграторов с заводской маркой «ИГЛ» (интегратор гидравлический системы Лукьянова).
1960-е годы, аналоговые компьютеры являлись повседневным инструментом ученых для решения множества специфических задач в различных областях науки.
В 1960-х годах разрабатывались пневматические АВМ для получения средства дискретных вычислений с высокой радиационной стойкостью.
Были разработаны элементы, выполняющие основные логические операции и элементы памяти без механических подвижных элементов.
В СССР расцвет электронных аналоговых вычислительных машин с их серийным выпуском пришёлся на 1960—1970-е годы.
Первые АВМ на электронных лампах были созданы объединенными усилиями двух коллективов: НИИ-855 МРП СССР и ИАТ АН СССР.
В дальнейшем этим занимались в СКБ-245, НИИСчетмаше, ИПУ АН СССР, КБ-1.
Серийный выпуск АВМ был организован на Московском, Пензенском и Кишиневском заводах счетно-аналитических машин и ряде других заводов радиопромышленности.
За первые 20 лет было изготовлено более 100 тыс. АВМ различной мощности — от простых АВМ типа МН-7 (общий выпуск которых превысил 25 тыс.) до самых мощных типа МН-8, АВК-2.
В 1958 г. в СССР была создана первая в мире полупроводниковая АВМ МН-10. Эта машина с большим успехом демонстрировалась на выставке в Нью-Йорке в июне 1959 г.
В 60-70-х годах специалистами НИИСчетмаша, ИПУ АН СССР создана серия аналоговых и аналого-цифровых комплексов с использованием микроэлектронной элементной базы, внедренных в серийное производство на отечественных заводах радиопромышленности.
Коллективу разработчиков комплексов АВК-1 и АВК-2 (главный конструктор Беляков В. Г.) в 1980 г. была присуждена Государственная премия.

P.S.
В специализированных устройствах аналоговые вычислители на основе микросхем используются до сих пор.

В настоящее время интерес к АЦВМ не угас, более того - разрабатываются новые аналоговые и гибридные решающие устройства.
Вызвано это совершенствованием элементной базы, использованием новых принципов и высочайшей скоростью обработки сигналов в аналоговых системах.
Из известных технологий - Cellular Neural Networks.
Фирмы Anafocus и Eutecus предоставляют коммерческие решения.

 

[AlexZir]

В середине 30-х годов прошлого столетия? Да они и для военки тогда не выпускались. Наверное, нужно вспомнить, какого качества и в каком количестве в те времена выпускались смартфоны для нужд населения.

Учитывая, что последние ИГ были выпущены в середине 70-х, я просто уверен, что в это же время уже и для ВПК полупроводники выпускались и этому есть документальные подтверждения )

 

[Viewer]

Учитывая, что последние ИГ были выпущены в середине 70-х..

В середине 70-х в Союзе уже микропроцессоры выпускались :fase:

 

[AlexZir]

Да знаю я об этом, это было утрирование

А вообще Валерий меня немного удивил. Я в своей глубинке впервые услышал о гидроинтеграторах из шутки на старом БАШе еще лет 10 тому назад, заинтересовался и на ЖЖ нашел кучу информации по этой теме. А уж вам то в северной столице сам бэгэ велел такими техническими устройствами не только интересоваться, но и непосредственно на них поработать )

 

[кочевник]

непосредственно на них поработать

В 70-х в Финляндии знакомился с горнодобывающими машинами. Каково же было мое удивление когда узнал, увидел и изучил.. пневматическую логику, примененную в управлении многочисленными исполнительными устройствами. Работала, кстати, безукоризненно, рудник закупил несколько экземпляров. Трубки, правда, воровали безбожно, красивые были. А фирма WALMET.

 

[IronArgument]

Да, раздобыть в середине 30-х полупроводниковый триод было непросто, учитывая тот факт, что создан он был только в конце 40-х. )

в это же время уже и для ВПК полупроводники выпускались и этому есть документальные подтверждения

Если имеется ввиду кремниевый кристаллический детектор, изобретённый ещё в начале века, так к концу 1920-х годов кристаллические детекторы были вытеснены вакуумными лампами, а развитие этого направления физики полупроводников на тот момент приостановилось.