У истоков возникновения в г. Пензе аналогового направления вычислительной техники

Э.С. Козлов

Ниже автор попытается в возможно более популярной и сжатой форме показать, как в г. Пензе начинались работы по аналоговой вычислительной технике, как начиналось производство, исследовательские и проектные работы по аналоговой, а в дальнейшем – аналого-цифровой  вычислительной технике.

Итак, сначала краткая историия. В самый разгар войны, в 1943 году, когда все предприятия Пензы работали на оборону, Правительство СССР сочло необходимым   образовать в Пензе институт, твёрдо веря в неизбежность нашей победы, заботясь о том, что по окончании войны будет  ещё  большая потребность в  инженерных и  научных кадрах разных специальностей для восстановления и развития производства во всех отраслях народного хозяйства. В этих условиях был образован Пензенский индустриальный институт, который начал свою  деятельность 1 ноября 1943 года. Уже в 1947 году институт выпустил первую, небольшую группу инженеров, в числе которых был Ефим Михайлович Сегаль, который по направлению  пришёл на  завод счётно-аналитических машин (САМ) и  стал  заместителем начальника экспериментального цеха № 11. Завод САМ в то время выпускал счётно-перфорационные машины, которые и дали название заводу. Счётно-перфорационные машины являлись чисто механическими, и в них электротехника присутствовала разве что в виде электромоторов, и небольшого количества электромагнитов реле.

Основная заслуга при создании в Пензе вычислительной и электронной промышленности принадлежала министру Минометного вооружения СССР, а впоследствии – министру машиностроения и приборостроения, нашему земляку, Петру Ивановичу Паршину. В начале 1948 года он приезжал в Пензу, побывал на ряде предприятий и в Индустриальном институте. Мы, в то время ещё студенты выпускного курса, приученные с фотоаппаратами встречать высокопоставленных гостей института, как, например, Александр Фадеев, решили было организовать подобную встречу. Но наше любопытство осталось неудовлетворенным.

После посещения министра П.И. Паршина в начале 1948 года было принято решение об освоении на Пензенском заводе САМ производства электроинтеграторов по документации, разработанной лабораторией электромоделирования Института точной механики и вычислительной техники Академии наук СССР (ИТМ и ВТ АН СССР). В то время лабораторию возглавлял Лев Израильевич Гутенмахер, ведущими разработчиками электрических схем были кандидат технических наук Николай Владимирович Корольков и ведущий конструктор Николай Васильевич Беляков. Л.И. Гутенмахер был основным идеологом разработок ИТМ и ВТ этого направления. Сейчас, наверное, уже мало кто знает, что после доклада Л.И. Гутенмахера «О принципах электрического моделирования физических процессов» на одной из конференций по предложению академика А.А. Дородницына ему была присвоена степень доктора технических наук.

На заводе САМ техническое сопровождение электроинтегратора в производстве было поручено конструкторскому бюро, начальником которого был Иван Кузьмич Кутний. Изготовлением опытного образца занимался экспериментальный цех № 11. Цех № 11 представлял собой маленькое самостоятельное хозяйство, в котором были свои слесарно-механический, монтажно-намоточный участки и цеховая электролаборатория. К сентябрю 1948 года, к приходу в цех автора этих строк, в лаборатории уже находился изготовленный каркас будущего электроинтегратора типа ЭЛИ-12 (Электронно-ламповый интегратор для решения системы обыкновенных дифференциальных уравнений 12-го порядка). А на участках цеха изготавливались детали «начинки» изделия. За исключением небольшого количества наименований комплектующих изделий: электронных ламп, ламповых панелей, конденсаторов всё остальное изготавливалось здесь же, в цехе или на заводе. Это – разные крепежные изделия, панели, каркасы, блоки, ручки, проволочные резисторы, трансформаторы и многое другое.

Чтобы читатель лучше мог представить устройство этого электроинтегратора, попробуем вкратце описать принцип его построения и работы.

Система дифференциальных уравнений, подлежащая решению, вначале приводится к матричному виду. В матрице должно быть не более 12-ти строк – уравнений, содержащих в левой части сумму производной искомой функции с другими искомыми функциями, а справа – заданное значение правой части уравнения. Все числа уравнений могут иметь постоянные коэффициенты. Понятно, что если число уравнений меньше 12-ти, «лишние» члены исключаются установкой соответствующих коэффициентов, равных нулю. Кроме того, в каждом уравнении устанавливаются заданные значения начальных условий.

Основным решающим элементом являлся усилитель переменного тока с двухфазным выходом. В электроинтеграторе имелось 12 усилителей – по числу уравнений системы. Вход каждого усилителя через сопротивления связей соединен с выходами, а выход – с входами всех остальных усилителей. К входам усилителей подключены конденсаторы для моделирования производных, а также дополнительные сопротивления связей, задающих правую часть уравнения. Выходы всех усилителей нагружены на резистивные делители напряжения, при помощи которых устанавливаются величины коэффициентов при членах уравнений. Аналогичные делители напряжений имеются для задания начальных условий и правых частей уравнений. Стремление обеспечить точность воспроизведения коэффициентов не менее 1% потребовало установить допуски на величины сопротивлений связей и делителей напряжения, а также ёмкостей в пределах ± 0,1% от их значений.

Поскольку делители напряжений в рабочих условиях оказываются нагруженными на сопротивления связей, для уменьшения погрешности взято соотношение величин сопротивления связи к сопротивлению делителя, равное 1000 : 1. Здесь пришлось искать компромисс между желанием создать возможно большую величину сопротивления делителя, нагружающего усилитель, и, по возможности, не слишком увеличивать максимальные значения сопротивлений связей, чтобы они не оказались соизмеримыми с сопротивлениями изоляции. Исходя из этих соображений, были выбраны значения сопротивлений делителей 200 ом, сопротивлений связей 200 Ком (задающие десятки процентов коэффициентов) и 2 Мом (единицы процентов).

В цеховой лаборатории и на намоточном участке были организованы рабочие места, оборудованные измерительной аппаратурой необходимой точности, на которых выполнялись работы по подгонке проволочных сопротивлений, комплектации непроволочных сопротивлений 2 Мом из двух резисторов по 1 Мом, комплектации групп конденсаторов для входных ёмкостей усилителей, проверке собранных делителей напряжений и др. В лаборатории был оборудован специальный стенд для наладки и проверки усилителей, имитирующий реальный режим их работы.

Но вот, наконец, изготовлены, собраны и налажены все узлы электроинтегратора, сделан генеральный монтаж, и началась наладка. Никаких методик, инструкций и руководств по наладке такой аппаратуры в то время ещё не было. Всё приходилось делать вновь, часто «на ощупь». Стали проясняться основные проблемы (в основном, их было три): недостаточно большое сопротивление изоляции деталей коммутационных устройств, нестабильность  и асинхронность работы электромеханических реле управления работой усилителей и влияние различного рода помех и наводок.

Наиболее сложными конструктивно и технологически являлись коммутаторы набора коэффициентов. Они представляли собой трубы из изоляционного материала (текстолита), разрезанные вдоль на две половины для возможности выполнения монтажа, после которого обе половины соединялись и скреплялись вместе, образуя трубу со жгутами проводов внутри, припаянными к контактам, впресованным в трубу. На собранную трубу далее надевались и прикреплялись контактные латунные кольца и переключающие кольца с подвижным контактом и выгравированными цифрами, показывающими положение коммутирующего элемента. После последовательных установок и подпайки колец получался коммутатор. Таких в аппарате было 12 – по числу блоков. Первые же включения  машины показали, что решения простейших контрольных задач получаются с большими искажениями, вызванными токами утечки между различными точками схемы коммутаторов.

Проведённые исследования показали, что сопротивление изоляции текстолитовых труб нестабильно, сильно зависит от влажности воздуха и температуры. В ряде случаев оно падало до единиц мегом, из-за чего токи утечки на входе усилителя могли даже превышать операционные токи. Просушка текстолитовых труб в термошкафу резко повышала сопротивление изоляции, но ненадолго, так как поверхность обработанного резцом текстолита была весьма гигроскопична. Не давали желаемых результатов и покрытия текстолитовой поверхности различными лаками. В довершение к неприятностям, интенсивный нагрев в период сушки приводил к короблению коммутаторных труб, имеющих длину около метра, и вызывал заедание, порой даже заклинивание, коммутационных колец.

Большое количество экспериментально-исследовательских работ вызвало необходимость реорганизации взаимоотношений между  экспериментальным цехом № 11 и конструкторским бюро завода. Поэтому, в 1949 году, образовался отдел математических машин. Он объединил лабораторию цеха и группу конструкторов, работавших по этой тематике. Отдел математических машин находился в непосредственном подчинении главному инженеру завода. Возглавлял отдел Николай Сергеевич Николаев (поступил на работу на завод в ноябре 1948 года). Руководил лабораторией Э.С. Козлов (поступил на завод в сентябре 1948 года); начальником конструкторского бюро отдела была назначена Ольга Ефимовна Кроник. Отдел выполнял функции сопровождения в производстве опытных образцов интегратора ЭЛИ-12 (их было изготовлено два: один – для исследований в лаборатории Гутенмахера, второй – для экспериментально-исследовательских работ отдела). Лаборатория отдела занималась наладкой узлов, экспериментально-исследовательскими работами, разработкой разного технологического оборудования по тематике,  обеспечивала метрологические операции и техническое руководство монтажно-намоточных участков цеха. Отдел осуществлял непосредственные контакты с лабораторией электромоделирования ИТМ и ВТ, получая от неё исходные данные для разработок и предоставляя результаты своих экспериментальных исследований и разработок.

Одной из первых и наиболее значительных работ отдела являлась замена текстолитовой основы коммутаторов другим изоляционным материалом и связанная с ней доработка конструкций блоков и технологии их изготовления. Был применен новый тогда изоляционный материал – неолейкорит, производство которого было освоено на Карачаровском заводе под Москвой. С применением неолейкорита отделом были разработаны модернизированные образцы электроинтеграторов ЭЛИ-12-1, а затем – ЭЛИ-14 для решения уравнений шестого порядка. В этих разработках в значительной мере устранено большинство недостатков первых электроинтеграторов. Машины ЭЛИ-12-1 и ЭЛИ-14 выпускались заводом серийно, и ими был оснащён целый ряд предприятий страны.

Достаточно удачная конструкция и хорошие эксплуатационные параметры ЭЛИ-14 позволили разработать и построить по заказу ВНИИНефть специализированную модель ЭЛИ-24 (из 24-ти решающих блоков) для исследования поведения глубинно-насосных установок нефтяных скважин. Электроинтегратор ЭЛИ-24 представлял собой как бы сочетание четырёх ЭЛИ-14 в одной конструкции с общими устройствами управления, питания и измерения результатов  решения. Однако, в отличие от ЭЛИ-12-1, имеющего полную матрицу из 12-ти строк по 12 членов, ЭЛИ-24 содержал 24 строки, в каждой из которых было лишь по 6 членов уравнений, расположенных вблизи члена с производной. Потому матрица была неполной  («диагональной»), что позволяло существенно сократить  оборудование, обеспечивая моделирование конкретных задач исследования глубинно-насосных установок.

Любопытно, что на последних этапах работ с ЭЛИ-24 – лабораторных наладочных работах и испытаниях – разработчики столкнулись с непонятным явлением, когда прибор вдруг прекращал правильно работать, хотя все входящие в него блоки и элементы были абсолютно исправны. Ранее, при наладке ЭЛИ-12, отмечались подобные явления, когда при решении поставленной задачи неожиданно решение пропадало. Это объяснялось асинхронностью и нестабильностью работы контактов реле периодизатора.

В работах с ЭЛИ-24  обнаружилось, что сбой работы прибора происходил не из-за нарушения работы реле, а имел какие-то иные причины. Исследователями было обнаружено, что явление пропадает, если прибор выключить и спустя какое-то время включить снова. Естественно, что причину, в основном, искали в перегреве каких-то деталей, из-за чего могли произойти и нарушения их правильной работы. Однако, дальнейшими исследованиями это не подтвердилось. Более того, обнаружилась зависимость от числа одновременно работающих решающих блоков (усилителей), подключенных к источнику питания. Поскольку в моделях ЭЛИ-14 подобных нарушений никогда не наблюдалось, было сделано предположение о невозможности работы какого-то большого числа усилителей от одного источника питания, хотя при сбое работы прибора какие-либо нарушения качества питающих напряжений не обнаруживались. При уменьшении числа усилителей и загрузке источника питания балластным сопротивлением до максимального значения нарушения работы ЭЛИ-24 не наблюдалось.

Так, вслепую, опытным путем мы подошли к необходимости разработки средств развязки по питанию активных элементов. Много позже по этому вопросу  появились публикации, но в то время успех работы всецело зависел от удачи эксперимента.

На базе ЭЛИ-14 отделом был спроектирован и изготовлен опытный образец автомата тяговых расчётов (АТР-1) для приближенного решения уравнений движения поезда. Одновременно с упомянутыми работами отделу была поручена разработка сеточного электроинтегратора ЭИ-12 для решения краевых задач теории поля, описываемых дифференциальными уравнениями в частных производных. Эта работа выполнялась на базе исследований лаборатории ИТМ и ВТ и совместно с их сотрудниками. В ходе проектирования ЭИ-12 лабораторией отдела были разработаны принципиально новые средства измерения искомых функций и более технологичная элементная база. Спецификой сеточных электроинтеграторов было весьма большое количество однотипных элементов. Так, в ЭИ-12 имелось 448 узловых точек (узловая точка – это пересечение цепочки последовательно включенных сопротивлений в горизонтальном и вертикальном направлениях, множество горизонтальных и вертикальных цепочек образуют матрицу – «сетку»). Величины сопротивлений резисторов, образующих сетку, должны изменяться при наборе исходных данных решаемой задачи, так как они являются аналогами параметров моделируемой физической среды. В случае, когда рассматриваются процессы в однородной среде, сетка могла бы быть построена из одинаковых постоянных сопротивлений, но как раз этот случай представлял наименьший  практический интерес, так как такие задачи удобнее и проще решать известными аналитическими методами. В каждой узловой точке соединяются в узел четыре сопротивления и, следовательно, количество сопротивлений в сетке примерно вдвое больше, чем узлов. Основным массовым элементом сетки ЭИ-12 являлось переменное сопротивление, в качестве которого служил двухдекадный магазин сопротивлений, позволяющий изменять сопротивление от 10 до 1000 ом ступенями через 10 ом. Кроме того, магазин позволял задавать значения 0 ом и ¥. В ЭИ-12 магазины сопротивлений были построены на базе галетных переключателей с фарфоровыми основаниями, являющимися в то время наиболее надёжными в радиоаппаратуре.

Сеточные интеграторы ЭИ-12 выпускались заводом серийно и использовались в ряде организаций страны и даже поставлялись за рубеж. С точки зрения сегодняшнего дня, создание серийного электроинтегратора ЭИ-12 являлось основой направления разработки аналоговых методов и средств для решения краевых задач, описываемых линейными и нелинейными уравнениями в частных производных. Ниже  автор сделает попытку более подробно остановиться на этом вопросе.

В начале 1950-х годов за рубежом появились разработки аналоговых моделирующих устройств с усилителями постоянного тока. Почти одновременно с этим подобные разработки стали проводиться и у нас. Разработками интеграторов с усилителями постоянного тока занимался отдел Московского  НИИСчетмаша, руководимый Валентином Борисовичем Ушаковым (впоследствии – доктором технических наук), и лаборатория электромоделирования ИТМ и ВТ АН СССР  под руководством д.т.н., профессора Л.И. Гутенмахера.

Электроинтеграторы с усилителями постоянного тока имеют несравненные преимущества перед подобными устройствами с усилителями переменного тока, прежде всего в том, что позволяют более чётко выполнять операции  суммирования и интегрирования, а также формировать различные функциональные зависимости членов решаемых уравнений. В отделе В.Б. Ушакова разработки велись по американской идеологии. Основной процесс решения длился 100 секунд, хотя усилители  постоянного тока (УПТ) обеспечивали расчёты и в более длительном режиме. Шкала выходных напряжений УПТ составляла 100 вольт. Для повышения устойчивости работы УПТ имел очень ограниченную полосу пропускания с верхней границей частотной характеристики всего в несколько герц. В качестве коммутирующих устройств применялись электромеханические реле и шаговые  искатели телефонного типа. Отделом В.Б. Ушакова разработки были доведены до создания рабочей технической документации и изготовления опытных образцов электроинтеграторов и приборов инфранизкой частоты.

Разработки Л.И. Гутенмахера имели существенное отличие и новизну. Это, прежде всего, работа в режиме периодизации решения, когда весь процесс длится доли секунды и повторяется 8-12 раз в секунду, что позволяет наблюдать искомую функцию на экране электронно-лучевого индикатора (осциллографа), как и в электроинтеграторах типа ЭЛИ. Кроме того, в электроинтеграторе сохранялся матричный способ записи уравнений решаемой задачи. Впервые были использованы бесконтактные коммутирующие элементы в операционных узлах. Шкалы напряжений уменьшались до 40 вольт, что позволяло расширить полосу частот УПТ, верхняя граница которой повышалась на 2-3 порядка.

Следует сказать, что новизна и оригинальность работ Л.И. Гутенмахера подтверждается более чем сотней авторских свидетельств на изобретения и авторством более полутора сотен печатных работ. Отделом математических машин  по идеологии Л.И. Гутенмахера и при участии группы его сотрудников была разработана рабочая техническая документация опытного образца электроинтегратора на усилителях постоянного тока ЭЛИ-6, заводом выполнено изготовление опытных образцов, лабораторией отдела математических машин проведены наладка и сопровождение доработки опытных образцов и их испытания.

Электроинтегратор ЭЛИ-6 предназначался для решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений до шестого порядка с линейными или нелинейными коэффициентами или членами уравнений. Он содержал шесть блоков операционных усилителей (по три усилителя постоянного тока в каждом) для суммирования, интегрирования и умножения на постоянный коэффициент, блок задания начальных условий и правых частей уравнений, три блока перемножения функций, три блока функциональных преобразователей для получения зависимостей от искомых функций или времени, электронно-лучевой индикатор и соответствующие источники питания. По технико-эксплуатационным параметрам и схемотехническим решениям ЭЛИ-6 превосходил в то время существовавшие зарубежные аналоги. Многие блоки (схемы и конструкции) были разработаны отделом математических машин, лаборатория отдела выполнила наладку и необходимые доработки всех блоков и устройств и интегратора в целом.

В то время не было принято (на заводе, во всяком случае) заявлять о своих претензиях на новизну и авторство, а в выполняемых лабораторией и отделом работах новизны содержалось немало, и на них вполне могли бы быть получены авторские свидетельства на изобретения. Не практиковалась и публикация в печати технических достижений сотрудников лаборатории и отдела математических машин. Первая публикация авторов Э.С. Козлова и Н.С. Николаева  «К вопросу о приближённом  решении  дифференциальных  уравнений в частных   производных  при помощи  электрических моделей» появилась  в  журнале «Автоматика и телемеханика» № 10  (изд. АН СССР) лишь в 1956 году, и авторами на неё был получен весьма лестный отзыв одного американского учёного. Но в то время, когда велись описываемые работы, о существовании и возможностях отдела математических машин на заводе САМ знали лишь немногие.

По мере накопления опыта разработки, сопровождения в производстве и совершенствования технологических процессов завод   САМ и входивший в его состав  отдел  математических машин стали получать всё большее  количество заказов на поставку аналоговой вычислительной техники. В  начале   1950-х годов,   после разработки и изготовления предприятием НИИСчетмаш опытных образцов аппаратуры с усилителями постоянного тока, заводу была передана техническая документация, и было поручено изготовление серии этой аппаратуры, а отдел математических машин был обязан выполнять её техническое сопровождение и наладку. При этом в ходе производства и наладки завод не мог вносить какие-либо изменения в техническую документацию без согласования с разработчиками НИИСчетмаша.

В период с 1952 по 1956 гг. заводом было изготовлено следующее оборудование:

• электронные модели ИПТ-4, ИПТ-5, МПТ-9 с усилителями постоянного тока для решения дифференциальных уравнений с постоян-ными и переменными коэффициентами;
• комплект нелинейных блоков КНБ для моделей ИПТ-4, ИПТ-5, МПТ-9;
• нелинейные электронные модели МПТ-11, МН-7;
• приборы инфранизкой частоты:
  • низкочастотный фазометр-частотомер НФ-1М,
  • низкочастотный генератор синусоидальных колебаний НГ-2,
  • низкочастотный генератор периодических колебаний НГПК;
• двойной пиковый вольтметр ДПВ-1М;
• компенсационный выпрямитель КВ-2;
• электронно-стабилизированный выпрямитель ЭСВ-1М.

В 1953 году, учитывая большой опыт сопровождения в производстве, разработки, наладки и внедрения в народное хозяйство, накопленный отделом математических машин, вышестоящее руководство приняло решение  о выделении отдела математических машин из структуры завода САМ и передачи его в полном составе в образованное вновь самостоятельное предприятие – филиал Московского СКБ-245. Филиал СКБ-245 – так это предприятие тогда называлось – с 1955 года состоял из трёх научно-производственных отделов: №№ 2, 3, 4; первые два были организованы вновь, а отделом № 4 стал бывший отдел  математических машин завода САМ.

Первоначально некоторое время отдел № 4 сохранял свой состав и тематику, но уже вскоре в его структуре появились ещё две лаборатории, которым была поручена другая тематика. Лаборатория № 41, которой руководил автор этих строк, работала по своей прежней тематике. Постепенно основным направлением работы лаборатории № 41 стала разработка и внедрение средств для решения задач теории поля. Лаборатории была поручена разработка специализированного сеточного интегратора для решения задач рациональной разработки крупных нефтяных месторождений. Заказчиком этой разработки являлся Всесоюзный научно-исследовательский институт нефтяной и газовой промышленности Министерства нефтяного хозяйства СССР (ВНИИНефть). Техническое задание на разработку и изготовление машины утверждалось Заместителем Председателя Совета министров СССР. Заложенные в техническом задании требования не позволяли сколько-нибудь заметно скопировать аналогичные электрические модели Куйбышевского НИИ «Гипровостокнефть» и Бакинского АзНИИ (ЭМ-5 и ЭМ-8), хотя они также предназначались для решения подобных нефтяных задач.

Необходимость создания такого уникального устройства вызывалась тем, что в послевоенные 1950-е годы велась линия на научно-обоснованные режимы эксплуатации нефтяных месторождений, особенно крупных, с большим количеством эксплуатационных и нагнетательных скважин. При этом требовалось получить возможно больше значений коэффициентов нефтеотдачи пласта при минимальных эксплуатационных затратах. Теперь, к сожалению, эти задачи из-за хищнического отношения к природным ресурсам и стремления быстро получить сиюминутную прибыль свою актуальность потеряли.

Начав разработку, разработчикам пришлось вникнуть в суть поставленной задачи, изучить ряд теоретических вопросов, связанных с эксплуатацией месторождений, изучить работу конкретных месторождений, побывав на промыслах Татарии и Азербайджана. В какой-то мере эта подготовка разработчиков  отразилась на терминологии некоторых устройств будущей машины. Изучение реальных физических процессов позволило осмысленно подходить к разработке электрических схем многих функциональных блоков.

Описываемой разработке вскоре было присвоено название «Электроинтегратор специальный» – ЭИ-С. Основная, решающая часть интегратора – сетка – выполнена по трёхзональному принципу, позволяющему расположить на ней контур нефтяного пласта так, чтобы наиболее интересующая часть его аппроксимировалась с наибольшей подробностью, тогда как прилегающие к нему площади не требуют столь высокой детализации. Центральная часть сетки, кроме того, чтобы создать некоторое подобие объёма и учесть влияние подстилающего и покровного слоев пласта, была выполнена двухслойной. Поскольку коэффициенты членов дифференциального уравнения пласта имеют размерность проводимости (коэффициенты гидропроводимости), сетки построены с использованием магазинов проводимостей, выполненных в виде сменных штеккерных резисторов типа телефонных штеккеров. Такой принцип организации сеточного поля в период разработки не имел аналогов ни в отечественной, ни в зарубежной практике построения сеточных интеграторов. Лишь позже, в 1960-е годы, принцип сменных сопротивлений был реализован во французской сеточной модели «Дельта-600». Вполне возможно, что ряд технических решений ЭИ-С был там использован. Как уже отмечалось ранее, патентование новых технических решений у нас на предприятии не проводилось, несмотря на то, что при разработке ЭИ-С патентоспособных технических решений было великое множество.

Располагаемые на площади пласта эксплуатационные и нагнетательные скважины имитировались токами одного или противоположного направления, задаваемыми в соответствующие узлы сетки. Указанные токи формировались электронными схемами, построенными на операционных усилителях постоянного тока. Электронных каналов-имитаторов скважин было: 500 – эксплуатационных и 250 – нагнетательных. Каждый из каналов программировался так, чтобы имитировать работу реальной скважины во времени, мог быть по программе включен, выключен в течение времени, соответствующего календарному времени работы скважины. Кроме того, выходные параметры каналов могли изменяться во времени также по заданным программам. Для этого использовалось специальное устройство – генератор функций, позволяющий запрограммировать до 50-ти  разных функциональных зависимостей выходных сигналов во времени. Эти блоки могли управлять работой каналов-имитаторов скважин. Таким образом, в состав ЭИ-С входили 800 массовых электронных блоков, в основном, трёх типов. Всего в ЭИ-С одновременно работали свыше 8000 электронных ламп, что, естественно, требовало соответствующим образом организовать системы электропитания. Для разработки системы потребовалось провести глубокий анализ возможных вариантов структуры с тем, чтобы выполнить преобразование электроэнергии большой мощности (потребление ЭИ-С доходило до 35-40 киловатт) с необходимым качеством выходных напряжений, при этом минимизировать аппаратуру и обеспечить её надёжную и безотказную работу.

Предстояло выбрать наиболее подходящий вариант из трёх основных групп: автономное питание каждого канала, централизованное питание в пределах конструктивного блока (шкафа, стойки) и полностью централизованное питание всех устройств ЭИ-С. Анализ показал целесообразность последнего варианта, однако, только по цепям постоянных напряжений. Централизовать питание цепей накалов электронных ламп было бессмысленно, так как источник должен был бы выдавать ток порядка 2,5 тысяч ампер при напряжении 6,3 В. Поэтому, в отношении накальных цепей был выбран первый вариант. Аппаратура электропитания была сосредоточена в отдельном помещении площадью около 50 м2, снабжена системами аварийной и рабочей автоматики и сигнализации, а также средствами защиты. Всего же ЭИ-С занимал площадь около 200 м2 в специально оборудованном помещении, имеющем кабельные каналы, вентиляционные устройства для каждого электронного, конструктивного блока и полуавтоматический подъемник для работы операторов в процессе набора сопротивлений сетки.

Разработка всех электронных схем устройств и блоков ЭИ-С и отработка их на макетах были выполнены полностью инженерами лаборатории. Схемы массовых каналов макетировались многократно в разных вариантах построения схем и их конструктивного выполнения. Разработка конструкций узлов, блоков, конструктивных модулей и всех других механических и электромеханических конструкций была выполнена группой конструкторского бюро отдела под руководством Петра Васильевича Пекорина. Этой же группой была разработана и оформлена вся рабочая и техническая документация, по которой заводом были изготовлены все конструктивные элементы и их электромонтаж. Лабораторией была выполнена автономная наладка всех блоков и устройств, были проведены типовые испытания массовых узлов.

Вследствие больших габаритов конструкций выполнение генерального монтажа в условиях Пензы оказалось весьма затруднительным, поэтому на площадку заказчика (ВНИИНефть) конструктивные блоки отправлялись полусобранными, и на месте производились  все остальные работы по установке, монтажу и генеральному монтажу, а также предварительные испытания различных узлов по мере их готовности.

Когда сборочно-монтажные работы были завершены, началась наладка блоков питания, затем автономная проверка и наладка узлов и комплексная наладка блоков совместно. Хотя все работавшие на объекте сотрудники лаборатории имели уже достаточно большой опыт разработки и наладки сложных электронных устройств, возникало большое количество проблем, с которыми приходилось сталкиваться впервые. Не было ещё опыта наладки аппаратуры с таким огромным количеством элементов. Ведь в одной машине требовалась совместная работа тысяч электронных ламп, сотни тысяч холодных контактов, ещё больше паяных, с монтажом, на который ушли десятки километров проводов. Работа наладчиков главным образом была основана на энтузиазме. Работали по 12-18 часов без принуждения и без выходных в течение месяца (дольше было нельзя – требовался перерыв в командировке, иначе могли возникнуть трудности с бухгалтерией). Руководство ВНИИНефть быстро поняло, что если приехала бригада из г. Пензы, то надо организовать двухсменную работу своих сотрудников на все время работы бригады.

В то время ещё не было чёткой теории надёжности, потому мы и не знали точно, чего делать нельзя, а интуитивно чувствовали, что заставить всю эту махину деталей работать очень сложно, но можно. Вот к этому наладчики и стремились. Конечно, сложности в совместной работе множества элементов ожидались ещё на этапе разработки, и потому сразу же предусматривались некоторые меры по повышению надёжности работы, уменьшению влияния разбросов параметров массовых элементов, увеличению коэффициентов запаса элементов и многое другое. Например, в электронных схемах использовались главным образом непроволочные резисторы типа ВС (других тогда ещё в широком применении не было); они имели допуск  ±10%, а потому величины управляющих сигналов выбирались с десятикратным запасом. В функциональных узлах использовались УПТ с большим коэффициентом усиления и глубокой отрицательной обратной связью, выбирались пяти- или десятикратные запасы по рассеиванию мощности резисторов, трансформаторов, электронных ламп и т. д. Наконец, после всех наладочных работ, доработок, устранения слабых мест и неполадок была запущена система питания, которая была испытана в максимальных режимах на эквивалентах предельных нагрузок. На конструктивные блоки поданы все питающие напряжения, проверены силовые цепи на предельных нагрузках эквивалентами. Началась комплексная наладка аппаратуры.

Вначале всё шло гладко и без осложнений – все блоки и узлы ранее были неоднократно проверены и полностью исправны. Выполнена проверка на взаимозаменяемость всех однотипных блоков, то есть проверка работоспособности любого блока в любом предназначенном для него месте. Начали постепенно увеличивать количество одновременно работающих однотипных блоков, и вскоре обнаружилось непредвиденное осложнение: уже при включении одновременно всего нескольких десятков блоков наступал сбой работы этих блоков. Сбой пропадал при выключении нескольких блоков и снова возникал при включении любых других. При выключении и повторном включении питающих напряжений поведение аппаратуры не изменялось. Система питания работала исправно, тем более что нагрузка на источники питания была далека от максимальной. Создавалась ситуация, аналогичная ранее наблюдавшейся при испытаниях ЭЛИ-24, только в более сильной степени. Вспоминались наблюдавшиеся и ранее необъяснимые внезапные нарушения работы осциллографов типа ЭО-4, когда в их работе вдруг происходит сбой, даже при открытом или закороченном входе. Любопытно, что во всех подобных необъяснимых ситуациях руководство было склонно обвинять разработчиков в некомпетентности. Здесь же создалась куда более сложная обстановка – руководство обвинило разработчиков чуть ли не в саботаже, во всяком случае, делались такие попытки, а уж в некомпетентности и технической безграмотности объявило открыто.

Мы интуитивно предполагали, что единственной причиной таких явлений может служить высокочастотная или сверхвысокочастотная генерация (возбуждение), возникающая  при совместной работе некоторого количества электронных устройств. В аналоговых устройствах, в которых содержится достаточно большое количество электронных ламп большой мощности, например, в выходных каскадах усилителей, работающих в линейном режиме, создаются благоприятные условия для возникновения высокочастотных колебаний из-за сложных связей через монтажные ёмкости и индуктивности проводов. Имевшиеся тогда публикации касались лишь внешних наводок и помех и не объясняли процессы, происходящие в ситуации с нашим устройством. Не позволяли обнаружить генерацию и осциллографы с малой полосой пропускания. Многочисленные эксперименты с цепями питания каналов убедили в правильности нашего предположения и привели к необходимости дополнения цепей питания ёмкостными фильтрами цепей питания в каждом блоке каналов. Для доработок требовались конденсаторы, и когда их запросили из Пензы, снова пошла полоса обвинений в технической безграмотности: ведь все эти конденсаторы оказываются включенными параллельно между собой и с выходными ёмкостями стабилизаторов питания. После долгих объяснений, что провод от источника питания к потребителям содержит распределённую индуктивность, ёмкость и сопротивление, злополучные конденсаторы нам были выданы вместе с угрозой принятия репрессивных мер, если они не дадут положительных результатов. Конденсаторы были установлены, после чего были быстро запущены все 750 каналов в нормальном режиме, и побочных сбоев в аппаратуре  больше никогда не было. Далее нормальным порядком пошли пусконаладочные работы и передача ЭИ-С в эксплуатацию заказчику, а об инциденте больше никто и не вспоминал.

Это сейчас стало нормой устанавливать фильтровые ёмкости для каждой или почти для каждой микросхемы какого-либо электронного узла. Тогда же мы были одними из первых (а, может быть, и первыми), кто столкнулся с проблемами генерации в многосвязных, активных цепях.

Электроинтегратор ЭИ-С был передан в эксплуатацию в полном комплекте накануне открытия в Москве Всемирного фестиваля молодёжи и студентов. Сотрудники ВНИИНефть осваивали техническую и математическую части ещё в процессе пусконаладочных работ и испытаний ЭИ-С. Поэтому на машине сразу же была поставлена реальная задача – сократить на одном из месторождений Татарии число скважин против проектной почти вдвое при неизменном качестве работ по добыче нефти. Решение указанной задачи привело к корректировке проекта, внедрение которого дало экономический эффект, исчисляемый десятками миллионов рублей и многократно превышавший затраты на создание ЭИ-С. Об этом эксперименте были неоднократные публикации в газете «Правда». За разработку и внедрение уникального сооружения ряд сотрудников ВНИИНефть, Пензенского НИИ и завода САМ был удостоен правительственных наград, орденов и медалей, в том числе автор этих строк – орденом Трудового Красного Знамени.

Итак, работы по ЭИ-С успешно закончились. Лаборатории были поручены другие разработки специализированной модели глубинно-насосных установок (по заказу ВНИИНефть), электрокаротажного интегратора (по заказу ВНИИГеофизика), но разработчики, закончив ЭИ-С, накопив большое количество новых идей, не смогли их реализовать, да и было уже поздно. Опять та же беда – не была налажена система патентования новых идей. Тогда был найден такой выход: Московский институт строительной физики и ограждающих конструкций был заинтересован в приобретении сеточного электроинтегратора ЭИ-С, но значительно меньшего по количеству оборудования и стоимости. Было разработано техническое задание на такую модель с учетом возможных интересов других потребителей и нашего опыта, а также имевшегося «портфеля идей». Техническое задание было оформлено, и лаборатория приступила к разработке новой сеточной аналоговой вычислительной машины для широкого применения. Название её было «УСМ-1», т. есть «Универсальная сеточная модель первой модификации». «Первой», потому что по окончании разработки появятся идеи и замыслы, которые не успеют реализоваться и пригодятся в следующих разработках.

В разработке УСМ-1 было осуществлено большинство «задумок» и положительных технических решений разработчиков ЭИ-С, прошедших практическую проверку. Сохранены принципы набора сопротивлений сетки при помощи резистивных штекеров, претерпевших существенную конструктивную и технологическую доработку. Существенным отличием и новизной являлось то, что при помощи штекеров образовывались участки неоднородности поля, тогда как без них сетка моделировала однородное поле. Тем самым сильно облегчался процесс набора параметров области. Изменена система задания начальных условий, что повысило точность. Впоследствии этот способ использовали при модернизации ЭИ-С. Была изменена система программного управления каналами граничных условий по времени, где были использованы элементы цифровой вычислительной техники. В УСМ-1 был реализован также ряд других новшеств, улучшающих технические и эксплуатационные параметры машины.

Главной частью УСМ-1 была сетка электрических сопротивлений. Она могла составляться из отдельных блоков по 1458 узловых точек в каждом блоке. Узловая точка имела трехкоординатное строение и составлялась из трех магазинов сопротивлений штекерного типа и одного магазина емкостей. Каждый магазин сопротивлений содержал постоянное сопротивление, позволяющее получить без набора сетки однородное поле. В комплекте машины предусмотрен набор штеккерных сопротивлений, позволяющий производить набор неоднородностей области решения в пределах 1 : 1000. Магазины емкостей имели пять значений с соотношением 1 : 4 : 8 : 16 : 32. В составе УСМ-1 имелась дополнительная сетка, подключаемая в любом месте основного поля для увеличения детальности. Она имела около 350-ти узловых точек двухкоординатного строения. Задание граничных условий производилось при помощи электронных каналов формирования напряжения и токов, постоянных или меняющихся во времени по соответствующим программам. Начальные условия задавались путем перезаряда емкостей узловых точек в нерабочий интервал времени периода решения.

Работой всех электронных устройств управлял периодизатор. Он состоял из генератора эталонной частоты и дешифратора и позволял программировать работу устройств во времени. Периодизатор формировал время решения 10, 20, 50, 100 или 200 миллисекунд и выдавал временные импульсы через 1% от установленного времени решения. Нерабочее время (т. е. пауза между двумя решениями) могла устанавливаться равной 30, 70 или 100 миллисекундам в зависимости от интенсивности разряда ёмкостей сетки. Машина имела в своем составе ручные и автоматические измерительные устройства, электромеханический коммутатор опроса узлов сетки и печатающее устройство. Электропитание производилось от автономных для каждого блока стабилизированных источников.

Основными отличительными особенностями УСМ-1 являлись:

• возможность решения задач с однородными полями без набора сетки сопротивлений, набора объемных (трехмерных) областей с помощью заранее подготовленных коммутационных панелей без затраты на это машинного времени, подключения с помощью коммутационных панелей дополнительных блоков  сетки без каких-либо конструктивных доработок;
• возможность решения уравнений четвёртого порядка;
• автоматизированный процесс измерения и регистрации результатов решения, повышенная точность задания границы и начальных условий и, следовательно, повышенная точность решения;
• возможность аппроксимации функций-программ как с помощью линейных отрезков, так и ступенчатых приращений, а также их комбинаций.

По технической документации, разработанной отделом, был изготовлен опытный образец УСМ-1 и после наладки и междуведомственных испытаний был отправлен для демонстрации в Москву на ВДНХ. Там он заинтересовал ряд организаций, был награжден медалями ВДНХ, а после демонстрации передан Московскому институту радиоэлектроники и горной электромеханики.

Техническая документация на УСМ-1 была передана Пензенскому заводу САМ для серийного выпуска, который завод осуществлял в течение нескольких лет, выполнял работы по сопровождению изделий в производстве, внедрению их на ряде предприятий народного хозяйства страны. Сеточные модели ЭИ-12 и УСМ-1 являлись единственными в стране серийно выпускаемыми сеточными аналоговыми вычислительными машинами.

Лабораторией в те же годы по заказу ВНИИНефть был разработан и изготовлен образец специальной электрической модели для исследования динамики работы механизмов глубинных насосов, откачивающих из скважин нефть.

Модель называлась ГПН (глубинный плунжерный насос). Построенная на основе теорий профессора А.С. Вирновского и профессора Л.И. Гутенмахера, она представляла собой  совокупность трёх электрических цепей, моделирующих колонну штанг, колонну жидкости и колонну труб, а также элементы, моделирующие вес столба жидкости и клапаны глубинного насоса. Каждая их трех моделирующих цепей состояла из 12-ти последовательно соединенных резистивно-индуктивных элементов. Узловые точки образованной цепочки через ёмкости соединялись с общей точкой цепочки. Величины всех элементов схемы могли изменяться при выборе конкретных коэффициентов подобия модели и объекта. На вход цепочек подавалось переменное напряжение определённой формы (синусоидальной, треугольной, трапецеидальной или прямоугольной) в зависимости от практических характеристик привода насоса. Искомыми величинами являлись электрические напряжения в узлах схемы, пропорциональные перемещениям аналогичных точек объекта. Была разработана методика изготовления магазинов индуктивности, исследованы зависимости индуктивности от операционных токов модели, разработаны генераторы колебаний специальной формы и устройство визуального отображения искомых функций и их измерения. Модель была изготовлена в единственном экземпляре и передана в эксплуатацию одной из лабораторий ВНИИНефть.

Серийный выпуск машин УСМ-1 и их внедрение показали необходимость дальнейшего совершенствования и развития аппаратуры этого направления. Лабораторией была выполнена научно-исследовательская работа по исследованию возможностей разработки набора унифицированных блоков и устройств, позволяющих оптимально комплектовать сеточную модель с расширенными эксплуатационными возможностями в зависимости от конкретных условий потребителя. Работа получила название УСМ-2.

В 1950 – 1970-х годах потребность решения краевых задач теории поля была чрезвычайно важной. Простейшие задачи решались с помощью устройств со сплошными резистивными средами, получаемыми на основе электропроводных бумаг, плёнок и других слоев. Наряду с этим, в ряде организаций возникала потребность построения сеточных моделей, резистивных и резистивно-ёмкостных, для решения специальных краевых задач. Здесь надо отметить работы лаборатории в направлении создания двух таких устройств – аналоговых вычислительных машин (АВМ) «Марс» и «Марс-2».

Резистивная модель «Марс» предназначалась для исследования полей в трёхмерном пространстве, вследствие чего сетка имела трёхкоординатное строение. Набор параметров области производился при помощи магазинов проводимости вручную при помощи кодовых штеккеров, в отличие от штеккеров ЭИ-С или УСМ-1, не содержащих резисторов. Была разработана достаточно удачная конструкция таких магазинов, которые имели малые габариты и высокую точность. Измерение искомых функций проводилось автоматически.

Основу АВМ «Марс-2» составляла резистивно-ёмкостная модель, похожая на УСМ-1. Однако, спецификой и отличием её являлась блочно-модульная структура конструкции. Блок (модуль) сетки представлял собой конструктивно и функционально законченный элемент, имеющий набор сопротивлений и емкостей сетки, коммутатор узловых точек для измерения, узлы управления и питания, а также систему коммутации для соединений любого количества таких блоков в единую сетку. Такая структура была разработана в надежде, что позволит заменить УСМ-1, являясь, по сравнению с ней, более прогрессивной.

Жизнь требовала  детального изучения процессов в неоднородных полях сложной структуры и форм с нелинейными зависимостями параметров поля или искомых функций. Примером такой проблемы служит задача определения динамики перемещения в пространстве  зоны плавления (задача Стефана). Суть задачи состоит в следующем. Некоторая область находится под воздействием теплового потока, вызывающего нагрев вещества, из которого состоит эта область, и его плавление. Как известно, теплофизические свойства всякого вещества различны в его твёрдой и жидкой фазе, а для перехода из одного состояния в другое требуются затраты (при плавлении), или происходит выделение тепловой энергии (при затвердевании), причем температура в зоне фазового перехода сохраняется постоянной в течение всего времени совершения фазового перехода. Решение задачи Стефана принципиально может быть осуществлено методом непрерывного времени  при помощи резистивно-ёмкостной специальной сетки, оснащенной реверсивными интегрирующими элементами для моделирования процессов, происходящих в зоне фазового перехода, и позволяющей изменять параметры области по мере перемещения границы твёрдого и жидкого состояния в пространстве, соответствующего изменению теплофизических свойств вещества.

Однако существовавшие технические средства не позволяли реализовать этот способ, так как не обладали нужным быстродействием. Поэтому реально осуществляемым способом являлся метод дискретного времени, когда временная координата представляется шагами. Подобные задачи всё чаще возникали в различных отраслях техники, и их решение потребовало разработки новых методов, алгоритмов и технических средств, специализированных для решения нелинейных задач. Была исследована возможность создания технических средств для реализации различных методов решений: непрерывного времени, дискретных методов класса «шаг за шагом» непосредственного счёта или с итерационными уточнениями, обеспечивающих решение не только линейных краевых задач, но, главным образом, задач с нелинейными зависимостями параметров области и граничных условий.

Большие объёмы данных, достигающие в некоторых нефтяных задачах миллионов чисел, необходимость во многих случаях поэтапного решения и учёта дополнительных функциональных зависимостей поставили на первый план вопросы комплексной автоматизации  процесса решения нелинейных задач. При выполнении НИР «УСМ-2» были использованы различные методы решения разных задач с целью выбора наиболее оптимальных для использования в аппаратуре. Наряду с этим, учитывалась потребность и в простых и относительно дешёвых технических средствах. Поэтому малые машины и специализированные электромоделирующие устройства должны создаваться  наряду с крупными машинами и системами.

В рамках НИР «УСМ-2» на уровне эскизного и технического проектов была выполнена разработка комплекта устройств  построения различных по объёму аппаратуры и назначению электромоделирующих установок – от простейших, с малым числом узловых точек и ручным управлением, до мощных автоматизированных аналого-цифровых вычислительных комплексов. Набор устройств УСМ-2 состоял из блоков резистивных сеток, блока ёмкостей, блока граничных условий с ручным и автоматическим вводом, блока номинальных граничных условий, блока нелинейных параметров области, блока поиска и регистрации эквипотенциальных и силовых линий поля, а также различные устройства для изменения результатов решения и вывода информации. Основным модулем являлась сетка с ручным набором на 256 узловых точек. Он содержал встроенные магазины сопротивлений с диапазоном изменения 2 х 103 раз, добавочные сопротивления для образования трёхмерных областей и другие обслуживающие узлы.

Блок автоматизированной сетки БС-1024 содержит 1024 узловые точки, соединяющих кодоуправляемые магазины сопротивлений, устройства управления и ввода информации, автоматическое измерительное устройство с коммутатором узловых точек и другое оборудование, обеспечивающее работу блока. Управление и ввод информации осуществляется от ЦВМ, к которой БС-1024 подключается на правах внешнего устройства и образует аналого-цифровой вычислительный комплекс. Блок автоматического задания граничных условий содержит электронные каналы, выдающие напряжения или токи, пропорциональные кодам, поступающим из ЦВМ. Блок нелинейных параметров отчасти служит для моделирования задач с подвижными границами фазовых периодов (задача Стефана). Набор устройств УСМ-2 позволяет производить комплектацию машин в соответствии с возможностями и спецификой конкретных потребностей.

Результаты НИР «УСМ-2» были представлены на расширенном заседании НТС института, на котором присутствовали приглашенные представители организаций, заинтересованных в разработке средств решения краевых задач. В январе 1966 года материалы НИР «УСМ-2» докладывались автором на семинаре в Институте кибернетики АН УССР в Киеве. Разработанный проект «УСМ-2» вызвал интерес и в лаборатории электромоделирования ВНИИНефть. Последовала разработка технического задания на разработку и изготовление аналого-цифрового вычислительного комплекса (АЦВК), состоящего из автоматической резистивной сетки и ЦВМ.

Интерес ВНИИНефть к созданию АЦВК  был вызван тем, что задачи многофазной фильтрации нефти, воды и газа в неоднородном пласте описываются системой нелинейных параболических уравнений в частных производных второго порядка. Численное решение уравнений представляет значительный интерес, в частности, для определения нефтеотдачи пласта расчётным путём. Трудности решения таких задач объясняются необходимостью учитывать целый ряд факторов, таких как различные фазовые проницаемости для воды и нефти, их вязкость и объёмный вес, неоднородность пластов по проницаемости, зависимость капиллярного давления от водонасыщенности пласта и т.д. Резистивно-ёмкостные сеточные модели не подходят для решения таких задач, а численное решение этих уравнений на цифровых машинах для больших полей очень затруднительно, так как требует весьма больших затрат машинного времени и значительных объёмов памяти.

Аналого-цифровой вычислительный комплекс является удачным сочетанием автоматической сеточной модели, осуществляющей параллельный метод решения систем уравнений,  имеющей большой объём распределенной памяти и высокое быстродействие, с цифровой вычислительной машиной с её гибкостью и универсальностью, которое обеспечивает эффективное решение нелинейных задач указанного вида. При решении нелинейной задачи методом дискретного представления правой части уравнения параболического типа (функция времени) аналоговая часть АЦВК моделирует поле решаемой задачи со всеми его специфическими особенностями нелинейных зависимостей. Цифровая часть выполняет все необходимые операции – вычисление параметров области для следующего временного шага по заданным зависимостям, вычисление граничных и начальных условий для следующего шага по времени и управляет работой всех устройств комплекса. Разработанному комплексу было дано название «Сатурн» – по аналогии с планетой, состоящей из двух разнородных физических тел.

Естественно, что наибольшую сложность представляла автоматизация перебора сопротивлений сетки, требующая огромного количества коммутирующих элементов (50-60 штук на одну узловую точку), обладающих достаточным быстродействием, надёжностью и минимальной стоимостью. На стадии НИР «УСМ-2» были проведены исследования существующих массовых коммутирующих элементов, и было обосновано применение электромеханических реле типа РЭС-6. При разработке АЦВК «Сатурн» были ещё раз проведены исследования коммутирующих элементов и, особенно, РЭС-6. Они показали ресурс реле РЭС-6 порядка 15-20 миллионов срабатываний до износа, что является приемлемым для массового применения, и именно эти реле (производства Ленинградского завода «Красная Заря») были применены для изготовления автоматической сетки комплекса «Сатурн». Аналоговая часть комплекса включала в себя блок сетки БС-1024А, блок граничных условий, автоматическое измерительное устройство, центральный пульт управления, блок коммутации каналов граничных условий, автономную систему питания и блок двусторонней связи с ЦВМ. Кроме того, в состав аналоговой части входили вспомогательные внешние устройства поиска и регистрации эквипотенциальных и силовых линий и устройство тестового контроля массовых аналоговых узлов. Цифровая часть была представлена цифровой машиной «Минск-12», дополненной ферритовыми накопителями типа У-451 ЭВМ «Урал-14», впоследствии замененной на ЭВМ М-220. Цифровые и дискретные узлы аналоговой части были построены на полупроводниковых модулях комплекса «Урал-10».

Построение комплексов типа «Сатурн» не имело мировых аналогов, поэтому возникали разного рода проблемы в период автономной наладки аналоговой части, сопряжения с ЦВМ. Как и при создании ЭИ-С, возникающие трудности и проблемы приходилось преодолевать многочисленными экспериментальными исследованиями. Особая заслуга в пуске АЦВК «Сатурн» принадлежала в то время старшему инженеру и руководителю группы Владимиру Авраамовичу Мирошкину, который лично, не считаясь со временем и не щадя сил, выполнил на объекте массу экспериментально-исследовательских работ и тем самым обеспечил работоспособность аналоговой части и комплекса в целом, особенно в части работы узлов управления автоматической сетки и обмена информации с ЦВМ. Экспериментальный образец АЦВК «Сатурн» позволил провести ряд работ по уточнению алгоритмов решения сложных нелинейных краевых задач, разработку новых методов электромоделирования нелинейностей областей решаемых задач и послужил базой для совершенствования и проектирования аппаратуры подобных комплексов.

Как отмечалось ранее, в автоматической сетке в качестве основных массовых элементов применены реле РЭС-6 в весьма больших количествах (около 70000 штук). Несмотря на большой ресурс элементов, гарантируемый документацией на них и подтверждённый экспериментальными исследованиями, принятыми конструктивными и методическими мерами при разработке аппаратуры, были нередки случаи нарушения работы реле при занесении информации. Это проявлялось, главным образом, в виде отсутствия контакта срабатываемого реле, и возникала погрешность задаваемого значения координатного сопротивления сетки, которая носила случайный характер.

Указанное обстоятельство потребовало проведения дополнительных исследований и разработки методик тестового, алгоритмического и приборного контроля, исследования влияния отказов коммутационных элементов на погрешность получаемого решения и разработки иных мероприятий по повышению точности. Вследствие большого количества научно-исследовательских работ в направлении контроля автоматических сеток были привлечены специалисты Рижского и Пензенского политехнических институтов, работавшие в порядке выполнения хоздоговорной тематики.

В АЦВК «Сатурн» задание граничных условий, ввод исходных данных и вывод результатов решения выполняются централизованными устройствами. Такая структура позволяла решать нелинейные задачи методами дискретного времени (Либмана), но применение других методов, особенно квазианалоговых, вызывало затруднения и требовало корректировки общей структуры комплекса. Выявленные в процессе эксплуатации и исследований АЦВК «Сатурн» недостатки были учтены в модернизации АЦВК, названной «Сатурн-2». В этом комплексе была реализована децентрализованная система в части модульности автоматизированной сетки, ввода исходных данных в блоки сетки и измерения результатов узловой точки, которая стала объединять три координатных магазина сопротивлений, дополнительный магазин сопротивлений, универсальный кодоуправляемый источник тока или напряжения и коммутирующий элемент источника измерения.

Сетка с общим количеством 2048 узлов содержала 32 блока по 64 узловых точки указанного выше состава. Каждый из блоков БС-64 имел в своем составе собственный узел ввода информации во все кодоуправляемые элементы, измерительный коммутатор первой ступени, систему электропитания и средства коммутации блоков БС-64 между собой и с устройством связи с ЦВМ. В комплексе «Сатурн-2» использовалась цифровая вычислительная машина М-222. Как и в АЦВК «Сатурн», все цифровые и дискретные узлы были выполнены на модулях комплекса «Урал-10».

Децентрализованная структура АЦВК «Сатурн-2» позволила существенно сократить время занесения параметров в сетку и время вывода информации в ЦВМ. В отличие от комплекса «Сатурн», в каждой узловой точке был кодоуправляемый источник, а блок граничных условий в связи с этим был исключен, так как  источники в узлах выполняли и роль каналов задания граничных условий. «Сатурн-2» позволял использовать квазианалоговые методы решения, в частности, метод корректирующих токов в узлах сетки. Это давало возможность наилучшим образом организовать итерационные процессы уточнения решения в части сокращения времени и повышения точности решения. Трёхмерная структура схемы узловой точки позволяла образовать многослойные участки областей, а двухступенчатый  измерительный коммутатор – сократить время измерения и вывода результатов решения. АЦВК «Сатурн-2» был передан в эксплуатацию Московскому Всесоюзному научно-исследовательскому институту гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО), подразделения которого заинтересовались в решении нелинейных краевых задач в сложных областях.

По результатам шестилетней эксплуатации АЦВК «Сатурн-2» комплексная работа «Разработка и внедрение комплекса методов и технических средств математического моделирования, обеспечивающих эффективную оценку ресурсов пресных подземных вод крупных регионов и совершенствования технологии подземного выщелачивания урана» была выдвинута на соискание премии СМ СССР, но на заключительном этапе не нашла должной поддержки из-за конъюнктурных соображений чиновников министерств.

АЦВК «Сатурн» и «Сатурн-2» были построены с использованием электромеханического реле РЭС-6, и это являлось их слабым местом  из-за недостаточно высокой надёжности реле. В АЦВК «Сатурн-2» потребовалось для комплектации  приобрести почти вдвое большее количество реле, чем раньше, и Ленинградский завод «Красная Заря» такого количества (около 150-ти тысяч штук) поставить не мог без изменения производства. Поэтому изготовление партии реле было поручено Ереванскому заводу. Однако, качество ереванских реле оказалось ниже. В ряде случаев контрольные вскрытия  реле показывали их непригодность. Пришлось предъявить рекламации заводу, но существенного улучшения качества они не дали. Были вызваны представители ОТК завода-производителя реле. В их присутствии была вскрыта партия реле, в которой около половины была негодной: контакты не замыкались при срабатывании электрических реле. При комплектации комплекса «Сатурн» появление дефектных реле было случайностью, и количество брака составляло сотые доли процента от партии. Здесь же выяснилось, что поставка реле производилась по упрощенным ТУ без проверки функционирования на малых коммутируемых токах (явная «халтура»). Видимо, ереванцы могли производить лишь хорошие коньяки, но не только технические изделия – такие, как реле! Ереванская «халтура» вынудила принять специальные меры для обеспечения работоспособности узлов АЦВК «Сатурн-2», в состав которых входили реле РЭС-6. Так, со всей серьёзностью, встал вопрос о создании массовых бесконтактных коммутирующих элементов как основы для построения кодоуправляемых магазинов сопротивлений или проводимостей, кодоуправляемых магазинов ёмкостей и других узлов.

Как отмечалось выше, ранее нашей лабораторией выполнялись разработка и исследования ключевых схем на полупроводниковых элементах – диодах и транзисторах. Но существовавшие элементы не позволяли получить нужные параметры ключей: достаточно малого сопротивления ключа во включенном состоянии и допустимых значений токов утечки – в выключенном состоянии.

С тех пор прошло время, и появились разработки полупроводниковой элементной базы с лучшими параметрами, которые уже могли удовлетворить требования, предъявляемые к ключам при построении кодоуправляемых сопротивлений для автоматических сеток. Лаборатории было поручено проведение НИР «Градиент» по исследованию возможности разработки массовых функциональных элементов (модулей) и специфики построения на их основе аналого-цифровых вычислительных комплексов. В ходе выполнения НИР совместно с Рижским политехническим институтом были разработаны модули в интегральном гибридном исполнении: кодоуправляемый магазин проводимостей, кодоуправляемый магазин ёмкостей, кодоуправляемые источники тока – напряжения и модуль измерительного коммутатора. Их схема была отработана и исследована на макетах, после чего разработаны конструкции модулей, и изготовлены опытные образцы. Испытания опытных образцов модулей показали их пригодность для  использования в качестве элементной базы для построения АЦВК типа «Сетка-ЦВМ» нового поколения.

С применением указанных модулей разработаны структурно-функциональные и принципиальные схемы нового АЦВК, разработаны конструкции блоков и узлов аналоговой части комплекса. Для комплектации АЦВК Ленинградскому научно-производственному объединению «Авангард» были заказаны основные массовые модули «Код-проводимость», «Код-ток», на предприятие была передана вся исходная техническая документация этих модулей. НПО «Авангард» была разработана техническая и технологическая документация, отработанная на установочной партии модулей. Другие два типа модулей были разработаны в лаборатории микроэлектроники нашего института, изготовлены опытные образцы.

Технические и алгоритмические  решения, отработанные в ходе НИР «Градиент», позволяли  реализовать в новом АЦВК все положительные качества первых комплексов «Сатурн» и «Сатурн-2», значительно превосходя их по быстродействию (почти на два порядка), габаритам, потребляемой мощности, стоимости машинного времени, надежности. Но, пожалуй, самым главным преимуществом являлось принципиальное расширение функциональных возможностей аппаратуры до уровней, недоступных прежним комплексам.

Однако, к сожалению, комплексу «Градиент» не суждено было увидеть свет из-за позиции чиновников Минрадиопрома. По их вине изготовление массовых модулей было «зарублено», и многие организации, у кого была большая потребность в решении сложных нелинейных краевых задач, оказались лишенными возможности приобретения новых прогрессивных вычислительных средств.

Кроме работ по основной тематике, лаборатория в разное время выполняла разработку аппаратуры, имеющей лишь косвенное отношение к средствам решения краевых задач. Поэтому, упомянем об этих работах вкратце.

В 1950-х годах лаборатории поручалась доработка датчиков и электронных устройств для измерения параметров физических полей. Существовавшая измерительная аппаратура должна была передавать  исходные данные о параметрах поля в специализированную вычислительную машину. Но большая нестабильность, малая чувствительность и точность измерительной аппаратуры сильно затрудняли её использование. Задачей лаборатории была разработка для этой цели новых измерительных каналов с лучшими технико-эксплуатационными характеристиками. Работа была выполнена лабораторной группой под руководством Олега Сергеевича Львова. Разработанные устройства обладали значительно лучшими техническими параметрами. Точность и чувствительность была увеличена на порядок, стабильность работы была увеличена многократно.

В 1980-е годы на базе этих разработок лабораторией были выполнены работы по созданию новых  информационно-вычислительных комплексов «Интеграл» для цифровой обработки параметров физических полей движущихся объектов. В работах принимали ведущее участие Владимир Авраамович Мирошкин, Дмитрий Иванович Стариков, Виолен Макарович Любченко.

В 1960-х годах лаборатория участвовала в разработке и внедрении управляющего вычислительного комплекса «Прокат» для Магнитогорского металлургического комбината. Лаборатории была поручена разработка аппаратуры для передачи и отображения информации из центра УВК «Прокат» к локальным цифровым табло и устройству отображения информации на экране электронно-лучевой трубки. В то время устройства отображения такого типа ещё только находились в разработках, потому и не могли быть применены в УВК. Лабораторная группа в составе Анатолия Васильевича Муромского, Дмитрия Андреевича Шеянова, Юрия Михайловича Белякина, Виталия Семеновича Пункевича и др. разработала образец устройства отображения и обеспечила его использование в составе УВК «Прокат». Лабораторные испытания устройства визуального отображения (УВИ) были проведены в автономном режиме в 1967 году. Устройство («дисплей», как потом стали его называть) было выполнено на электронно-лучевой осциллографической трубке с электростатическим отклонением луча. Пластины использовались для формирования микрорастра, образующего символ. Отображаемый символ формировали аналоговыми схемами с непрерывной разверткой по времени. Такой принцип формирования символов ранее не применялся и представлял новизну. Для отображения таблицы символов электронно-лучевая трубка  была дополнена магнитной отклоняющей системой, которая осуществляла поочередное перемещение микрорастра по полю таблицы. Надо отметить, что указанное устройство было первым в стране, запущенным в эксплуатацию в промышленных условиях.

Как отмечалось выше, на начальных стадиях деятельности лаборатории не было никаких публикаций работ. Первая статья, касающаяся построения ЭИ-С, была опубликована в десятом номере журнала «Автоматика и телемеханика» в 1956 году. С этого момента результаты работ сотрудников лаборатории стали публиковаться в печати относительно регулярно.

С 1956 по 1987 годы самостоятельно и в соавторстве со специалистами других предприятий, с которыми велись совместные работы и исследования, было опубликовано свыше 100 статей в научно-технических изданиях города Москвы (журнал АН СССР «Автоматика и телемеханика», МАШГИЗ, «Советское радио», «Известия ВУЗов»), города Киева («Наукова Думка», труды Института Математики АН УССР, Института Кибернетики АН УССР),  Ленинграда (ЛИТМО), трудах  Саратовского госуниверситета, Куйбышевского, Рижского, Новочеркасского и Пензенского политехнических институтов. В статьях получили отражение работы лаборатории в области проектирования и исследования методов и средств решения краевых задач по направлениям:

• алгоритмы, программы и способы решения краевых задач;
• принципы построения технических средств;
• разработка и исследования элементной базы;
• средства задания граничных условий;
• измерения и регистрация результатов решения;
• разработка устройств вывода информации на экране ЭЛТ;
• устройства первичной обработки информации;
• вопросы надежности;
• автоматизация контроля;
• вопросы точности получаемых решений;
• производительность и эффективность технических средств.

Результаты работ сотрудников лаборатории докладывались на многочисленных научно-технических конференциях в ряде организаций городов Москвы, Ленинграда, Киева, Риги, Таллина, Куйбышева, Баку, Пензы и др.

Сотрудники лаборатории активно участвовали в учебных процессах ВУЗов и Пензенского приборостроительного техникума, где они читали лекции, проводили семинарские занятия, руководили курсовыми работами, курсовыми и дипломными проектами студентов, рецензировали  дипломные проекты, участвовали в заседаниях ГЭК. Сотрудники лаборатории руководили студентами при прохождении технологической и преддипломной практики на предприятии.

Сотрудниками лаборатории с начала 1960-х годов в процессе разработки средств аналоговой и аналого-цифровой техники получено более 100 авторских свидетельств СССР на изобретение, доказывающих новизну технических решений, многие сотрудники лаборатории награждены Знаком «Изобретатель СССР», а Дмитрию Ивановичу Старикову и автору этих строк присвоено звание «Заслуженный изобретатель СССР».

Сотрудники предприятия, которые в разные годы выполняли работы по созданию аналоговых и аналого-цифровых устройств, машин и комплексов, а также измерительно-вычислительных комплексов: В.Н. Алтунина, Г.Д. Акимова, М.А. Анисимова, В.В. Алексеева, К.Г. Борисов, А.В. Бабкин, Т.А. Бамбурова,  Ю.М. Белякин, В.К. Бердникова, Л.М. Березкина, Г.С. Богословская, Г.В. Вшивцев, А.В. Воробьев, Л.С. Гальченко, Ю.А. Гришков, З.А. Голенкова, Н.А. Горшкова, Н.Н. Дейцева, Н.Н. Дарьина, В.Ю. Ерфомов, Н.Н. Егорова, В.Г. Желнов,   В.А. Зубков, Э.С. Козлов, И.К. Кутний, И.Н. Кострицына, М.С. Козлова, Ф.Н. Кольчугин, А.А. Криксин, В.А. Кузьмин, Г.Г. Калашникова, В.П. Качур, Э.А. Крылов,  Г.А. Каплина,   Н.П. Козлова,   А. Клейнберг, И.А. Коновалова, Р.К. Кучина, Т.Т. Кирдянова,  В.И. Ковалев, О.Е. Кроник, Д.В. Котова, С.Г. Лось,  О.С. Львов,  Н. Лощилов, В.М. Любченко, Н.В. Левандовская, Г.М. Морозов, Е.А. Муравлев, А.В. Муромский, В.А. Мирошкин, В.С. Мачинская, К.П. Маренникова, Г.В. Майоров,  В.И. Макаров, Л.Т. Меднова, Б.К. Мещеряков, Т.И. Митясова,  Н.С. Николаев, А.К. Наумова, Т.Н. Нестерова, О.Ф. Новосельцев, Т.М. Омельянчук,  П.В. Пекорин,   Б.А. Першин, Ю.В. Пинигин, А.П. Покровский,   В.В. Пржиялковский, Н.П. Полгородник,  Л.А. Падусенко, Л.А. Погодина, Ю.П. Прохорова, А.В. Платонов, В.С. Пункевич,  Н.Т. Прокофьев,  В.С. Павлов,   Т.А. Пахомова,   Е.Б. Рассказов,  Л.М. Рязанцева, Е.М. Сегаль, В.А. Смертин, Н.И. Соболев, Н.Н. Салтанова, Д.И. Стариков, Ю.Н. Степанов, С.Н. Стрелкова, Г.Б. Семочкина, И.С. Тамбовцев, Т.А. Тимофеев, В.С. Тюньков, С.А. Трусова, М.И. Тунаев, В.В. Тихонов, Э.Н. Урнева, М.А. Цыганова, Н.И. Цибизова, Н.И. Ципко, Н.И. Цицеро,  Л.И. Шишацкая,   Д.А. Шеянов, А.С. Шафоростов, В.Н. Шишкин, А.К Щенников, И.А. Юдин и др.

Сотрудники других организаций, принимавшие участие в разработке аналоговых машин и аналого-цифровых и измерительно-вычислительных комплексов:

• от Рижского политехнического института:   Я.Я. Атрушкевич, Л.Л. Котович,  Л.В. Ницецкий,   С.В. Овсюков,  Э.Э. Родэ, А.П. Спалвинь, Р.А. Янбицкий и др.;
• от Пензенского государственного университета: В.И. Горбаченко, Л.Н. Бондаренко,  В.А. Елисеев, С.Н. Катков, Г.И. Лызин, В.В. Осипов, Н.П. Сергеев, С.А. Слюсарев, Г.Ф. Убиенных, А.Е. Хохлов и др.

Сотрудники организаций, участвовавшие в разработке и пуске в эксплуатацию аналоговых и аналого-цифровых машин и комплексов:

• от ВНИИНефть (г. Москва): М.М. Максимов, Б.И. Гешелин, Д.А. Салтыков, Л.П. Рыбицкая, Б.Д. Щербаков, Д.В.Белбородова, В.К. Пономарев, В.П. Узбеков, А.Д. Доннер, П.М. Белаш и др;
• от ВСЕГИНГЕО (г. Москва):   Д.И. Пересунько,   И.Н. Крашин, В.И. Трушкин, В.Б. Каливец, А.И. Соловьев, В.И. Загитов, Ю.С. Богомолов, В.В. Ганявин, В.И. Гудзь и др.;
• от ЦНИИ им. Крылова:   Р.А. Павловский,    А.М. Вишневский, Е.И. Цибин, Городецкий и др.
• от ГШ ВМФ и КИС ВМФ (п. Локса Эстонской ССР): Г.С. Агаширинов, А.И. Игнатов, В.Ф. Вилуп, Б.М. Кондратенко, Б.И. Белицкий и др.

Об авторе: К.т.н., Заслуженный изобретатель СССР, начальник лаборатории (отдела) разработки аналоговых и аналого-цифровых вычислительных машин (комплексов) (1948-1995 гг.)

Статья помещена в музей 11.11.2010
с разрешения автора.