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.
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.
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:
- Составление расчетной схемы процесса, который предстоит исследовать.
- Соединение сосудов на основании созданной схемы, определение и подбор параметров гидравлических сопротивлений соединительных трубок.
- Произведение расчета начальных значений искомой величины.
- 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.
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.
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.