Динамика пустоты? Или… Весьма умное устройство, хоть и ветер в голове!

Выкладываю вдогонку к посту коллеги Афроукраинца "Паровой компьютер".

Универсальные вычислительные машины без особого преувеличения можно отнести к высшим достижениям нашего столетия.

Сегодня почти все они электронные. Но первые (их пытались построить ещё в прошлом веке Ч. Бэббидж и Ада Лавлейс, дочь известного английского поэта Байрона) были механическими. Есть вычислительные машины на световой и акустической основе, и даже… пневматические Последние работают с сигналами, которые передаются сжатым воздухом по трубам в двоичном коде. Выглядит это так. превысило давление в трубе некоторый порог — передана единица, опустилось ниже порога — ноль.

Отметим сразу: быстрота передачи пневматического сигнала ограничена скоростью звука, а электрического — скоростью света. Поэтому пневматическим счётным машинам никогда не сравняться в быстродействии с электронными. Но, во-первых, это не всегда и нужно, а во-вторых, у воздушно-вычислительных устройств есть достоинства, о которых электроника не может и мечтать.

Казалось бы, вся пневматическая техника базируется на механических элементах, содержащих клапаны, мембраны, шарики, рычаги. Однако есть уже и такое, где взаимодействуют только воздушные струи. Появилась она в 1959 году, ныне почти забыта и, как нам кажется, напрасно…

Простейший элемент такого типа показан на рисунке 1.

Струя воздуха от источника питания (например, баллона или компрессора) из левого сопла (П) прямиком и почти без потерь попадает в правое (У), а дальше… может совершить какую-нибудь полезную работу, хотя бы вращать двигатель. Здесь же, внизу, вы видите пару сопел управления XI и Х2. Легчайшее дуновение из любого управляющего сопла буквально взорвёт основную струю, разобьёт её на множество вихрей, и тогда в выходное сопло попадёт едва ли не десятая часть прежнею потока. Питаемое устройство прореагирует на это так, словно перекрыли кран. Двигатель остановится.

Вероятно, быть бы такому устройству не более чем технической диковинкой, если бы изобретатели не догадались до крайне остроумного способа его изготовления.

он же, изготовленный промышленным способом

Взгляните на рисунок 2. Здесь показана пластинка, в которой прорезано четыре канавки и углубление. Накройте её другой пластиной и получите те же четыре трубочки. Они будут работать точно так же, как и в рассмотренном выше случае, только здесь мы уже получили пневмистор — типичный элемент струйной техники, пригодный к массовому производству

Пневмисторы выполняют разные функции. Вот как, например, устроен элемент памяти (рисунок 3) Если подать сигнал в сопло (X), поток отклонится и попадёт в соседний канал (У) Но часть воздуха ответвится и по кольцевому пути направится в сопло, расположенное по соседству с соплом (X), и теперь поток будет удерживаться в новом положении даже тогда, когда управляющий сигнал X будет снят. Ячейка запомнит, что сигнал X был подан.

Из различных пневмисторов создавались целые узлы и блоки, выполнявшие сложные операции (например, счётчики импульсов, шифраторы и дешифраторы, блоки арифметических операций) Технологически это делалось примерно так. Сначала изготовляли чертёж, на котором в масштабе давали точное силуэтное изображение всех пневмисторов и соединяющих каналов. Чертёж фотографировали, а затем при помощи процесса, аналогичного тому, что применяется в типографском деле, получали рельефную металлическую матрицу. С неё методом литья под давлением или прессованием делали пластмассовые копии. И отнюдь не в лабораториях. На ОДНОМ ИЗ заводов в Ереване выпускали в течение десятилетий вплоть до недавнего времени систему модулей струйной техники промышленного назначения для управления металлорежущими станками, прессами, печами и другими устройствами, где сравнительно низкая скорость переключения элементов (до 1 ООО Гц) не была помехой. К тому же в отличие от электронных элементов струйные можно делать из любого материала. А это немаловажно.

Рис. 3. Элемент памяти. Он ничего не забудет… пока работает источник сжатого воздуха.

Дело в том, что изредка, но встречаются случаи, когда ЭВМ не удаётся уберечь от действия радиации или высоких температур. Поиски надёжных материалов ведутся уже почти сорок лет, ко результаты весьма скромные. Даже специальные ЭВМ с трудом выдерживают работу при температурах выше 300 градусов, неуверенно переносят радиацию отдалённого атомного взрыва Струйная же техника вселяет оптимизм. Вот тому доказательство.

Рис 4. Вот как устроен газодинамический светочувствительный элемент, пригодный для создания сетчатки искусственного глаза. На пластине из прозрачного материла на самом краю множество V-образных канавок. Свет, пройдя через торец пластины, попадает в канавку, по которой протекает окись азота. Под действием света он разлагается скорость потока возрастает, что воспринимается струйными элементами как сигнал.

Рис. 5. Ячейка воздушного телеэкрана образуется на пересечении двух взаимно перпендикулярных канавок, сформированных в двух плотно прижатых пластинах. В одной, непременно прозрачной, имеется углубление со штифтом. Пневматический коммутатор соединяет нижний канал с источником воздуха, а верхний прозрачный — с атмосферой. Поступающей воздух образует на пересечении каналов вихрь, который выдвигает стержень (штифт). Тот оказывается визуально хорошо заметным, образуя таким образом точечный элемент растра. Таким способом можно получать даже цветное изображение.

В США для управления ядерным реактивным двигателем потребовался небольшой струйный блок. Его сделали из карбида гафния — керамики, которая выдерживает температуру до 4000 градусов при любой радиации. Вместо воздуха пустили гелий. Представьте себе раскатанный добела, как нить электрической лампочки, ослепительно светящий компьютер, да ещё в недрах ядерного реактора! Тем не менее за время испытаний никаких сбоев в его работе не было…

Источником сжатого воздуха для типовых струйных элементов с успехом может служить пылесос. Давления в 0,007 атмосферы вполне достаточно. Да и габариты струйных элементов намного меньше транзисторов. А ведь электроника далеко зашла в деле миниатюризации. Технология позволяет изготовить пневмистор, который невозможно разглядеть в оптический микроскоп. Вот только воздух в таком устройстве проявит свою вязкость, начав, грубо говоря, прилипать к стенкам. Другое дело, если, уменьшая размеры, одновременно пропорционально увеличивать и давление. Тогда, например, усилив давление в 1000 раз, получим пневмисторы размером с живую клетку! И уже предложены пневмисторы, напоминающие нейроны мозга — самой совершенной вычислительной машины!

В нашем мозгу одновременно работают миллиарды клеток, между тем как в вычислительных машинах —сотни, в лучшем случае тысячи элементов Представьте себе универсальную пневматическую вычислительную машину, построенную на пневмонейронах, организованных в систему, подобную мозгу! Хотя в нём буквально… гуляет ветер, такое устройство глупым никак не назовёшь!

И вот что ещё любопытно. Зачастую особого быстродействия от пневмонейрона не требуется. Значит, у пневмоники появляются шансы вытеснить дорогостоящую электронику. Разумеется, для производства сверхминиатюрных пневмоэлементов потребуется своя, достаточно специфичная и не простая технология. И она уже разработана, причём впервые в мире в нашей стране (наш журнал писал об этом — см. «ЮТ» №11 за 1992 год).

Правда, чтобы обрести зрение, искусственному «мозгу» потребуется телекамера, а для отображения информации — телеэкран. Нужны и всевозможные датчики, исполнительные устройства. Что же, придётся делать неуклюжий электронно-пневматический гибрид? Отнюдь! Уже предложены сотни различных струйных приборов. Например, с помощью датчиков ускорения можно определять собственные координаты ракеты, возможно построить струйный телеэкран, и даже фотохимическую сетчатку глаза на основе газов, реагирующих на свет.

Некоторые из этих диковинок — на наших рисунках. Что касается исполнительных элементов, то и тут налицо прогресс. Успешно испытаны струйные устройства, изменяющие направление тяги реактивного двигателя А ведь мощность его — миллионы киловатт!

На рисунке в начале материала — драматическая, но, к счастью, вымышленная сцена. Антиракета перехватывает ядерную боеголовку в плотных слоях атмосферы. Специально для таких целей в конце 60-х годов была разработана весьма своеобразная система управления, которую также относят к струйным. Через специальные отверстия на поверхность корпуса антиракеты выбрасывается небольшое количество топлива и окислителя. Но поскольку скорость очень велика, они успевают лишь испариться и немного остудить обтекающий поток воздуха. Но от этого (уж поверьте — на таких скоростях законы особые) поток только ускорится, давление его на поверхность аппарата уменьшится и начнётся разворот. Это мы и видим на рисунке. А горючая смесь успевает воспламениться где-то далеко позади ракеты и сгорает в виде живописного огненного шлейфа. Подобную систему предполагалось применить на американской антиракете «Спринт» Какова судьба новшества — неизвестно Антиракету использовать не пришлось.

И слава Богу!

Источник: http://www.mozgovik.su/index.php?option=com_content&view=article&id=11:в-голове-гуляет-ветер-то-то-умное-устройство&catid=14&Itemid=113

Оригинальная статья взята из журнала "Юный техник" № 5-1995. Сканы страниц любезно предоставлены порталом ЖУРНАЛКО http://zhurnalko.net