Буквално едва сега научих за абсолютно невероятно устройство - воден компютър. Хидравличният интегратор на Лукянов - първата в света изчислителна машина за решаване на частични диференциални уравнения - за половин век беше единственото средство за изчисляване, свързано с широк спектър от проблеми в математическата физика.
През 1936 г. той създава изчислителна машина, в която всички математически операции се извършват чрез течаща вода. Чували ли сте за това?
Първият хидроинтегратор IG-1 е проектиран да реши най-прости - едномерни проблеми. През 1941 г. е проектиран двуизмерен хидравличен интегратор под формата на отделни секции. Впоследствие интеграторът е модифициран за решаване на триизмерни задачи.
След организацията на масовото производство интеграторите започват да се изнасят в чужбина: в Чехословакия, Полша, България и Китай. Но те получиха най-голямо разпространение у нас. С тяхна помощ бяха проведени научни изследвания в селището "Мирни", изчисления на проекта на Каракумския канал и главната линия Байкал-Амур. Хидроинтеграторите успешно се използват в строителството на мините, геологията, строителната термична физика, металургията, ракетостроенето и много други области.
Първите цифрови електронни компютри (DECM), които се появиха в началото на 50-те години, не можеха да се конкурират с „водната“машина. Основните предимства на хидроинтегратора са яснотата на процеса на изчисление, простотата на проектиране и програмиране. Компютрите от първо и второ поколение бяха скъпи, имаха ниска производителност, малък обем на паметта, ограничен набор от периферно оборудване, лошо разработен софтуер и изискваше квалифицирана поддръжка. По-конкретно, проблемите с пермафроза лесно и бързо се решават на хидроинтегратор, а на компютър - с големи трудности. В средата на 70-те години хидравличните интегратори се използват в 115 индустриални, научни и образователни организации, разположени в 40 града на страната ни. Само в началото на 80-те направиха малки, евтини,с цифрови компютри с висока скорост и памет, напълно покриващи възможностите на хидроинтегратора.
И още малко за тези, които се интересуват от подробностите.
Промоционално видео:
Създаването на хидроинтегратора беше продиктувано от сложен инженерен проблем, с който младият специалист В. Лукянов се сблъска през първата година на работа.
След завършването на Московския институт на железопътните инженери (MIIT), Лукянов е изпратен за изграждането на железниците Троицк-Орск и Картали-Магнитная (сега Магнитогорск).
През 1920-те и 1930-те години строителството на железниците е било бавно. Основните работни инструменти са лопата, кирка и количка, а разкопките и бетонирането са извършвани само през лятото. Но качеството на работата все още остава ниско, появяват се пукнатини - бича на стоманобетонни конструкции.
Лукянов се заинтересува от причините за пукнатини в бетон. Неговото предположение за техния температурен произход е посрещнато със скептицизъм от експерти. Младият инженер започва проучване на температурните режими в бетонната зидария в зависимост от състава на бетона, използвания цимент, технологията на работа и външните условия. Разпределението на топлинните потоци се описва от сложни връзки между температурните и бетонните свойства, които се променят във времето. Тези отношения се изразяват чрез така наречените частични диференциални уравнения. Въпреки това, съществуващите по това време методи за изчисление (1928 г.) не могат да дадат бързо и точно решение.
В търсене на начини за решаване на проблема, Лукянов се обръща към творбите на математиците и инженерите. Той намира правилната посока в трудовете на изключителни руски учени - академици А. Н. Крилов, Н. Н. Павловски и М. В. Кирпичев.
Корабостроителният инженер, механик, физик и математик акад. Алексей Николаевич Крилов (1863-1945) в края на 1910 г. изгради уникален механичен аналогов компютър - диференциален интегратор за решаване на обикновени диференциални уравнения от 4-ти ред.
Академик Николай Николаевич Павловски (1884-1937) се занимава с хидравлика. През 1918 г. той доказва възможността да се замени един физически процес с друг, ако те са описани от едно и също уравнение (принцип на аналогия при моделирането).
Академик Михаил Викторович Кирпичев (1879-1955) - специалист в областта на топлотехниката, разработи теорията за моделиране на процеси в промишлени инсталации - методът на локално термично моделиране. Методът даде възможност да се възпроизведат явленията, наблюдавани в големи промишлени съоръжения при лабораторни условия.
Лукянов успя да обобщи идеите на велики учени: моделът е най-високата степен на визуализация на математическата истина. След като проведе изследвания и се увери, че законите на водния поток и разпространението на топлина до голяма степен са сходни, той заключи, че водата може да действа като модел на термичния процес. През 1934 г. Лукянов предлага принципно нов метод за механизиране на изчисленията на нестабилните процеси - методът на хидравличните аналогии, а година по-късно създава термичен хидравличен модел, за да демонстрира метода. Това примитивно устройство, направено от покривна желязо, ламарина и стъклени тръби, успешно реши проблема с изучаването на температурните условия на бетона.
Основната му единица бяха вертикални основни съдове с определен капацитет, свързани помежду си с тръби с променливо хидравлично съпротивление и свързани с подвижни съдове. Повдигайки и спускайки ги, те промениха налягането на водата в основните съдове. Стартът или спирането на процеса на изчисление се извършва от кранове с общо управление.
През 1936 г. е пусната в експлоатация първата в света компютърна машина за решаване на частични диференциални уравнения, хидравличният интегратор на Лукянов.
За да се реши проблема с хидроинтегратора, беше необходимо:
1) изготвя проектна схема на процеса, който се изследва;
2) въз основа на тази диаграма свържете съдовете, определете и изберете стойностите на хидравличното съпротивление на тръбите;
3) изчисляване на началните стойности на необходимата стойност;
4) начертайте графика на промените във външните условия на моделирания процес.
След това се задават първоначалните стойности: основните и подвижни съдове със затворени кранове се пълнят с вода до изчислените нива и се маркират върху графична хартия, прикрепена зад пиезометрите (измервателни тръби) - получена е своеобразна крива. Тогава всички кранове бяха едновременно отворени и изследователят промени височината на подвижните съдове в съответствие с графика на промените във външните условия на симулирания процес. В този случай налягането на водата в основните съдове варира според същия закон като температурата. Нивата на течността в пиезометрите се промениха, в точното време крановете бяха затворени, спирайки процеса и новите позиции на нивата бяха маркирани на графична хартия. Въз основа на тези знаци беше изградена графика, която беше решението на проблема.
Възможностите на хидроинтегратора се оказаха необичайно широки и обещаващи. През 1938 г. В. С. Лукянов основава лаборатория от хидравлични аналогии, която скоро се превръща в основна организация за въвеждане на метода в националната икономика на страната. Той остава ръководител на тази лаборатория четиридесет години.
Основното условие за широкото използване на метода на хидравличната аналогия беше подобряването на хидравличния интегратор. Създаването на дизайн, който е удобен за практическо приложение, даде възможност за решаване на проблеми от различен тип - едномерни, двуизмерни и триизмерни. Например потокът на вода в праволинейни граници е едномерен поток. Двумерното движение се наблюдава в райони на големи речни завои, близо до острови и полуострови, а подземните води се разпространяват в три измерения.
Първият хидроинтегратор IG-1 е предназначен за решаване на най-прости - едномерни - задачи. През 1941 г. е проектиран двуизмерен хидравличен интегратор под формата на отделни секции.
През 1949 г. с постановление на Министерския съвет на СССР в Москва е създаден специален институт "NIISCHETMASH", който получава подбор и подготовка за серийно производство на нови модели компютърни технологии. Една от първите подобни машини беше хидроинтеграторът. В продължение на шест години институтът разработва нов дизайн на него от стандартни унифицирани блокове, а в раянския завод на изчислителни и аналитични машини започва серийното им производство с фабричната марка IGL (хидравличен интегратор на Лукянов). Преди това в московския завод за изчислителни и аналитични машини (CAM) са изградени единични хидравлични интегратори. По време на производствения процес секциите бяха модифицирани за решаване на триизмерни проблеми.
През 1951 г. В. С. Лукянов е удостоен с Държавната награда за създаването на семейство хидроинтегратори.
След организацията на масовото производство интеграторите започват да се изнасят в чужбина: в Чехословакия, Полша, България и Китай. Но те получиха най-голямо разпространение у нас. С тяхна помощ бяха проведени научни изследвания в селището "Мирни", изчисления на проекта на Каракумския канал и главната линия Байкал-Амур. Хидроинтеграторите успешно се използват в строителството на мините, геологията, строителната термична физика, металургията, ракетостроенето и много други области.
Ефективността на метода на хидравлични аналогии при производството на стоманобетонни блокове на първата в света водноелектрическа централа от сглобяем бетон - Саратовската водноелектрическа централа im. Ленин Комсомол (1956-1970). Беше необходимо да се разработи технология на производство за около три хиляди огромни блока с тегло до 200 тона. Блоковете трябваше да узреят бързо, без да се спукат по производствената линия през всички сезони и незабавно да бъдат инсталирани на място. Много сложни изчисления на температурния режим, като се отчита непрекъснатата промяна в свойствата на втвърдяващия бетон и условията на електрическото отопление, бяха направени своевременно и в необходимия обем само благодарение на хидроинтеграторите на Лукянов. Теоретичните изчисления в комбинация с тестове на пилотен обект и в производството позволиха да се разработи технологията на производство на блокове с безупречно качество.
Първите цифрови електронни компютри (DECM), които се появиха в началото на 50-те години, не можеха да се конкурират с „водната“машина. Основните предимства на хидроинтегратора са яснотата на процеса на изчисление, простотата на проектиране и програмиране. Компютрите от първо и второ поколение бяха скъпи, имаха ниска производителност, малък обем на паметта, ограничен набор от периферно оборудване, лошо разработен софтуер и изискваше квалифицирана поддръжка. По-конкретно, проблемите с пермафроза лесно и бързо се решават на хидроинтегратор, а на компютър - с големи трудности. Освен това предварителното прилагане на метода на хидравличните аналогии помогна да се формулира проблемът, да се предложи начинът на компютърно програмиране и дори да се контролира, за да се избегнат груби грешки. В средата на 70-те години хидравличните интегратори се използват в 115 индустриални, научни и образователни организации, разположени в 40 града на страната ни. Едва в началото на 80-те се появяват малки по размер евтини цифрови компютри с висока скорост и капацитет на паметта, напълно припокриващи възможностите на хидроинтегратора.
Два хидроинтегратора на Лукянов са представени в колекцията от аналогови машини на Политехническия музей в Москва. Това са редки експонати с голяма историческа стойност, паметници на науката и техниката. Оригиналните изчислителни устройства представляват постоянен интерес за посетителите и са сред най-ценните експонати в изчислителния отдел.