Программное обеспечение научных исследований в авиационной отрасли СССР

Документы и публикации Материалы конференций Материалы пятой Международной конференции SoRuCom-2020

Криворученко В.С.

Аннотация

Работа рассматривает историю развития программного обеспечения научных исследований в авиационной отрасли СССР на примере ведущего научного центра ЦАГИ.

Ключевые слова – ЦАГИ, авиационная отрасль, ЭВМ, программное обеспечение, вычислительный центр, автоматизация, эксперимент, научные исследования.

Основной текст доклада

С самого начала возникновения вычислительной техники ЦАГИ занял передовые позиции в стране по применению универсальных цифровых машин. В конце 40-х годов в ЦАГИ имелись трофейные электромеханические настольные вычислительные машины «Мерседес» и «Рейнметалл», являвшиеся основным расчетным инструментом, счетно-перфорационные машины (СПМ) «Холлерит» и два отечественных сеточных интегратора ЭИ-11 и ЭИ-22. Эта техника была сосредоточена в отделе А.А. Дородницына, который с самого начала осуществлял руководство внедрением ЦВМ в ЦАГИ. В 1950 г. был организован в составе отдела А.А. Дородницына сектор вычислительной техники под руководством А.Д. Смирнова.

Было задействовано все имевшееся оборудование и на нем решались актуальные задачи аэромеханики. ЦАГИ занял в СССР передовой рубеж использования трофейных СПМ для вычисления таблиц: «Обтекание клина под углом атаки», «Обтекание конуса под углом атаки», «Таблицы функций Эйри и вырожденных гипергеометрических функций». Эти работы были переведены и изданы за рубежом).

Во всем мире авиационная наука наряду с ядерной физикой и космонавтикой явилась одним из первых заказчиков и потребителей средств ВТ. Это можно объяснить тем, что как раз в период 50-х годов она переживала качественный скачок перехода к около- и сверхзвуковым скоростям полета, что в свою очередь требовало на порядок более сложных и трудоемких расчетов. В СССР появились первые ЭВМ БЭСМ и «Стрела». Отдел А.А. Дородницына подготовил алгоритмы решения задач по аэродинамике и динамике летательных аппаратов (ЛА). Первые программы были успешно реализованы и институт готовился к получению собственной ЭВМ.

В 1957 г. ЦАГИ получил одну из первых машин «Урал-1». На этой ЭВМ вырос коллектив квалифицированных инженеров-электроников и механиков, способных не только эксплуатировать ЭВМ, но и доводить, модернизировать и совершенствовать их конструкцию. «Урал-1» была использована и как инструментально-методическая ЭВМ для исследований по организации подготовки программ пользователей.

Во многих ВЦ других организаций создавался контингент прикладных программистов, которые работали по заданию тематических подразделений, образуя пары: тематический сотрудник и программист. Такого же мнения придерживалось и руководство отделений ЦАГИ. На первый взгляд такая организация была удобной, так как использовала без изменений сложившуюся квалификацию научных сотрудников. С другой стороны, «парная» работа увеличивала штат программистов.

Поэтому был разработан и обоснован метод подготовки прикладных программистов путем обучения программированию ведущих работников по специальности. В течение двух лет в институте уже было подготовлено 400 дипломированных программистов из числа научных сотрудников и инженеров тематических подразделений. Эта методика целиком оправдала себя при вводе в 1961–1962 гг. двух ЭВМ М-20.За программистами ВЦ оставались при этом функции:

сопровождать и разрабатывать системное программное обеспечение;
первыми программировать новые классы задач института;
вести преподавание программирования в институте и консультировать программистов института.

В ЦАГИ и других ведущих НИИ отрасли в 60-е годы уже накопились задачи, которые не могли быть решены в приемлемые сроки на ЭВМ семейства М-222–БЭСМ-4. Наиболее крупные академические и ведомственные ВЦ сориентировались на установку однотипной для всех ЭВМ – БЭСМ-6.Важным шагом в оснащении ЦАГИ вычислительной техникой стала установка по инициативе Г.С. Бюшгенса нескольких машин БЭСМ-6 во вновь построенном корпусе. Эти ЭВМ наряду с тем, что способствовали ускорению расчетов при решении фундаментальных проблем аэромеханики в целом, позволили создать мощный моделирующий комплекс по динамике проектируемых самолетов. С установкой новой мощной техники быстро растет число пользователей-программистов в отделениях и БЭСМ-6 загружаются на круглосуточную работу. От решения отдельных задач расчета агрегатов ЛА начинается переход к комплексному автоматизированному расчету. На БЭСМ-6 создается первая терминальная графическая станция, включающая в себя графические дисплеи, графический специальный процессор, планшетные и рулонные графопостроители. На этой станции отрабатывалась постановка прочностных задач и визуализация результатов расчетов панельным методом и методом конечных элементов.

Следует отметить важную особенность в оснащении и использования вычислительной техники в ЦАГИ – это постоянное наращивание числа ЭВМ для автоматизации расположенных на одной территории большого количества источников информации – аэродинамических труб, залов прочностных испытаний, стендов моделирования динамики полета и т.д.

Это обстоятельство определило уже на первом этапе необходимость построения компьютерных сетей, объединяющих экспериментальные установки в системы автоматизации для комплексной обработки и формирования банков данных с результатами исследований. Создание в ЦАГИ первых компьютерных сетевых структур и их реализация на практике и в этой части явилось соблюдением линии поведения ЦАГИ – быть передовой научной организацией, в которой рождается и воплощается новое и перспективное.

Системы автоматизация экспериментальных исследований были, как правило, централизованные. Они строились на базе промышленных и в основном универсальных ЭВМ широкого назначения. Однако разработка измерительных систем, сетевого и коммуникационного оборудования, проектирование компьютерных интерфейсов для нестандартного периферийного оборудования и специализированного программного обеспечения осуществлялась, в основном, в ВЦ ЦАГИ при участии сотрудников подразделений по соответствующим направлениям исследований.

Поскольку системы автоматизации аэродинамических исследований уже нашили свое отражение в материалах предыдущих конференций, в рамках настоящей статьи остановимся на кратком описании систем автоматизации стендов прочностных испытаний и стендов моделирования динамики полета.

Измерительно-информационная система «Прочность» проектировалась и создавалась в ВЦ ЦАГИ под руководством В.М. Ордынцева. На стендах, где испытывали прочность конструкций ЛА, экспериментальных данные получали с помощью автоматизированных систем оригинальной разработки СИДиТ (система измерений деформаций и температур) и БИМС (управление нагружениями и визуализацией). Через коммуникационную управляющую ЭВМ Днепр-1 данные эксперимента передавали на универсальные ЭВМ БЭСМ-3М и М-222, где и проводилась обработка данных и дальнейшие научные расчеты с их использованием.

Исторически, исследования динамики полета летательных аппаратов c использованием пилотажных стендов осуществлялись с помощью аналоговых машин. С появлением цифровой техники в ЦАГИ были разработаны и внедрены аналого-цифровые комплексы на базе универсальной ЭВМ БЭСМ 4. К середине 70-х, благодаря созданию канала связи БЭСМ 4 с БЭСМ 6 и соответствующего программного обеспечения, система исследования динамики полета становится трехуровневой и работы по моделированию динамики ЛА на пилотажных стендах выходят на новый уровень. Эти работы велись в ВЦ ЦАГИ под руководством А.В. Пилюгина.

В этот же период стало увеличиваться наше отставание от Запада не только по производительности и качеству средств ВТ, но также по технологии их эксплуатации и использования. А значит, наши прикладные программисты не получали компьютерные сервисы того уровня, который необходим для обеспечения паритетных возможностей при создании изделий аэрокосмической отрасли. Для устранения этого по инициативе ВЦ руководством было решено установить в ВЦ ЦАГИ современную импортную ЭВМ, которая не только превышала бы отечественные ЭВМ по производительности, но обладала бы высокой надежностью, современным системным программным обеспечением, многопользовательским режимом, цветной машиной графикой и сетевым доступом. Стандартные комплектации импортной техники, доступной к приобретению, не решали полностью поставленных задач. Была найдена зарубежная организация, которая согласилась скомплектовать, доработать ЭВМ на базе выпускаемой ею серийной продукции и поставить ее нам «под ключ».

Под руководством А.Д. Смирнова и Н.Г. Бунькова была разработана архитектура и структура такого вычислительного комплекса. Был заключен контракт, началась поставка системы в филиал ВЦ в Москве. В 1977 году в ЦАГИ состоялось исторически значимое событие: создание на Московской площадке ЦАГИ (ул. Радио, 17) крупнейшего в стране вычислительного комплекса на базе большой вычислительной машины (БВМ 1).

Наряду с тем, что эта ЭВМ имела самое большое в стране, по тем временам, быстродействие, комплекс был оснащен шестьюдесятью терминалами с прямым доступом, позволяющим пользователям-программистам непосредственно по сети вводить исходные данные и получать результаты. Обработка задач осуществлялась при этом в режиме «разделения времени», обеспечивающего для группы пользователей среднее минимальное время ожидания результата. Половина пользовательских терминалов была установлена в городе Жуковском и расчеты проводились с передачей исходных данных и результатов расчета по сети Москва–Жуковский по 12-ти выделенным, принадлежащим ЦАГИ сетевым каналам.

На этом комплексе было выполнено большое число ключевых фундаментальных расчетов по аэродинамике, прочности и динамике и расчетов конкретных изделий авиационной промышленности. Были решены задачи по аэромеханике для таких важнейших в то время объектов, как сверхманевренные истребители, воздушно-космическая система «Буран» и другие. Благодаря использованию этого комплекса в отрасли сформировался достаточно большой коллектив ученых – блестящих прикладных программистов, способных создавать и создавших современные программы на уровне мировых достижений в области программных продуктов. Из его членов составлялись неформальные комплексные бригады для создания больших пакетов прикладных программ в области аэродинамики, динамики, прочности, для решения фундаментальных и проектировочных задач. На БВМ-1 отрабатывались передовые методы эксплуатации больших программных комплексов.

Результатом систематического развития компьютерных технологий в ЦАГИ стало воспитание сотрудников, овладевших умением на высоком профессиональном уровне ставить задачи на ЭВМ: выбирать или разрабатывать методы, составлять алгоритмы и писать сложные прикладные программы. К концу 80-х годов «армия» научных сотрудников и инженеров, выполняющих работы с применением ЭВМ, составляла более 2500 человек. Вычислительные ресурсы в основном были централизованы, сопровождение создаваемых программных комплексов осуществлял ВЦ ЦАГИ. Наиболее значительные из программных средств отбирались по совокупности критериев, среди которых были:

применение или развитие вычислительного метода;
математическая модель и нелинейная постановка задачи;
оригинальность алгоритма и организации вычислительного процесса;
многодисциплинарность, или расчет ЛА в целом;
модульная структура, организация в виде библиотек
модульная структура, организация в виде пакетов программ;
макроязыковая надстройка и включение монитора;
наличие диалогового режима,
транспортабельность.

Более 400 комплексов прикладных программ по аэродинамике, статической прочности, аэроупругости, устойчивости и управляемости, траекторному движению и акустике, формированию облика летательного аппарата и автоматизации проектирования были организованы под руководством Н.Г. Бунькова и Э.Н. Сармина в отраслевой фонд алгоритмов и программ (ОФАП). За период с 1981 по 1990 годы описания этих программ были систематизированы в виде 7 выпусков информационных сборников прикладных программ по аэромеханике самолета. Эти сборники распространялись в НИИ и ОКБ аэрокосмической отрасли для последующего проведения расчетов самолетов, вертолетов и ракет. Для иллюстрации сфер применения приведем некоторые «говорящие» названия комплексов программ, отражающие их прикладную направленность:

«Комплекс программ расчета обтекания гиперзвукового летательного аппарата на основе полных нелинейных уравнений Эйлера с учетом равновесных термодинамических свойств воздуха».
«Диалоговый комплекс программ «КРИТ» для исследования характеристик устойчивости и управляемости самолета на больших углах атаки».
«Комплекс программ ВИХРЬ для расчета суммарных и распределенных аэродинамических характеристик крыло + фюзеляж на больших углах атаки».
«Комплекс программ MKEMAS для исследования аэроупругой устойчивости ЛА при его взаимодействии с системой автоматического управления».
Комплекс программ расчета аэродинамической компоновки самолета и параметров органов управления из условий устойчивости и управляемости.
«Многоцелевая автоматизированная расчетная система МАРС по расчету статической и динамической прочности летательных аппаратов».
«Система автоматизированной подготовки информации для оборудования с ЧПУ».
«Транспортабельный комплекс программных средств ЭСТАФЕТА-М для передачи экспериментальных данных по аэродинамике в системы автоматизированного проектирования».
«Пакет алгоритмов и программ АЛМОЭКС автоматизации аэродинамического эксперимента», и многие другие.

Многолетний период, включая 80-е годы, был временем интенсивного внедрением в ЦАГИ самых современных ЭВМ разного класса, с разнообразным периферийным и сетевым оборудованием, новейшими операционными системами, алгоритмическими языками, комплексами прикладных программ и т.д. Создание многомашинных систем автоматизации научных исследований, предоставление для научных сотрудников и инженеров современных высокопроизводительных аппаратно-программных сервисов стало значительным шагом в технологическом развитии отрасли. Многие новшества впервые в стране были отработаны в ВЦ ЦАГИ, политика которого была всегда направлена на внедрение новейших достижение компьютерных технологий для успешного решения проблем аэрокосмической отрасли СССР.

Об авторе: Владимир Степанович Криворученко
Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е. Жуковского krivoruchenko@tsagi.ru

Материалы международной конференции Sorucom 2020
Помещена в музей с разрешения автора 29 декабря 2021