Все современные компьютеры — цифровые. Однако до конца 1970-х годов наряду с цифровой техникой при решении специальных задач использовались и аналоговые вычислительные машины — например, гидроинтеграторы, изобретённые советским инженером Владимиром Сергеевичем Лукьяновым.
Изначально Лукьянов был инженером путей сообщения. В конце 1920-х его направили на строительство железных дорог Троицк — Орск и Карталы — Магнитная (современный Магнитогорск). В строительстве широко использовался бетон, но результаты были нестабильными: даже в конструкциях, залитых с соблюдением технологии, иногда возникали температурные трещины.
Дело в том, что реакция гидратации цемента (которая и обеспечивает «схватывание» бетона) является экзотермической, то есть проходит с выделением тепла. При этом наружные слои бетонной массы, наоборот, охлаждаются, причём неравномерно, поскольку уличная температура всё время меняется. Играет роль даже географическое положение бетонной конструкции: с южной стороны наружные слои имеют более высокую температуру, чем с северной.
Лукьянов понимал, что для искоренения проблемы нужно детально представлять, как происходит изменение температуры в массе бетона. Но объём расчётов, необходимых для проверки его гипотезы, был непосильным для доступной в те годы ручной счётной техники.
В 1934 году Владимир Сергеевич стал работать над машиной, которая могла бы моделировать процессы распределения тепла в массивных конструкциях. Цифровых компьютеров в те годы ещё не было нигде в мире, поэтому неудивительно, что и задуманное им устройство было аналоговым — то есть рассчитанным на работу с непрерывно изменяющимися величинами. В аналоговой технике используется тот факт, что разные по своей физической природе процессы могут описываться одинаковыми уравнениями.
Лукьянов решил применить для расчёта теплотехнических процессов метод гидравлических аналогий. Оказалось, что законы, которым подчиняется течение воды, с математической точки зрения сходны с законами распространения тепла. Изобретатель понял, что модель постепенно остывающей бетонной конструкции можно собрать из набора вертикальных сосудов, соединённых между собой трубками с регулируемым гидравлическим сопротивлением. Для этого изучаемую конструкцию нужно разделить на конечное количество слоёв, каждый из которых имеет свою теплоёмкость и коэффициент теплопередачи к соседним слоям и/или к наружной среде. Каждому слою соответствует один сосуд.
Первый прототип был создан из подручных материалов и работал по упрощённой схеме — без учёта внутреннего тепловыделения. Тем не менее он показал правильность выбранного подхода. Владимир Лукьянов назвал новый прибор гидравлическим интегратором, поскольку по сути он находил приближённые решения дифференциальных уравнений.
Скорость перетекания между разными сосудами регулировалась кранами. С крайними сосудами при помощи гибких трубок соединялись дополнительные ёмкости, которые можно было располагать на разной высоте. Они отвечали за изменения внешних условий: передвигая эти ёмкости в соответствии с графиком температуры, можно было получить необходимое для точного расчёта изменение уровней воды в остальных сосудах.
Чтобы подготовить расчёт на гидроинтеграторе, нужно было сначала закрыть все краны и налить в каждый сосуд точно отмеренное количество воды. Это задавало начальные условия. Затем краны открывали, и оператор начинал менять высоту подвижных сосудов в соответствии с графиком изменения температуры воздуха. При этом уровень воды в основных сосудах менялся по тому же закону, что и температура внутри бетонной конструкции.
Процесс моделирования в любой момент можно было приостановить, чтобы зафиксировать на миллиметровой бумаге изменение уровней воды. В дальнейшем по этим точкам строили график, который и был решением задачи. Если же расчёт нужно было ускорить или замедлить, это можно было сделать, изменив площади сечения сосудов или же расход соединительных трубок. Процессы, которые в реальном мире могли длиться годами, на гидроинтеграторе можно было рассмотреть в течение нескольких часов.
К тому же гидроинтеграторы имели модульную конструкцию, и их можно было собирать в разных конфигурациях, в том числе в двухмерных и трёхмерных вариантах. Это делало их удобными и универсальными инструментами для решения теплотехнических задач. Устройства разработки Владимира Лукьянова начали производить серийно и даже экспортировать за границу. В СССР благодаря гидроинтеграторам удалось сократить сроки строительства Каракумского канала, Саратовской ГЭС, Байкало-Амурской магистрали.
Также они оказались полезны в горном деле, ракетостроении и изучении вечной мерзлоты. К середине 1970-х гидроинтеграторы Лукьянова применялись в 115 организациях, расположенных в 40 городах СССР. В 1951 году за создание гидроинтеграторов Владимиру Лукьянову была присуждена Государственная премия.
Даже когда появились цифровые ЭВМ, позволявшие находить точные решения поставленных задач, гидроинтеграторы не сошли со сцены. Ранние цифровые компьютеры были медленными, имели крошечный объём памяти, а запрограммировать на них процессы распределения тепла было довольно сложно. Гидроинтеграторы же обеспечивали быстрое, а главное — наглядное решение задачи.
Гидроинтеграторы Лукьянова успешно использовались почти полвека, а затем стали музейными экспонатами. В Политехническом музее хранятся два устройства этого типа — ИГ-3, скорее игравший роль учебного и демонстрационного, и применявшийся для реальных работ 1-ИГЛ-1-3, который музею в 1993 году передал сын изобретателя — Алексей Владимирович Лукьянов.
На сайте Политехнического музея в разделе «Коллекция» — ещё больше оцифрованных экспонатов