Рождение советской ПРО. Механические мозги
Эта часть нашего цикла показывает, как в современном виде зародился научно-военно-промышленный комплекс США, а заодно наиболее прогрессивная система ПВО Второй мировой войны, послужившая концептуальной моделью для всех последующих разработок и ставшая вдохновением для magnum opus профессора Винера – «Кибернетики».
Все эти события теснейшим образом связаны с двумя выдающимися людьми. Оба были учеными, электроинженерами и изобретателями, оба основали могущественнейшие компании, существующие до настоящего времени и стали миллионерами, оба помогли выиграть войну. Одним из них был Элмер Амброуз Сперри (Elmer Ambrose Sperry), вторым – Ванневар Буш.
Из проблем, стоящих перед создателями кибернетической системы – совершенного орудия ПВО: радиолокатора, радиовзрывателя и баллистического компьютера, Ванневар Буш отвечал за два – за все, что связано с радарами.
Сперри же был настоящим пионером систем автоматического управления. Созданная в итоге схема не только послужила концептуальным прототипом для всех разработок, связанных с противоракетной обороной, но и привела к колоссальному толчку в развитии ЭВМ (а также в развитии американского бизнеса).
Сперри был одним из титанов уходящего XIX века – типичным жульверновским инженером, разбиравшимся во всем: от шахтного оборудования до изобретенного им процесса получения чистой каустической соды и технологий извлечения олова из металлолома. Кроме того, его пытливый ум непрерывно обращался ко все новым и новым проблемам.
Еще в 1887 г он создал систему электрификации угольных шахт, которая позволила доставить разработанное им самим шахтное оборудование глубоко под поверхность, чтобы значительно увеличить добычу угля, и основал Sperry Electric Machinery Mining Company.
В 1890 он использовал свои идеи подземных электровагонеток для разработки троллейбусов, вышедших на линии в больших холмистых городах Огайо и Пенсильвании, основав Sperry Electric Railway Company. Также он создал один из первых электромобилей и разработал технологию портативных свинцово-кислотных аккумуляторов, используемых до сих пор.
Автомобиль Сперри показал на Всемирной выставке в Париже и в ходе путешествия испытал мучения морской болезни. В результате его внимание привлекли проблемы гироскопической стабилизации, а затем и инерциальной навигации. В 1910 он создает свою самую знаменитую компанию – Sperry Gyroscope Company и выигрывает тендер на поставку гиростабилизаторов, позволяющих радикально уменьшить качку кораблей, ВМС США.
В это же время он знакомится с еще одним талантливым инженером, о котором на русском языке информации вообще не найти – Ганнибалом Фордом (Hannibal Choate Ford).
Форд родился в штате Нью-Йорк и с детства увлекался механическими часами. Перед университетом он успел поработать в Crandall Typewriter Company, Daugherty Typewriter Company и даже Westinghouse Electric, а, закончив в 1903 Корнуоллский университет, устроился в J. G. White Company в Нью-Йорке, разрабатывая регуляторы скорости и системы управления нью-йоркского метро. Наконец в 1909 он объединился со Сперри и проработал в его компании до 1915 года.
Работая с Фордом, Сперри создал первый в мире гирокомпас, который должен был заменить ненадежные в условиях стальных линкоров магнитные компасы того времени. Первая его система была установлена на USS Delaware в 1910 году. Delaware был отправлен на коронацию Георга V, где произвел колоссальное впечатление на очень уважающих военно-морские технологии англичан.
По результатам испытаний система была дополнена компасами-репитерами и указателями пеленга цели, а адмирал Джозеф Штраус (Joseph Strauss), шеф Главного управления вооружения ВМС США, заказал Сперри установку такой системы на все американские дредноуты времен Первой мировой войны.
В те же годы появился Sperry Metal Mike – первая система гироскопического поддержания курса корабля (самолетный автопилот Sperry 1933 года называли Mechanical Mike).
Влияние Sperry Gyroscope Company было огромным, филиалы были созданы в Великобритании, гирокомпасы закупили не только американский, но и британский, итальянский, французский и (пару штук) даже русский флоты. Немцы, кстати, использовали похожие устройства, разработки Германа Аншютц-Кемпфе (Hermann Franz Joseph Hubertus Maria Anschütz-Kaempfe).
Производство гирокомпасов Sperry продолжалось в Великобритании до конца 1970-х годов, когда компания была продана British Aerospace.
Совместив идею гирокомпаса, гиростабилизации и рулей управления, в 1916 году Сперри создает первый в мире автопилот и испытывает беспилотные летательные аппараты. Увы, по тем временам такие технологии были все-таки практически нереализуемы в столь малом объеме, но вот система автоматического поддержания и стабилизации курса для кораблей получилась у него замечательно.
В итоге американские дредноуты того времени стали самыми технически продвинутыми кораблями в мире, опередив даже Британию.
Идеи телемеханики и автоматического управления захватили его на всю жизнь.
Сперри, продолжая работать над полноценным авиационным автопилотом (и создав его), сделал в 1918 году первую «воздушную торпеду», как тогда называли ракеты, причем управляемую! Он разрабатывал бомбовые прицелы, системы управления огнем на основе радаров и взлетно-посадочные компьютеры.
Во время Второй мировой войны Sperry Gyroscope создала в 1942 году зенитные турели бомбардировщиков Boeing B-17 Flying Fortress, настоящие шедевры электромеханики, значительно снизившие потери американских самолетов на всех фронтах. Позже они совместно с General Electric сконструировали еще более эффективную телеуправляемую турель для B-29 Superfortress – Remote Control Turret System, что превратило лучший бомбер Второй мировой войны в настоящую машину смерти.
Колоссальная заслуга Сперри состоит в том, что он первый в мире полностью осознал общие принципы обратной связи и автоматического управления и воплотил их в универсальных электромеханических модулях, пригодных для максимально разнообразного использования – от торпед до зенитных орудий. Sperry Gyroscope специализировалась на выпуске подобных устройств десятилетиями, фактически став монополистом инерционных систем наведения и пилотирования.
Дэвид Минделл (David A. Mindell) в своей книге Between Human and Machine: Feedback, Control, and Computing before Cybernetics писал, что компания Sperry, изобретая и продавая первые в мире устройства с обратной связью,
Благодаря разрастанию конфликта, спрос на роботов для войны взлетал лавинообразно, Sperry не успевала выполнять заказы, в качестве субподрядчиков пришлось подключить заводы Ford Motor Company и Chrysler. Только за 1942 Sperry заключила контрактов на производство систем управления на миллиард долларов! В эпоху машин человек оказался не пригоден для войны.
Теперь нам осталось разобраться с дифференциальными анализаторами, применяемыми для вычисления параметров стрельбы.
Этот класс машин восходит к работам Гаспара Кориолиса (Gaspard-Gustave Coriolis, знаменитый механик, открыл в том числе кориолисовы силы) 1836 года и Джеймса Томсона (James Thomson, более известен его младший брат, знаменитый физик, лорд Кельвин) 1876 года. Лорд Кельвин использовал анализатор для выделения многочисленных факторов, влияющих на приливы и отливы, чтобы их можно было предсказывать в будущем.
Королевскому флоту понравился компьютер Кельвина, потому что он позволял брать исторические данные о приливах, записанные в любой точке мира, и составлять таблицы, затрачивая ничтожную долю работы, которая требовалась для расчетов ранее.
Более полувека спустя приливные компьютеры Кельвина помогли в планировании высадки Нормандии, тем самым внеся непосредственный вклад в исход Второй мировой войны.
По совету лорда Кельвина интегрирующая машина Томсона была позже включена в систему управления огнем для морской артиллерии, разрабатываемую Артуром Полленом (Arthur Joseph Hungerford Pollen). Его Argo Clock был завершен к 1912 году.
Вообще, англичане удерживали пальму первенства в баллистических вычислителях с 1904 года, когда Royal Navy уже разрабатывал теоретическую концепцию координации залпов с нескольких кораблей для повышения эффективности огня, и вплоть до конца Первой мировой войны.
Эти идеи были воплощены в Цусимском сражении, и да, британцы выступали в нем отнюдь не на стороне России.
Британский военный советник Уолтер Тринг (Walter Hugh Thring) из Navy Gunnery Division (и не он один) был направлен в помощь японцам, чтобы реорганизовать их посты управления на броненосцах в соответствии с новейшими достижениями науки и техники. Тринг привез японцам Dumaresq – механическое вычислительное устройство (по сути, аналоговая модель относительного движения двух кораблей), изобретенное около 1902 года лейтенантом Королевского флота Джоном Дюмареском (John Saumarez Dumaresq), используемое вместе с дальномером для того, чтобы вычислить должные углы наведения орудий, в зависимости от скорости корабля и расстояния до цели.
Mark I Dumaresq производился компанией Elliott Brothers. К 1913 году Royal Navy закупил около 1 000 приборов различных модификаций (I, II и III) на сумму 10 000 фунтов стерлингов. Mark IV стал электрическим и интегрированным в так называемый стол наведения Дрейера (Dreyer Fire Control Table), разработанный адмиралом Дрейером (Sir Frederic Charles Dreyer), и превратился в вершину технологий управления огнем дредноутов в Первой мировой войне.
Продвинутой версией столика Дрейера, в который был интегрирован уже Argo Clock, стал Admiralty Fire Control Table (A.F.C.T., использовался в разных модификациях вплоть до линкоров Второй мировой войны класса «Кинг Джордж V»). Последними моделями дюмаресков стали упрощенные Mark VIII – Mark XII, неподходящие для интеграции с современными приборами управления огнем и использовавшиеся до конца Второй мировой войны на вспомогательных кораблях.
Именно дюмареск Mark I вместе с дальномерами Barr & Stroud Тринг помогал осваивать Императорскому флоту Японии. Вообще, о Цусиме и о русском и японском огне на ВО существует отличный цикл статей, например, эта.
В Российской Империи похожие системы разрабатывал Николай Карлович Гейслер, изобретатель, владелец «Электромеханического завода Н. К. Гейслер и К°». Позже на первых русских линкорах класса «Севастополь», введенных в строй в 1915 году, в СУАО ГК входили приборы системы Гейслера обр. 1910 года и переделанный на основе Argo Clock и автомата курсового угла и расстояния, разработанного в 1912 году А. Н. Крыловым, ЦАС конструкции Николая Александровича Федорицкого.
Вообще, все эти конструкции были чрезвычайно примитивны, и полной автоматизации (за вычетом поправок на силу ветра, которые вводились вручную), удалось добиться только англичанам с их столиком Дрейера (подробнейший разбор всех систем можно встретить здесь).
О сложности стрельбы на море (а теперь представьте, каково было разрабатывать зенитные орудия, принимая во внимание разницу в размерах, скорости и маневренности корабля и самолета) лучше всего говорит тот факт, что во время Ютландского сражения, хоть британцы и имели самую лучшую систему управления огнем в мире на тот момент, только 3 % их выстрелов поразили цели.
Американцы подошли к проблеме более фундаментально.
После Первой мировой войны они по-настоящему задумались о значительном усовершенствовании флота, разработка приборов управления огнем шла полным ходом, и максимальный вклад в это внес уже упомянутый Ганнибал Форд. В 1915 он уволился из Sperry, чтобы организовать свою собственную компанию – Ford Marine Appliance Corporation (позже Ford Instrument Company, после войны – поглощена Sperry).
Уже в 1917 году он представил свой первый продукт – Ford Range Keeper Mk. 1, систему управления огнем на основе дальномера – технику того же класса, что и Argo Clock. Установленный на USS Texas Mk. 1 рассчитывал по тем временам поразительное количество непрерывных функций в реальном времени: он определял вектор скорости, путем интегрирования этого вектора определял дальность до цели и вычислял относительную скорость под прямым углом к линии видимости. Самым ценным компонентом Mk. 1 стал изобретенный Фордом новый тип интегратора, чрезвычайно технологичный и надежный, впоследствии именно его конструкция легла в основу всех машин такого класса.
К концу Первой мировой войны британцы и янки были единственными, кто обладал настолько продвинутыми системами управления огнем.
Вашингтонский военно-морской договор 1922 года почти на десятилетие приостановил развитие флота, компания Форда бедствовала, но продолжала вести изыскания. В конце 1920-х годов Форд начал разработку первого в мире зенитного компьютера и быстро выяснил, что эта проблема куда более сложна, чем огонь по кораблям противника. Спустя десятилетие, к концу 1930-х Vickers (например, Vickers No.1 Mk III) и Sperry создали ПУАЗО против высотных бомбардировщиков, однако низколетящие самолеты представляли собой совершенно иную проблему – слишком высокая угловая скорость и малое время огневого контакта.
Майор Керрисон (A. V. Kerrison) из исследовательской лаборатории Адмиралтейства в Теддингтоне разработал первую версию ПУАЗО, решающую эту проблему – Kerrison Predictor (в США выпускался как M5 Antiaircraft Director). Прибор оказался способен поразить все, что летит по прямой, и был особенно эффективен против пикирующих бомбардировщиков. Однако он также включал более 1 000 прецизионных деталей и весил более 230 кг, несмотря на то, что большая часть его была изготовлена из алюминия. Учитывая потребности RAF в алюминии, Predictor оказался слишком сложным для массового производства. В комплекте с прибором также шел дизель-генератор для его работы, что еще более затрудняло его применение.
Sperry создали аналог этого прибора чуть ранее, более быстрый и точный (и еще более сложный и дорогой, 11 000 деталей, более 400 кг веса) M7 Computing Sight, тем не менее Kerrison No.7 массово использовался армией США.
Форд тоже продолжал исследования в области баллистических вычислителей, и их венцом стала Ford Mark 37 Gun Fire Control System с баллистическим вычислителем Ford Mark 1A Fire Control Computer для борьбы с самолетами (лучшая в мире система корабельного ПВО времен Второй мировой войны) и Ford Rangekeeper Mark 8 – вершина систем управления огнём крупной корабельной артиллерии.
Эта система использовалась на линкорах класса «Айова» и управляла 16-дюймовыми орудиями всех четырёх судов с момента их ввода в действие во время Второй мировой войны до бомбардировки иракских войск в феврале 1991 года во время войны в Персидском заливе.
Последним апгрейдом системы, введенным в строй во время Корейской войны, стал Mark 48 – компьютер для атаки на побережье и ведения непрямого огня по целеуказанию с самолета-разведчика, собственного дрона линкора (с конца 1980-х) или спутника. Mark 48 вычислял параметры стрельбы, затем передавая данные Rangekeeper или Mark 1A, в зависимости от того, какие орудия использовались для бомбардировки.
Желающие получить больше информации о советских корабельных зенитках могут сделать это в прекрасных статьях «Зенитное вооружение советских линкоров» и «О загадках ПУАЗО советских линкоров и о малокалиберном недоразумении 21-К» здесь же, на ВО.
Итак, проблема баллистических вычислителей была успешно решена американцами к началу Второй мировой войны – их зенитные системы и так уже были лучшими в мире. Осталось добавить последние компоненты: радары и радиовзрыватели.
И тут на сцене появляется Ванневар Буш.
Буш родился в Массачусетсе в семье пастора в 1890 году, в 1913 он закончил престижный частный университет Тафтса, уже зарекомендовав себя как толковый инженер и автор нескольких патентов. Именно тогда в нем проснулся интерес к области, которая оказалась критически важна для войны на Тихом океане (а также для разработки бомбовых прицелов, создания ядерного оружия и т.д.) – принципам решения дифференциальных уравнений с помощью электромеханического моделирования. Кроме того, популярный студент Буш побывал президентом и вице-президентом своего потока и уже тогда показал таланты администратора, в частности, руководя вузовской командой по регби.
После университета он поступил на работу в General Electric, в начале Первой мировой войны служил в береговой инспекции ВМС США и одновременно преподавал математику и электротехнику в университете Тафтса, став доцентом. За 1916–1917 годы Буш умудрился получить дипломы инженера в Гарварде и лучшем техническом вузе мира, легендарном MIT.
Во время работы в Тафтсе он сотрудничал с American Radio and Research Corporation (AMRAD), руководя их лабораторией, а в 1917 году, после вступления США в войну, перешел на работу в Национальный исследовательский совет (National Research Council). В 1922 году уже в MIT Буш издал первую книгу (Principles of Electrical Engineering).
С финалом войны кончились и военные контракты AMRAD. Для того, чтобы поправить дело, Буш вместе с Элом Спенсером (John Albert Spencer) разработал термостатический выключатель и при поддержке Лоуренса Маршалла (Laurence K. Marshall) и Ричарда Олдрича (Richard Steere Aldrich) основал Spencer Thermostat Company (фирма жива до сих пор как Sensata Technologies).
В 1924 году Буш и Маршалл объединились с физиком Чарльзом Смитом (Charles G. Smith) для создания стабилитрона тлеющего разряда – нового типа ламп, применяемого для выпрямления тока в цепях питания. Это устройство, получившее коммерческое название «Raytheon» – «божественный луч» совершило революцию в радио, сделав его по-настоящему массовым. До создания стабилитрона блоки питания занимали такой размер, что рации Первой мировой упаковывались в небольшую тележку. В итоге, основанная Смитом в 1922 году American Appliance Company (пытавшаяся производить холодильники) была переименована в Raytheon Manufacturing и в интербеллум стала ведущей корпорацией мира по производству электронных трубок всех видов, сделав Буша миллионером.
В годы войны Raytheon стала основным разработчиком радаров всех типов, что привело к забавному побочному эффекту – в 1945 году инженер компании Перси Спенсер (Percy LeBaron Spencer) случайно подверг воздействию магнетрона шоколадку и изобрел тем самым микроволновую печь.
В 1948–1953 годах Raytheon занималась разработкой самонаводящихся ракет, окончательно закрепив свой статус одной из главных военных корпораций мира. Ракеты AGM-65 Maverick, AGM-88 HARM, AIM-7 Sparrow, AIM-9 Sidewinder и знаменитые BGM-109 Tomahawk и FIM-92 Stinger – вот лишь краткий перечень их продукции.
В 1923 году Буша избирают профессором MIT, позже в 1936 его аспирантом станет легендарный инженер, математик и криптоаналитик Клод Шеннон (Claude Elwood Shannon), отец теории информации. В 1929 он в соавторстве с нашим следующим главным героем – Норбертом Винером, пишет фундаментальный учебник (Operational Circuit Analysis).
Накопив огромный опыт исследований и имея доступ к лучшим в мире лабораториям MIT, Буш возвращается к своему увлечению – поиску аналогий между решением дифференциального уравнения и электромеханическими процессами.
Следует отличать дифференциальные анализаторы от простых модельных интеграторов, которые были чрезвычайно популярны в СССР (в силу того, что вплоть до краха Союза количество компьютеров в нем так и не смогло сравниться с потребностями). Типичный интегратор представляет собой куда более примитивную машину – по сути, физическую модель (гидравлическую или электрическую) определенной системы, с настраиваемыми в некоторых пределах параметрами. Эти параметры долго и тщательно выставляются, затем интегратор включается и мгновенно выдает решение дифференциального уравнения в аналоговом виде (как правило, графически).
Простой интегратор, в отличие от дифференциального анализатора, не является универсальной вычислительной машиной, он моделирует конкретный процесс, для которого выставлены все нужные параметры.
Первый электрический интегратор в нашей стране, как мы уже писали, построил в 1939 году Брук, за что и стал членом-корреспондентом, до этого настолько сложных машин в СССР не было. Интегратор Брука занимал площадь более 60 кв. м., ввод параметров осуществлялся подстройкой резисторов, выбираемых поворотами более чем тысячи колесиков. Для ввода условий было необходимо повернуть каждое в нужное положение, на настройку перед запуском уходило от дня до нескольких недель!
Интегратор позволял с некоторым приближением решать дифференциальные уравнения до 6-го порядка. Он использовался в нефтехимической промышленности для расчета уравнений и систем подземной гидравлики и температурных полей. В 1947 году Н. Н. Леновым был создан еще более громоздкий интегратор ЭДА, предназначенный для интегрирования уравнений до 20-го порядка.
Апофеозом стало создание в 1955 году на Пензенском заводе по заказу Министерства нефтяной и газовой промышленности чудовищного электроинтегратора ЭИ-С, решающая часть которого представляла сетку площадью двести квадратных метров! Работал он на ламповых операционных усилителях (всего более 8 500 ламп, хватило бы на полтора UNIVAC), потреблял неописуемые 60 кВт (!) электроэнергии и требовал 8 человек персонала.
Отечественные источники с гордостью пишут, что крупнее этого монстра не существовало: ЭИ-С позволял моделировать одновременную работу более пятисот эксплуатационных и двухсот пятидесяти нагнетательных нефтяных скважин. Безусловно, это было так, но интегратор еще больших размеров, не был повторен на Западе не из-за технического убожества США, а из-за того, что в эпоху IBM 790 был там никому не нужен. У нас же эта машина использовалась около 15 лет и, кроме нее, было разработано огромное количество узкоспециализированных электрических моделей: для определения магнитного поля в полупространстве (ЭП-41), решения одного бигармонического уравнения в теории упругости (ЭМ-6-БУ) и даже определения момента прекращения продувки в конверторе на конкретной линии Криворожского комбината («Углерод»).
В целом в СССР интеграторы, преимущественно для систем уравнений Лапласа, Пуассона и Фурье, использовались до 1980-х годов, играя роль «суперкомпьютеров для нищих», позволяя с большим трудом и не очень точно, зато массово решать сложные инженерные задачи в условиях тотальной нехватки более современной техники. А. Колесов из журнала «Компьютерра» в № 26 за 1997 год рассказал, как были организованы расчёты в лабораториях знаменитого МИФИ:
Начиная с 1927 года, Буш строит свой дифференциальный анализатор – аналоговый компьютер, который мог решать дифференциальные уравнения с 18 переменными.
Это изобретение возникло в результате предыдущей работы Герберта Р. Стюарта (Herbert R. Stewart), одного из его магистрантов, который по предложению руководителя в 1925 году создал интеграф – устройство для решения дифференциальных уравнений первого порядка.
Другой студент Гарольд Хейзен (Harold Locke Hazen, в будущем – выдающийся электроинженер) предложил расширить устройство для решения уравнений второго порядка.
Буш сразу же понял потенциал такого изобретения и вместе с Хейзеном проект был закончен к 1931 году. Именно создание этой машины привлекло к Бушу внимание общественности, администрации президента и лично Франклина Рузвельта, за разработку дифференциального анализатора он был награжден медалью Луиса Э. Леви Института Франклина (сейчас это медаль Франклина, ее вручают выдающимся инженерам, одна из самых престижных наград в мире, которой дважды удостаивались и русские ученые – Боголюбов и Капица).
Машина Буша состояла из 6 механических интеграторов (модели Форда) и была настолько продвинутой, что Дуглас Хартри (Douglas Rayner Hartree) из Манчестерского университета привез ее чертежи в Англию, где в течение 1934 года собрал прототип такой же машины, а к 1939 году Metropolitan-Vickers построил еще 4 – для Кембриджа, Королевского университета Белфаста и Королевского авиационного института в Фарнборо. Позже эти машины использовали для расчетов знаменитой «прыгающей бомбы» Vickers Type 464, которой были уничтожены Рурские плотины.
Идеи Буша нашли отклик не только в Англии, в Осло в 1938 году была закончена разработка анализатора, основанного на тех же принципах, что и машина MIT, но на 12 интеграторах, что сделало ее самой большой в мире.
В США конструкция Буша была воплощена в дифференциальных анализаторах Лаборатории баллистических исследований в Мэриленде и Школе электротехники Мура в Пенсильванском университете в начале 1940-х годов.
В начале 1930-х годов Буш обратился к Фонду Рокфеллера, чтобы получить грант на новую машину. Главу отдела естественных наук фонда Уоррена Уивера (Warren Weaver) сначала убедить не удалось. Однако Буш разрекламировал безграничный потенциал своей новой машины относительно научных применений – особенно в математической биологии, любимом проекте Уивера. Также Буш обещал многочисленные улучшения анализатора, в том числе возможность быстро переключать его с одной проблемы на другую, как телефонный коммутатор.
В 1936 году его усилия были вознаграждены грантом в 85 000 долларов, выделенных на создание нового устройства, которое позднее назвали Rockefeller Differential Analyzer (RAD).
К сожалению, Буш, который стал вице-президентом MIT и деканом инженерного факультета, не мог уделить много времени руководству разработкой, фактически вскоре он самоустранился, занявшись обязанностями председателя Института Карнеги в Вашингтоне.
Буш ощущал приближение войны, и у него было несколько научных и производственных идей, которые могли послужить нуждам вооружённых формирований, он хотел находиться поближе к центру сил, где мог бы эффективнее влиять на решение тех или иных вопросов.
Рокфеллеровская машина была завершена лишь в 1942 году. Военные сочли её полезной для поточного производства баллистических таблиц для артиллерии. Чудовищный компьютер состоял из 2 000 электронных ламп, 200 миль провода, 150 серводвигателей и тысячи реле, машина весом 100 тонн использовала передовой в те годы метод ввода информации с помощью перфокарт и безостановочно проработала с полной нагрузкой до конца войны, перемалывая сложнейшие дифференциальные уравнения.
По словам историка Робина Боаста (Robin Boast),
С рокфеллеровской машиной работал Шеннон, и она произвела на него огромное впечатление.
Буш понял, что механические передачи снижали эффективность: чтобы выполнить вычисления, требовалось настроить машину, на что уходило много человеко-часов работы квалифицированных механиков.
Новый анализатор лишился этого недостатка. В основе его конструкции был не стол со стержнями, а координатный коммутатор – лишний прототип, пожертвованный Bell Labs. Вместо передачи мощности от центрального вала каждый интегральный модуль независимо приводился в действие электромотором. Для настройки машины на решение новой задачи достаточно было просто сконфигурировать реле в координатной матрице, чтобы соединить интеграторы в нужной последовательности.
Считыватель перфоленты (позаимствованный из другого телекоммуникационного устройства – рулонного телетайпа) считывал конфигурацию машины, а релейная схема преобразовывала сигнал с ленты в управляющие сигналы для матрицы – это походило на установление серии телефонных вызовов между интеграторами.
Шеннон высказался так:
Машины Буша использовались в том числе для Манхэттенского проекта, а самыми мощными стали дифференциальные анализаторы General Electric (первый установлен в Калтехе в 1947 году и обошелся в 125 000 долларов), серия из 4-х таких приборов использовалась до начала 1950-х.
Как мы помним, Буш обладал и выдающимися талантами администратора, очень быстро он стал первым вице-президентом MIT и деканом инженерного факультета. В мае 1938 года Буш принял назначение на должность президента Института Карнеги в Вашингтоне.
Один из самых престижных НИИ в стране мог позволить тратить 125 000 долларов в месяц на исследования (чудовищная сумма, при том, что RDA стоил всего 85000) – около 2,5 миллионов по нынешнему курсу. Теперь он мог влиять на исследовательскую политику в США на самом высоком уровне и неофициально консультировать правительство по научным вопросам.
В том же году он стал председателем Национального совета по аэронавтике (с 1958 года известного как NASA), и он же настоял на создании новой лаборатории в Саннивейле (Калифорния), сейчас – крупнейший в мире центр космических и компьютерных исследований.
Весь конец 1930-х годов Буш провел в наблюдении за эскалацией напряженности в Европе, отлично понимая, что дни мира подходят к концу. В то время наука США практически никак не взаимодействовала с правительством, и Буш решил это исправить.
Он понимал, что только консолидация разрозненных коллективов, частных компаний и лабораторий и научных центров вместе с вливаниями государственного финансирования помогут подготовиться к войне, а затем и выиграть ее.
Напомним, что янки, как и англичане, отведали окопных ужасов Первой мировой войны (хоть и в последний год) и вовсе не горели желанием их повторять, кроме того, они отлично понимали, что грядущая война станет войной технологий и умов.
В июне 1940 года, после вторжения немцев во Францию, Бушу, пользуясь своим авторитетом, удалось пробиться к президенту Рузвельту (через его дядю Фредерика Делано, куратора Института Карнеги, сам Рузвельт Буша недолюбливал за его критику нового курса) и представить ему короткий, на одном листочке, документ, содержащий план координации военных исследований страны.
По утверждениям современников, Рузвельт размышлял не более 15 минут и тут же утвердил создание Национального комитета оборонных исследований (National Defense Research Committee, NDRC). В 1941 году Комитет был преобразован в Управление научных исследований и разработок (Office of Scientific Research and Development, OSRD), получающее финансирование напрямую от Конгресса и имеющее полномочия тратить его на любые военные исследования.
Так за четверть часа Буш стал самым влиятельным ученым в США.
Заместитель президента MIT великого физика Комптона, Альфред Лумис (Alfred Lee Loomis) позже высказался, что
OSRD имел широчайшие полномочия, относящиеся не только к радиоэлектронике – например, они занимались медицинскими исследованиями, в частности, развернули массовое производство антибиотиков (пенициллина и сульфаниламидов, также известных как стрептоциды).
В организации работало 850 штатных сотрудников, OSRD участвовало в выполнении около 2 500 контрактов, на сумму более 536 миллионов долларов (более 10 миллиардов в современных ценах).
После войны наследником OSRD стало знаменитое DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) – Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны, второй ведущий военно-научный кластер США, наряду с RAND Corporation.
Для тех, кто не в курсе – именно DARPA мы обязаны тем, что уважаемые читатели могут просматривать сейчас эту статью, потому что DARPA – это изобретение и внедрение Интернета, серверов и маршрутизаторов, миникомпьютеров, операционных систем BSD и много другого, без чего мы, в принципе, не представляем современную жизнь.
Более того, разрабатывая дедушку WWW – ARPANet, управление опиралось напрямую на идеи Буша, высказанные им в эссе 1945 года (As We May Think) и в нереализованном из-за войны проекте Memex – машине обработки и хранения информации на основе гиперссылок (да, эта идея тоже принадлежит Бушу).
Мы уже упоминали о роли компании Raytheon в создании радаров, под это дело Буш создал знаменитую MIT Radiation Laboratory, в которой члены британской делегации Тизарда Таффи Боуэн (Edward George Bowen) и Джон Кокрофт (Sir John Douglas Cockcroft) изготовили магнетрон с резонатором – устройство, более совершенное, чем все, что видели американцы до того, с выходной мощностью около 10 кВт на 10 см, достаточной для того, чтобы заметить перископ всплывшей подводной лодки ночью с самолета.
К середине 1941 года Radiation Laboratory разработала радар SCR-584, мобильную радиолокационную систему управления огнем для зенитных орудий – как мы уже упоминали, самый совершенный радар Второй мировой войны, один из главных компонентов истинно кибернетической системы ПВО. Бюджет RadLab составлял невообразимые 4 миллиона долларов в месяц (75 миллионов в ценах 2020 года), там трудилось более 4 000 человек, включая примерно пятую часть лучших физиков планеты. SCR-584 был шедевром техники, способным засечь и отобразить на экране полет 155-мм снаряда.
В сентябре 1940 года Норберт Винер обратился к Бушу с предложением создать цифровой компьютер, но тот отказался предоставить финансирование для этого проекта. Буш считал, что война закончится раньше, чем компьютер будет готов.
Тогда в 1943 году финансирование предоставила армия, и к декабрю 1945 ENIAC был готов, как раз вскоре после конца войны.
В принципе, это можно счесть его ошибкой (хотя Винер бы, конечно, постройку никакого компьютера не осилил), так как проект запоздал именно из-за недостатка финансирования, но справедливости ради янки выиграли войну и без него, а колоссальные вложения Буша в зенитную артиллерию, радары и системы управления огнем как раз оказались критичны для победы.
Вообще, он исходил из философии разработки только того, что поможет в войне здесь и сейчас, и часто ходил буквально по лезвию между удачным решением и катастрофическим провалом. Он предпочел радары и радиовзрыватели проекту ENIAC, что было стратегически верно, но чуть не зарубил проект атомной бомбы, не веря, что ее можно закончить до конца войны.
Тем не менее, когда в 1940 году от британских физиков из M.A.U.D. commitee пришло подтверждение, что ядерное оружие абсолютно реально, и даже немцы могут им овладеть, Буш немедленно изменил позицию и уже предпринял все возможные усилия для организации Манхэттенского проекта, а в конце войны рекомендовал немедленно применить бомбу против Японии.
Следующим важнейшим компонентом системы управления огнем стал бесконтактный взрыватель – третья по секретности военная технология США после ядерного оружия и бомбового прицела Norden, который также представлял собой сверхсложный аналоговый компьютер (в разработку было вложено около 1,5 миллиардов долларов в современных ценах, выпускался с 1932 года и был самым совершенным прицелом Второй мировой войны, позволял при скорости самолёта свыше 500 км/ч с высоты 6 км попадать в тридцатиметровый круг).
Бесконтактный взрыватель был абсолютным техническим шедевром своего времени.
Миниатюрный радар непрерывного действия вместе с питанием должен был поместиться в снаряд, причем электронные лампы радара должны были выдержать ускорение 20 кДж при выстреле и 500 об/сек в полете.
В 1942 году на тестировании зенитной системы только что спущенного на воду крейсера USS Cleveland (CL-55) против беспилотников испытания, рассчитанные на два дня, прекратились в первый же час, поскольку все три дрона были сбиты всего четырьмя снарядами.
Чтобы сохранить секрет бесконтактного взрывателя, его использование первоначально было разрешено только над водой, где несработавший снаряд не мог попасть в руки врага, после ударов V-1 по Лондону и Антверпену армия получила разрешение на использование этого оружия на суше.
Самолеты-снаряды оказались действительно страшным оружием – несмотря на их техническое несовершенство, британская система ПВО не была рассчитана на противодействие невиданным целям и сбивала не более четверти крылатых ракет.
Стоимость их была невелика (не более 1 % от цены бомбардировщика), клепать их можно было миллионами и, если бы V-1 появились в ходе Первой битвы за Британию, неизвестно, чем бы она кончилась, тем более что применение их было чрезвычайно выгодно. Даже с учетом всех потерь ракет, оставшиеся разносили имущества на сумму, куда большую, чем себестоимость V-1, и очень эффективно окупались, не говоря уже о психологическом эффекте от их налетов.
Однако американская система ПВО была настоящим железным куполом.
После развертывания в Британии батарей, аналогичных установленным на линкорах «Айова», доля уничтоженных самолетов-снарядов мгновенно подскочила с 24 % до 79 %. Генерал Фредерик Пайл (Sir Frederick Alfred, 2nd Baronet Pile), командующий ПВО Англии во время Второй битвы за Британию, вспоминал (и писал потом в своих мемуарах Ack-Ack: Britain's Defence against Air Attack during the Second World War):
Он же отметил уникальную особенность Второй мировой войны с точки зрения Союзников – еще более поразительную, если задуматься, чем использование атомной бомбы (и, в отличие от бомбы, полностью ускользнувшую от осознания Советами, Германией, да и вообще всеми прочими сторонами конфликта). Никогда ранее в истории автоматическое оружие не сталкивалось в битве с другим автоматическим оружием.
В небе над Британией осенью 1944 года впервые в мире участие людей в битве было чисто номинальным. Люди разворачивали систему ПВО и запускали роботизированные ракеты, и этим их участие в конфликте и исчерпывалось. Далее машины сражались с машинами, человек был лишним и слабейшим звеном в этой битве.
писал в мемуарах Пайл.
Фактически современное развитие военного дела пришло именно к этому.
Немецкое контрнаступление в Арденнах было остановлено, в том числе благодаря развертыванию гаубиц с аналогичными взрывателями, к концу 1944 года их выпуск дошел до 40 000 в сутки.
Историк Джеймс Бакстер (James Phinney Baxter III) констатировал:
Отметим, насколько удивительно гармонично, благодаря таким людям как Буш и Сперри, в США во время войны сплелись власть, бизнес и наука.
Фактически ценнейшим из всего значимого, созданного во время войны, стал этот симбиоз, уникальный для США и не повторенный с тех пор ни в одной стране мира.
Буш имел просто невероятный конфликт интересов – он был и совладельцем компании Raytheon, получавшей самые сочные военные заказы, и занимал высокие посты в Институте Карнеги и MIT, разрабатывающем оборудование для дальнейшего производства, и одновременно распределял огромные бюджетные средства и отвечал за работу коллективов из десятков ученых.
Он действительно был «Tzar of Science», только от него зависело, какой коллектив получит поддержку, какая лаборатория – финансирование и какая военная корпорация – лучший заказ.
Естественно, себя Буш не обидел – Raytheon заработала на войне миллиарды.
Во время войны OSRD выдавало контракты по своему усмотрению, причем половина бюджетных средств досталась всего восьми организациям. Больше всего средств получил MIT, который был явно связан с Бушем и его приближенными. Буш пытался продавить постановление, вообще выводящее OSRD из-под закона о конфликте интересов, но его усилия не увенчались успехом, в результате чего, он стал призывать к расформированию управления еще в 1944 году, когда большая часть его задач была выполнена.
Естественно, он был не во всем прав. Например, V-1 продемонстрировала серьезное упущение в портфолио OSRD: управляемые ракеты. Тем не менее эта ошибка была исправлена сразу же после войны, как мы помним, Raytheon стал ведущим производителем управляемых ракет в США, до начала войны же Буш заявлял:
Забавно, но сам Буш так и не доверял ракетам до самой смерти, и в 1949 году в книге (Modern Arms and Free Men) писал, что МБР не будут технически осуществимы «еще долгое время, ...если вообще будут». В своей неприязни к ракетным технологиям он был похож на Кёртиса Лемея, величайший мастер бомбовых ударов в истории так до конца и не признал значимость ракет равной ценности его любимых бомбардировщиков.
Забавно вдвойне и то, что позиции величайших стратегических и административных умов США в этом вопросе оказались куда менее прогрессивны, чем позиция Никиты Хрущева, настоящего романтика ракет, у которого ракетным должно было быть все – от танков до крейсеров.
Однако вся система в целом отработала просто гениально.
К концу войны или по ее итогам были организованы крупнейшие научные кластеры за всю историю человечества – RAND Corporation, DARPA, NASA и еще один важнейший центр на Западном побережье – Стэндфордский индустриальный парк, основанный провостом Стэнфордского университета Фредериком Терманом (Frederick Emmons Terman). Первыми его резидентами стали два его выпускника – Уильям Хьюлетт (William Reddington Hewlett) и Дэвид Паккард (David Packard), известные нам как основатели Hewlett-Packard (а это далеко не только принтеры, HP – это осциллографы, первые миникомпьютеры и научные калькуляторы, первый графический интерфейс в мире, собственные микропроцессоры, серверы и, естественно, много-много военного оборудования).
Так началась история того, что сейчас называется Кремниевой долиной, и государственные военные заказы составляли 99 % вливаний в нее (примерно по 10 млрд долларов в год) вплоть до 1980-х годов.
В итоге заслуга Буша не только в его научных разработках, не только в мастерском администрировании сложнейшими проектами, благодаря которым американцы выиграли войну, но в самой идее тотального сращивания правительства, военных, ученых и бизнеса в одну колоссальную, несокрушимую гидру технического прогресса, равной которой в истории еще не было.
Именно цепочка, разработанная Бушем: бизнес платит налоги – военные просят новое оружие – государство дает грант – ученые разрабатывают – компании производят – получают прибыль – разрабатывают гражданские проекты уже для себя – получают еще больше прибыли – платят налоги, и цепочка замыкается, не была в такой полноте и совершенстве осознана ни одной другой страной в мире.
Не только социализму было нечего противопоставить абсолютной, безжалостной машинной эффективности этой схемы (кроме карикатур в «Крокодиле» на продажных западных ученых и буржуев-милитаристов на мешках кровавых долларов), но и ближайшим родственникам американцев – капиталистам-англичанам.
Настолько потрясающую логику непрерывного воспроизводства интеллектуальных достижений (и финансов заодно) не постигла ни одно государство в мире, результатом чего и стало доминирование американских компаний на всех высокотехнологичных рынках мира к началу 1970-х и массовое вымирание всех региональных производителей, шведского Data SAAB, итальянского Olivetti, французского Bull, англо-канадских Ferranti и Metrovick и многих-многих других.
Все это стало наследием OSRD. После его закрытия Буш надеялся, что финансирование фундаментальных исследований правительством (хотя уже в куда менее радикальных формах) будет продолжено. В 1944 году Рузвельт запрашивает у Буша рекомендации, какие уроки Второй мировой войны необходимо извлечь в области организации науки?
Он встретился с Трумэном, сменившим Рузвельта, в 1945 и представил ему доклад (Science, The Endless Frontier), в котором фактически изложил американскую доктрину работы с исследованиями, актуальную до сих пор. В этом меморандуме Буш выступал за финансирование из государственного бюджета фундаментальных научных исследований, проводимых совместно с университетами и промышленными предприятиями.
Буш предложил президенту программу реформирования науки из 4-х главных пунктов.
Во-первых, как можно скорее сообщить миру о вкладе, который был внесен в войну американцами, благодаря научным знаниям, то есть рассекретить их.
Во-вторых, организовать на основе государственной поддержки продолжение той работы, которая была проделана во время войны в медицине и смежных науках.
В-третьих, разработать меры для содействия исследовательской деятельности государственных и частных организаций.
В-четвертых, предложить эффективную программу выявления и развития научных талантов среди американской молодежи, для того чтобы уровень будущих научных исследований в США был сопоставим с тем, что было сделано во время войны.
Он писал:
В 1946–1947 годах продолжались дебаты в Конгрессе между сторонниками своеобразного социализма в науке, а-ля СССР – назначением президентом особого администратора и отчуждением патентов на изобретения в пользу государства, и подходом Буша:
В итоге закон забуксовал, и военные закрыли нишу, создав свое собственное Управление военно-морских исследований (Office of Naval Research, ONR).
Война приучила многих ученых работать без бюджетных ограничений, налагаемых довоенными университетами, они охотно искали финансирование у военных, и в итоге Буш помог создать Объединенный совет по исследованиям и разработкам (Joint Research and Development Board, JRDB) армии и флота, председателем которого он и стал.
После принятия Закона о национальной безопасности 26 июля 1947 года Бушу в 1950-м удалось, наконец, продавить закон о создании Национального научного фонда (National Science Foundation, NSF).
К 1953 году Министерство обороны тратило 1,6 миллиарда долларов в год на исследования (около 16 миллиардов в нынешних ценах).
Много это или мало по сравнению с СССР?
Проще всего произвести перерасчет в золоте. Как мы помним, Хрущев выделил на строительство Зеленограда 4 тонны желтого металла. Если мы обратимся к ценам за тройскую унцию в 1953 году (примерно 35 долларов), то нехитрая математика приведет нас к тому, что американцы тратили на науку в год около 1 300 тонн золота – в тридцать раз больше, чем мог позволить СССР!
В 1950-е американские физики тратили 70 % своего времени на исследования, связанные с обороной, 98 % денег, потраченных на них, поступило либо от Министерства обороны, либо от Комиссии по атомной энергии (AEC), которая заменила Манхэттенский проект.
С 1947 по 1962 год Буш входил в совет директоров AT&T. Он ушел в отставку с поста президента Института Карнеги и вернулся в Массачусетс в 1955 году. Скончался он в Массачусетсе в 1974 году, на его поминках профессор Джером Визнер (Jerome Bert Wiesner), председатель Консультативного комитета президента по науке (President's Science Advisory Committee, PSAC), заявил:
В 1998 году комитет по науке Конгресса США опубликовал меморандум (Unlocking Our Future Toward a New National Science Policy), в котором признал, что основой государственной политики по отношению к науке остаются взгляды Ванневара Буша, выраженные в его программе «Наука – путь в бесконечность».
Наконец, нам осталось изучить достижения короля кибернетики, самого Норберта Винера, которого так ненавидели и ценили в СССР. Именно его идеями вдохновлялись советские ученые, вот только король, увы, оказался голым. Но об этом в следующей части.
Все эти события теснейшим образом связаны с двумя выдающимися людьми. Оба были учеными, электроинженерами и изобретателями, оба основали могущественнейшие компании, существующие до настоящего времени и стали миллионерами, оба помогли выиграть войну. Одним из них был Элмер Амброуз Сперри (Elmer Ambrose Sperry), вторым – Ванневар Буш.
Из проблем, стоящих перед создателями кибернетической системы – совершенного орудия ПВО: радиолокатора, радиовзрывателя и баллистического компьютера, Ванневар Буш отвечал за два – за все, что связано с радарами.
Сперри же был настоящим пионером систем автоматического управления. Созданная в итоге схема не только послужила концептуальным прототипом для всех разработок, связанных с противоракетной обороной, но и привела к колоссальному толчку в развитии ЭВМ (а также в развитии американского бизнеса).
Сперри был одним из титанов уходящего XIX века – типичным жульверновским инженером, разбиравшимся во всем: от шахтного оборудования до изобретенного им процесса получения чистой каустической соды и технологий извлечения олова из металлолома. Кроме того, его пытливый ум непрерывно обращался ко все новым и новым проблемам.
Еще в 1887 г он создал систему электрификации угольных шахт, которая позволила доставить разработанное им самим шахтное оборудование глубоко под поверхность, чтобы значительно увеличить добычу угля, и основал Sperry Electric Machinery Mining Company.
В 1890 он использовал свои идеи подземных электровагонеток для разработки троллейбусов, вышедших на линии в больших холмистых городах Огайо и Пенсильвании, основав Sperry Electric Railway Company. Также он создал один из первых электромобилей и разработал технологию портативных свинцово-кислотных аккумуляторов, используемых до сих пор.
Автомобиль Сперри показал на Всемирной выставке в Париже и в ходе путешествия испытал мучения морской болезни. В результате его внимание привлекли проблемы гироскопической стабилизации, а затем и инерциальной навигации. В 1910 он создает свою самую знаменитую компанию – Sperry Gyroscope Company и выигрывает тендер на поставку гиростабилизаторов, позволяющих радикально уменьшить качку кораблей, ВМС США.
Сверху – Sperry Gyro-compass Mark XIV, Mod. 1, 1944 г. Снизу – автопилот Mechanical Mike. Сбоку – реклама лайнера Queen Elisabeth с системой Metal Mike (фото https://dodlithr.blogspot.com/, https://flemingsbond.com/, https://maritime.org/)
В это же время он знакомится с еще одним талантливым инженером, о котором на русском языке информации вообще не найти – Ганнибалом Фордом (Hannibal Choate Ford).
Ганнибал Форд
Форд родился в штате Нью-Йорк и с детства увлекался механическими часами. Перед университетом он успел поработать в Crandall Typewriter Company, Daugherty Typewriter Company и даже Westinghouse Electric, а, закончив в 1903 Корнуоллский университет, устроился в J. G. White Company в Нью-Йорке, разрабатывая регуляторы скорости и системы управления нью-йоркского метро. Наконец в 1909 он объединился со Сперри и проработал в его компании до 1915 года.
Работая с Фордом, Сперри создал первый в мире гирокомпас, который должен был заменить ненадежные в условиях стальных линкоров магнитные компасы того времени. Первая его система была установлена на USS Delaware в 1910 году. Delaware был отправлен на коронацию Георга V, где произвел колоссальное впечатление на очень уважающих военно-морские технологии англичан.
По результатам испытаний система была дополнена компасами-репитерами и указателями пеленга цели, а адмирал Джозеф Штраус (Joseph Strauss), шеф Главного управления вооружения ВМС США, заказал Сперри установку такой системы на все американские дредноуты времен Первой мировой войны.
В те же годы появился Sperry Metal Mike – первая система гироскопического поддержания курса корабля (самолетный автопилот Sperry 1933 года называли Mechanical Mike).
Влияние Sperry Gyroscope Company было огромным, филиалы были созданы в Великобритании, гирокомпасы закупили не только американский, но и британский, итальянский, французский и (пару штук) даже русский флоты. Немцы, кстати, использовали похожие устройства, разработки Германа Аншютц-Кемпфе (Hermann Franz Joseph Hubertus Maria Anschütz-Kaempfe).
Производство гирокомпасов Sperry продолжалось в Великобритании до конца 1970-х годов, когда компания была продана British Aerospace.
Совместив идею гирокомпаса, гиростабилизации и рулей управления, в 1916 году Сперри создает первый в мире автопилот и испытывает беспилотные летательные аппараты. Увы, по тем временам такие технологии были все-таки практически нереализуемы в столь малом объеме, но вот система автоматического поддержания и стабилизации курса для кораблей получилась у него замечательно.
В итоге американские дредноуты того времени стали самыми технически продвинутыми кораблями в мире, опередив даже Британию.
Идеи телемеханики и автоматического управления захватили его на всю жизнь.
Сперри, продолжая работать над полноценным авиационным автопилотом (и создав его), сделал в 1918 году первую «воздушную торпеду», как тогда называли ракеты, причем управляемую! Он разрабатывал бомбовые прицелы, системы управления огнем на основе радаров и взлетно-посадочные компьютеры.
Во время Второй мировой войны Sperry Gyroscope создала в 1942 году зенитные турели бомбардировщиков Boeing B-17 Flying Fortress, настоящие шедевры электромеханики, значительно снизившие потери американских самолетов на всех фронтах. Позже они совместно с General Electric сконструировали еще более эффективную телеуправляемую турель для B-29 Superfortress – Remote Control Turret System, что превратило лучший бомбер Второй мировой войны в настоящую машину смерти.
Колоссальная заслуга Сперри состоит в том, что он первый в мире полностью осознал общие принципы обратной связи и автоматического управления и воплотил их в универсальных электромеханических модулях, пригодных для максимально разнообразного использования – от торпед до зенитных орудий. Sperry Gyroscope специализировалась на выпуске подобных устройств десятилетиями, фактически став монополистом инерционных систем наведения и пилотирования.
Шаровая турель B-17, обратите внимание на заголовок статьи – «Механические мозги. Работающие в металлических ящиках вычислительные приборы нацеливают пушки и бомбы с нечеловеческой точностью» (фото https://www.liberatorcrew.com). Кстати, такая турель послужила основой знаменитого TIE Fighter из «Звездных войн».
Дэвид Минделл (David A. Mindell) в своей книге Between Human and Machine: Feedback, Control, and Computing before Cybernetics писал, что компания Sperry, изобретая и продавая первые в мире устройства с обратной связью,
«создала совершенно новый вид научных аксессуаров, позволяющий расширить функции и навыки оператора далеко за пределы его собственных сил, выносливости и способностей».
Благодаря разрастанию конфликта, спрос на роботов для войны взлетал лавинообразно, Sperry не успевала выполнять заказы, в качестве субподрядчиков пришлось подключить заводы Ford Motor Company и Chrysler. Только за 1942 Sperry заключила контрактов на производство систем управления на миллиард долларов! В эпоху машин человек оказался не пригоден для войны.
Вершина ПВО бомбардировщиков – телеуправляемые турели B-29. Схема турели, ее монтаж. Снизу – объяснение идеи параллакса и возможные схемы размещения дистанционного управления (фото https://www.popularmechanics.com, http://www.twinbeech.com/)
Теперь нам осталось разобраться с дифференциальными анализаторами, применяемыми для вычисления параметров стрельбы.
Этот класс машин восходит к работам Гаспара Кориолиса (Gaspard-Gustave Coriolis, знаменитый механик, открыл в том числе кориолисовы силы) 1836 года и Джеймса Томсона (James Thomson, более известен его младший брат, знаменитый физик, лорд Кельвин) 1876 года. Лорд Кельвин использовал анализатор для выделения многочисленных факторов, влияющих на приливы и отливы, чтобы их можно было предсказывать в будущем.
Королевскому флоту понравился компьютер Кельвина, потому что он позволял брать исторические данные о приливах, записанные в любой точке мира, и составлять таблицы, затрачивая ничтожную долю работы, которая требовалась для расчетов ранее.
Более полувека спустя приливные компьютеры Кельвина помогли в планировании высадки Нормандии, тем самым внеся непосредственный вклад в исход Второй мировой войны.
Dumaresq MkVI, Argo Clock Mark IV, Dreyer Fire Control Table Mark III 1918 г. 3D-модели Роба Брассингтона (Rob Brassington, http://dreadnoughtproject.org)
По совету лорда Кельвина интегрирующая машина Томсона была позже включена в систему управления огнем для морской артиллерии, разрабатываемую Артуром Полленом (Arthur Joseph Hungerford Pollen). Его Argo Clock был завершен к 1912 году.
Вообще, англичане удерживали пальму первенства в баллистических вычислителях с 1904 года, когда Royal Navy уже разрабатывал теоретическую концепцию координации залпов с нескольких кораблей для повышения эффективности огня, и вплоть до конца Первой мировой войны.
Эти идеи были воплощены в Цусимском сражении, и да, британцы выступали в нем отнюдь не на стороне России.
Британский военный советник Уолтер Тринг (Walter Hugh Thring) из Navy Gunnery Division (и не он один) был направлен в помощь японцам, чтобы реорганизовать их посты управления на броненосцах в соответствии с новейшими достижениями науки и техники. Тринг привез японцам Dumaresq – механическое вычислительное устройство (по сути, аналоговая модель относительного движения двух кораблей), изобретенное около 1902 года лейтенантом Королевского флота Джоном Дюмареском (John Saumarez Dumaresq), используемое вместе с дальномером для того, чтобы вычислить должные углы наведения орудий, в зависимости от скорости корабля и расстояния до цели.
Mark I Dumaresq производился компанией Elliott Brothers. К 1913 году Royal Navy закупил около 1 000 приборов различных модификаций (I, II и III) на сумму 10 000 фунтов стерлингов. Mark IV стал электрическим и интегрированным в так называемый стол наведения Дрейера (Dreyer Fire Control Table), разработанный адмиралом Дрейером (Sir Frederic Charles Dreyer), и превратился в вершину технологий управления огнем дредноутов в Первой мировой войне.
Продвинутой версией столика Дрейера, в который был интегрирован уже Argo Clock, стал Admiralty Fire Control Table (A.F.C.T., использовался в разных модификациях вплоть до линкоров Второй мировой войны класса «Кинг Джордж V»). Последними моделями дюмаресков стали упрощенные Mark VIII – Mark XII, неподходящие для интеграции с современными приборами управления огнем и использовавшиеся до конца Второй мировой войны на вспомогательных кораблях.
Именно дюмареск Mark I вместе с дальномерами Barr & Stroud Тринг помогал осваивать Императорскому флоту Японии. Вообще, о Цусиме и о русском и японском огне на ВО существует отличный цикл статей, например, эта.
В Российской Империи похожие системы разрабатывал Николай Карлович Гейслер, изобретатель, владелец «Электромеханического завода Н. К. Гейслер и К°». Позже на первых русских линкорах класса «Севастополь», введенных в строй в 1915 году, в СУАО ГК входили приборы системы Гейслера обр. 1910 года и переделанный на основе Argo Clock и автомата курсового угла и расстояния, разработанного в 1912 году А. Н. Крыловым, ЦАС конструкции Николая Александровича Федорицкого.
Вообще, все эти конструкции были чрезвычайно примитивны, и полной автоматизации (за вычетом поправок на силу ветра, которые вводились вручную), удалось добиться только англичанам с их столиком Дрейера (подробнейший разбор всех систем можно встретить здесь).
Машина лорда Кельвина на 7 интеграторах для использования в метеорологии. Ключевая идея интегратора Форда и схема первого Rangekeeper. Torpedo Data Computer, еще один сложный прибор наведения. Дифференциальный анализатор Буша (из книги Stefan Drechsler, Barbara Haeberlin «Cones, Disks, Wheels and Spheres for Area and Integration from Bavaria to Boston and beyond»)
О сложности стрельбы на море (а теперь представьте, каково было разрабатывать зенитные орудия, принимая во внимание разницу в размерах, скорости и маневренности корабля и самолета) лучше всего говорит тот факт, что во время Ютландского сражения, хоть британцы и имели самую лучшую систему управления огнем в мире на тот момент, только 3 % их выстрелов поразили цели.
Американцы подошли к проблеме более фундаментально.
После Первой мировой войны они по-настоящему задумались о значительном усовершенствовании флота, разработка приборов управления огнем шла полным ходом, и максимальный вклад в это внес уже упомянутый Ганнибал Форд. В 1915 он уволился из Sperry, чтобы организовать свою собственную компанию – Ford Marine Appliance Corporation (позже Ford Instrument Company, после войны – поглощена Sperry).
Уже в 1917 году он представил свой первый продукт – Ford Range Keeper Mk. 1, систему управления огнем на основе дальномера – технику того же класса, что и Argo Clock. Установленный на USS Texas Mk. 1 рассчитывал по тем временам поразительное количество непрерывных функций в реальном времени: он определял вектор скорости, путем интегрирования этого вектора определял дальность до цели и вычислял относительную скорость под прямым углом к линии видимости. Самым ценным компонентом Mk. 1 стал изобретенный Фордом новый тип интегратора, чрезвычайно технологичный и надежный, впоследствии именно его конструкция легла в основу всех машин такого класса.
К концу Первой мировой войны британцы и янки были единственными, кто обладал настолько продвинутыми системами управления огнем.
Вашингтонский военно-морской договор 1922 года почти на десятилетие приостановил развитие флота, компания Форда бедствовала, но продолжала вести изыскания. В конце 1920-х годов Форд начал разработку первого в мире зенитного компьютера и быстро выяснил, что эта проблема куда более сложна, чем огонь по кораблям противника. Спустя десятилетие, к концу 1930-х Vickers (например, Vickers No.1 Mk III) и Sperry создали ПУАЗО против высотных бомбардировщиков, однако низколетящие самолеты представляли собой совершенно иную проблему – слишком высокая угловая скорость и малое время огневого контакта.
Майор Керрисон (A. V. Kerrison) из исследовательской лаборатории Адмиралтейства в Теддингтоне разработал первую версию ПУАЗО, решающую эту проблему – Kerrison Predictor (в США выпускался как M5 Antiaircraft Director). Прибор оказался способен поразить все, что летит по прямой, и был особенно эффективен против пикирующих бомбардировщиков. Однако он также включал более 1 000 прецизионных деталей и весил более 230 кг, несмотря на то, что большая часть его была изготовлена из алюминия. Учитывая потребности RAF в алюминии, Predictor оказался слишком сложным для массового производства. В комплекте с прибором также шел дизель-генератор для его работы, что еще более затрудняло его применение.
Sperry создали аналог этого прибора чуть ранее, более быстрый и точный (и еще более сложный и дорогой, 11 000 деталей, более 400 кг веса) M7 Computing Sight, тем не менее Kerrison No.7 массово использовался армией США.
Интеграторы Форда – это не только море. Аналогичные системы использовала вся американская армия. US Navy Mk IV Torpedo Data Computer – самый продвинутый компьютер управления торпедным огнем Второй мировой войны, легендарный бомбовый прицел Norden, чья разработка обошлась в сумму чуть меньшую, чем атомная бомба, и такой же секретный, инерциальная платформа наведения Bendix ST-120 Stabilizing Platform для ракеты Pershing-1. Интеграторы с шариковыми дисками использовались в аналоговых компьютерах наведения систем баллистических ракет вплоть до середины 1970-х годов (фото https://alchetron.com, http://www.glennsmuseum.com/ и мануал к ракете – Pershing ST-120 Stabilizing Platform Familiarization)
Форд тоже продолжал исследования в области баллистических вычислителей, и их венцом стала Ford Mark 37 Gun Fire Control System с баллистическим вычислителем Ford Mark 1A Fire Control Computer для борьбы с самолетами (лучшая в мире система корабельного ПВО времен Второй мировой войны) и Ford Rangekeeper Mark 8 – вершина систем управления огнём крупной корабельной артиллерии.
Эта система использовалась на линкорах класса «Айова» и управляла 16-дюймовыми орудиями всех четырёх судов с момента их ввода в действие во время Второй мировой войны до бомбардировки иракских войск в феврале 1991 года во время войны в Персидском заливе.
Последним апгрейдом системы, введенным в строй во время Корейской войны, стал Mark 48 – компьютер для атаки на побережье и ведения непрямого огня по целеуказанию с самолета-разведчика, собственного дрона линкора (с конца 1980-х) или спутника. Mark 48 вычислял параметры стрельбы, затем передавая данные Rangekeeper или Mark 1A, в зависимости от того, какие орудия использовались для бомбардировки.
Центральный пост управления огнем на HMS Belfast с Admiralty Fire Control Table и USS Iowa с Ford Mark 37 Gun Fire Control System (фото www.en.wikipedia.org, https://www.reddit.com)
Желающие получить больше информации о советских корабельных зенитках могут сделать это в прекрасных статьях «Зенитное вооружение советских линкоров» и «О загадках ПУАЗО советских линкоров и о малокалиберном недоразумении 21-К» здесь же, на ВО.
Баллистический компьютер линкоров класса Yamato – Type 98 Hoiban Fire Control Table, был примерным аналогом машин Форда. По центру – план размещения оборудования для управления огнем на линкорах «Айова», легендарный Mark 1A Fire Control Computer весом 1 300 кг, для работы требовалось более 20 сервоприводов, суммарно потреблявших 16 кВт. Снизу – схема управления огнем линкоров «Айова» и компьютер для атаки на побережье Mark 48 (фото http://gau-ando.sakura.ne.jp, www.en.wikipedia.org, https://www.okieboat.com/).
Итак, проблема баллистических вычислителей была успешно решена американцами к началу Второй мировой войны – их зенитные системы и так уже были лучшими в мире. Осталось добавить последние компоненты: радары и радиовзрыватели.
Ванневар Буш
И тут на сцене появляется Ванневар Буш.
Буш родился в Массачусетсе в семье пастора в 1890 году, в 1913 он закончил престижный частный университет Тафтса, уже зарекомендовав себя как толковый инженер и автор нескольких патентов. Именно тогда в нем проснулся интерес к области, которая оказалась критически важна для войны на Тихом океане (а также для разработки бомбовых прицелов, создания ядерного оружия и т.д.) – принципам решения дифференциальных уравнений с помощью электромеханического моделирования. Кроме того, популярный студент Буш побывал президентом и вице-президентом своего потока и уже тогда показал таланты администратора, в частности, руководя вузовской командой по регби.
После университета он поступил на работу в General Electric, в начале Первой мировой войны служил в береговой инспекции ВМС США и одновременно преподавал математику и электротехнику в университете Тафтса, став доцентом. За 1916–1917 годы Буш умудрился получить дипломы инженера в Гарварде и лучшем техническом вузе мира, легендарном MIT.
Во время работы в Тафтсе он сотрудничал с American Radio and Research Corporation (AMRAD), руководя их лабораторией, а в 1917 году, после вступления США в войну, перешел на работу в Национальный исследовательский совет (National Research Council). В 1922 году уже в MIT Буш издал первую книгу (Principles of Electrical Engineering).
С финалом войны кончились и военные контракты AMRAD. Для того, чтобы поправить дело, Буш вместе с Элом Спенсером (John Albert Spencer) разработал термостатический выключатель и при поддержке Лоуренса Маршалла (Laurence K. Marshall) и Ричарда Олдрича (Richard Steere Aldrich) основал Spencer Thermostat Company (фирма жива до сих пор как Sensata Technologies).
В 1924 году Буш и Маршалл объединились с физиком Чарльзом Смитом (Charles G. Smith) для создания стабилитрона тлеющего разряда – нового типа ламп, применяемого для выпрямления тока в цепях питания. Это устройство, получившее коммерческое название «Raytheon» – «божественный луч» совершило революцию в радио, сделав его по-настоящему массовым. До создания стабилитрона блоки питания занимали такой размер, что рации Первой мировой упаковывались в небольшую тележку. В итоге, основанная Смитом в 1922 году American Appliance Company (пытавшаяся производить холодильники) была переименована в Raytheon Manufacturing и в интербеллум стала ведущей корпорацией мира по производству электронных трубок всех видов, сделав Буша миллионером.
Мир вашему дому. Эволюция продукции Raytheon от электронных ламп до Raytheon Tomahawk Block IV (фото https://www.ebay.com/ и рекламный плакат Raytheon)
В годы войны Raytheon стала основным разработчиком радаров всех типов, что привело к забавному побочному эффекту – в 1945 году инженер компании Перси Спенсер (Percy LeBaron Spencer) случайно подверг воздействию магнетрона шоколадку и изобрел тем самым микроволновую печь.
В 1948–1953 годах Raytheon занималась разработкой самонаводящихся ракет, окончательно закрепив свой статус одной из главных военных корпораций мира. Ракеты AGM-65 Maverick, AGM-88 HARM, AIM-7 Sparrow, AIM-9 Sidewinder и знаменитые BGM-109 Tomahawk и FIM-92 Stinger – вот лишь краткий перечень их продукции.
В 1923 году Буша избирают профессором MIT, позже в 1936 его аспирантом станет легендарный инженер, математик и криптоаналитик Клод Шеннон (Claude Elwood Shannon), отец теории информации. В 1929 он в соавторстве с нашим следующим главным героем – Норбертом Винером, пишет фундаментальный учебник (Operational Circuit Analysis).
Накопив огромный опыт исследований и имея доступ к лучшим в мире лабораториям MIT, Буш возвращается к своему увлечению – поиску аналогий между решением дифференциального уравнения и электромеханическими процессами.
Следует отличать дифференциальные анализаторы от простых модельных интеграторов, которые были чрезвычайно популярны в СССР (в силу того, что вплоть до краха Союза количество компьютеров в нем так и не смогло сравниться с потребностями). Типичный интегратор представляет собой куда более примитивную машину – по сути, физическую модель (гидравлическую или электрическую) определенной системы, с настраиваемыми в некоторых пределах параметрами. Эти параметры долго и тщательно выставляются, затем интегратор включается и мгновенно выдает решение дифференциального уравнения в аналоговом виде (как правило, графически).
Простой интегратор, в отличие от дифференциального анализатора, не является универсальной вычислительной машиной, он моделирует конкретный процесс, для которого выставлены все нужные параметры.
Первый электрический интегратор в нашей стране, как мы уже писали, построил в 1939 году Брук, за что и стал членом-корреспондентом, до этого настолько сложных машин в СССР не было. Интегратор Брука занимал площадь более 60 кв. м., ввод параметров осуществлялся подстройкой резисторов, выбираемых поворотами более чем тысячи колесиков. Для ввода условий было необходимо повернуть каждое в нужное положение, на настройку перед запуском уходило от дня до нескольких недель!
Интегратор позволял с некоторым приближением решать дифференциальные уравнения до 6-го порядка. Он использовался в нефтехимической промышленности для расчета уравнений и систем подземной гидравлики и температурных полей. В 1947 году Н. Н. Леновым был создан еще более громоздкий интегратор ЭДА, предназначенный для интегрирования уравнений до 20-го порядка.
Апофеозом стало создание в 1955 году на Пензенском заводе по заказу Министерства нефтяной и газовой промышленности чудовищного электроинтегратора ЭИ-С, решающая часть которого представляла сетку площадью двести квадратных метров! Работал он на ламповых операционных усилителях (всего более 8 500 ламп, хватило бы на полтора UNIVAC), потреблял неописуемые 60 кВт (!) электроэнергии и требовал 8 человек персонала.
Отечественные источники с гордостью пишут, что крупнее этого монстра не существовало: ЭИ-С позволял моделировать одновременную работу более пятисот эксплуатационных и двухсот пятидесяти нагнетательных нефтяных скважин. Безусловно, это было так, но интегратор еще больших размеров, не был повторен на Западе не из-за технического убожества США, а из-за того, что в эпоху IBM 790 был там никому не нужен. У нас же эта машина использовалась около 15 лет и, кроме нее, было разработано огромное количество узкоспециализированных электрических моделей: для определения магнитного поля в полупространстве (ЭП-41), решения одного бигармонического уравнения в теории упругости (ЭМ-6-БУ) и даже определения момента прекращения продувки в конверторе на конкретной линии Криворожского комбината («Углерод»).
В целом в СССР интеграторы, преимущественно для систем уравнений Лапласа, Пуассона и Фурье, использовались до 1980-х годов, играя роль «суперкомпьютеров для нищих», позволяя с большим трудом и не очень точно, зато массово решать сложные инженерные задачи в условиях тотальной нехватки более современной техники. А. Колесов из журнала «Компьютерра» в № 26 за 1997 год рассказал, как были организованы расчёты в лабораториях знаменитого МИФИ:
«Первое знакомство с аналоговыми вычислительными машинами… я получил в МИФИ в середине 70-х годов, а на практике мне пришлось столкнуться в 80-м, когда перешел на новую работу и попал в лабораторию моделирования геофильтрационных процессов…
Это был здоровый шкаф размером 4х2,5х1,5 метра, в котором находилось коммутационное поле и куча каких-то реле, источников питания, проводов и пр. В отдельных шкафах лежали груды сопротивлений и емкостей разных номиналов.
Для судьбы же ЭИ 80-й год стал решающим – в институте вводилась в эксплуатацию первая собственная EC-1022, а в лаборатории – единственная в институте СМ-1.
Тем не менее, в конце 1980 года мне удалось стать свидетелем использования ЭИ. Почти неделю два-три сотрудника выполняли расчет электрических параметров модели. Потом в течение двух недель они проводили коммутацию и настройку интегратора.
Само вычисление произошло мгновенно – в момент включения рубильника, но съемка и обработка полученных результатов заняла еще пару дней.
Затем считался новый вариант – корректировка параметров, запись результатов (еще два-три дня) и т.д.
Одновременно я в тестовом режиме решал ту же задачу на СМ-1 (32 Кб оперативной памяти), для которой уже написал соответствующую программу. Решение одного вариант занимало 3–40 минут (модель была очень чувствительна к исходным данным).
Коррекция исходных данных для одного варианта и распечатка результатов требовали еще 10–15 минут. Сравнение результатов расчетов на ЭИ и СМ-1 выявили несколько ошибок в программе, но еще больше – ошибок при коммутации и замерах данных на ЭИ.
Через пару недель таких параллельных расчетов, начлаб приказал выключить ЭИ и продолжать расчеты только на СМ-1.
Уже через год работы на ЕС и СМ ЭВМ нам было даже как-то неловко вспоминать примитивность математической модели, которая была пределом для того ЭИ. Но списали и выкинули его только через 5 лет, когда переезжали в другое помещение – все это время на «протирку контактов» ЭИ ежемесячно выписывалось по пять литров спирта».
Это был здоровый шкаф размером 4х2,5х1,5 метра, в котором находилось коммутационное поле и куча каких-то реле, источников питания, проводов и пр. В отдельных шкафах лежали груды сопротивлений и емкостей разных номиналов.
Для судьбы же ЭИ 80-й год стал решающим – в институте вводилась в эксплуатацию первая собственная EC-1022, а в лаборатории – единственная в институте СМ-1.
Тем не менее, в конце 1980 года мне удалось стать свидетелем использования ЭИ. Почти неделю два-три сотрудника выполняли расчет электрических параметров модели. Потом в течение двух недель они проводили коммутацию и настройку интегратора.
Само вычисление произошло мгновенно – в момент включения рубильника, но съемка и обработка полученных результатов заняла еще пару дней.
Затем считался новый вариант – корректировка параметров, запись результатов (еще два-три дня) и т.д.
Одновременно я в тестовом режиме решал ту же задачу на СМ-1 (32 Кб оперативной памяти), для которой уже написал соответствующую программу. Решение одного вариант занимало 3–40 минут (модель была очень чувствительна к исходным данным).
Коррекция исходных данных для одного варианта и распечатка результатов требовали еще 10–15 минут. Сравнение результатов расчетов на ЭИ и СМ-1 выявили несколько ошибок в программе, но еще больше – ошибок при коммутации и замерах данных на ЭИ.
Через пару недель таких параллельных расчетов, начлаб приказал выключить ЭИ и продолжать расчеты только на СМ-1.
Уже через год работы на ЕС и СМ ЭВМ нам было даже как-то неловко вспоминать примитивность математической модели, которая была пределом для того ЭИ. Но списали и выкинули его только через 5 лет, когда переезжали в другое помещение – все это время на «протирку контактов» ЭИ ежемесячно выписывалось по пять литров спирта».
Начиная с 1927 года, Буш строит свой дифференциальный анализатор – аналоговый компьютер, который мог решать дифференциальные уравнения с 18 переменными.
Это изобретение возникло в результате предыдущей работы Герберта Р. Стюарта (Herbert R. Stewart), одного из его магистрантов, который по предложению руководителя в 1925 году создал интеграф – устройство для решения дифференциальных уравнений первого порядка.
Другой студент Гарольд Хейзен (Harold Locke Hazen, в будущем – выдающийся электроинженер) предложил расширить устройство для решения уравнений второго порядка.
Буш сразу же понял потенциал такого изобретения и вместе с Хейзеном проект был закончен к 1931 году. Именно создание этой машины привлекло к Бушу внимание общественности, администрации президента и лично Франклина Рузвельта, за разработку дифференциального анализатора он был награжден медалью Луиса Э. Леви Института Франклина (сейчас это медаль Франклина, ее вручают выдающимся инженерам, одна из самых престижных наград в мире, которой дважды удостаивались и русские ученые – Боголюбов и Капица).
Машина Буша состояла из 6 механических интеграторов (модели Форда) и была настолько продвинутой, что Дуглас Хартри (Douglas Rayner Hartree) из Манчестерского университета привез ее чертежи в Англию, где в течение 1934 года собрал прототип такой же машины, а к 1939 году Metropolitan-Vickers построил еще 4 – для Кембриджа, Королевского университета Белфаста и Королевского авиационного института в Фарнборо. Позже эти машины использовали для расчетов знаменитой «прыгающей бомбы» Vickers Type 464, которой были уничтожены Рурские плотины.
Идеи Буша нашли отклик не только в Англии, в Осло в 1938 году была закончена разработка анализатора, основанного на тех же принципах, что и машина MIT, но на 12 интеграторах, что сделало ее самой большой в мире.
В США конструкция Буша была воплощена в дифференциальных анализаторах Лаборатории баллистических исследований в Мэриленде и Школе электротехники Мура в Пенсильванском университете в начале 1940-х годов.
В начале 1930-х годов Буш обратился к Фонду Рокфеллера, чтобы получить грант на новую машину. Главу отдела естественных наук фонда Уоррена Уивера (Warren Weaver) сначала убедить не удалось. Однако Буш разрекламировал безграничный потенциал своей новой машины относительно научных применений – особенно в математической биологии, любимом проекте Уивера. Также Буш обещал многочисленные улучшения анализатора, в том числе возможность быстро переключать его с одной проблемы на другую, как телефонный коммутатор.
В 1936 году его усилия были вознаграждены грантом в 85 000 долларов, выделенных на создание нового устройства, которое позднее назвали Rockefeller Differential Analyzer (RAD).
К сожалению, Буш, который стал вице-президентом MIT и деканом инженерного факультета, не мог уделить много времени руководству разработкой, фактически вскоре он самоустранился, занявшись обязанностями председателя Института Карнеги в Вашингтоне.
Буш ощущал приближение войны, и у него было несколько научных и производственных идей, которые могли послужить нуждам вооружённых формирований, он хотел находиться поближе к центру сил, где мог бы эффективнее влиять на решение тех или иных вопросов.
Рокфеллеровская машина была завершена лишь в 1942 году. Военные сочли её полезной для поточного производства баллистических таблиц для артиллерии. Чудовищный компьютер состоял из 2 000 электронных ламп, 200 миль провода, 150 серводвигателей и тысячи реле, машина весом 100 тонн использовала передовой в те годы метод ввода информации с помощью перфокарт и безостановочно проработала с полной нагрузкой до конца войны, перемалывая сложнейшие дифференциальные уравнения.
По словам историка Робина Боаста (Robin Boast),
RDA был революционным механизмом и позже был признан одной из важнейших вычислительных машин Второй мировой войны.
С рокфеллеровской машиной работал Шеннон, и она произвела на него огромное впечатление.
Буш понял, что механические передачи снижали эффективность: чтобы выполнить вычисления, требовалось настроить машину, на что уходило много человеко-часов работы квалифицированных механиков.
Новый анализатор лишился этого недостатка. В основе его конструкции был не стол со стержнями, а координатный коммутатор – лишний прототип, пожертвованный Bell Labs. Вместо передачи мощности от центрального вала каждый интегральный модуль независимо приводился в действие электромотором. Для настройки машины на решение новой задачи достаточно было просто сконфигурировать реле в координатной матрице, чтобы соединить интеграторы в нужной последовательности.
Считыватель перфоленты (позаимствованный из другого телекоммуникационного устройства – рулонного телетайпа) считывал конфигурацию машины, а релейная схема преобразовывала сигнал с ленты в управляющие сигналы для матрицы – это походило на установление серии телефонных вызовов между интеграторами.
Шеннон высказался так:
«По сути, это математический робот. Приводимый электричеством в действие автоматон, созданный не просто для того, чтобы снять с человеческого мозга бремя тяжёлых вычислений и анализа, но и для того, чтобы наброситься на математические задачи, не подвластные умственному решению, и решить их».
Машины Буша использовались в том числе для Манхэттенского проекта, а самыми мощными стали дифференциальные анализаторы General Electric (первый установлен в Калтехе в 1947 году и обошелся в 125 000 долларов), серия из 4-х таких приборов использовалась до начала 1950-х.
Как мы помним, Буш обладал и выдающимися талантами администратора, очень быстро он стал первым вице-президентом MIT и деканом инженерного факультета. В мае 1938 года Буш принял назначение на должность президента Института Карнеги в Вашингтоне.
Один из самых престижных НИИ в стране мог позволить тратить 125 000 долларов в месяц на исследования (чудовищная сумма, при том, что RDA стоил всего 85000) – около 2,5 миллионов по нынешнему курсу. Теперь он мог влиять на исследовательскую политику в США на самом высоком уровне и неофициально консультировать правительство по научным вопросам.
В том же году он стал председателем Национального совета по аэронавтике (с 1958 года известного как NASA), и он же настоял на создании новой лаборатории в Саннивейле (Калифорния), сейчас – крупнейший в мире центр космических и компьютерных исследований.
Весь конец 1930-х годов Буш провел в наблюдении за эскалацией напряженности в Европе, отлично понимая, что дни мира подходят к концу. В то время наука США практически никак не взаимодействовала с правительством, и Буш решил это исправить.
Он понимал, что только консолидация разрозненных коллективов, частных компаний и лабораторий и научных центров вместе с вливаниями государственного финансирования помогут подготовиться к войне, а затем и выиграть ее.
Напомним, что янки, как и англичане, отведали окопных ужасов Первой мировой войны (хоть и в последний год) и вовсе не горели желанием их повторять, кроме того, они отлично понимали, что грядущая война станет войной технологий и умов.
В июне 1940 года, после вторжения немцев во Францию, Бушу, пользуясь своим авторитетом, удалось пробиться к президенту Рузвельту (через его дядю Фредерика Делано, куратора Института Карнеги, сам Рузвельт Буша недолюбливал за его критику нового курса) и представить ему короткий, на одном листочке, документ, содержащий план координации военных исследований страны.
Управление научных исследований и разработок
По утверждениям современников, Рузвельт размышлял не более 15 минут и тут же утвердил создание Национального комитета оборонных исследований (National Defense Research Committee, NDRC). В 1941 году Комитет был преобразован в Управление научных исследований и разработок (Office of Scientific Research and Development, OSRD), получающее финансирование напрямую от Конгресса и имеющее полномочия тратить его на любые военные исследования.
Так за четверть часа Буш стал самым влиятельным ученым в США.
Заместитель президента MIT великого физика Комптона, Альфред Лумис (Alfred Lee Loomis) позже высказался, что
«среди людей, чья смерть летом 1940 года была бы самым большим бедствием для Америки, президент занимает первое место, а доктор Буш – второе».
OSRD имел широчайшие полномочия, относящиеся не только к радиоэлектронике – например, они занимались медицинскими исследованиями, в частности, развернули массовое производство антибиотиков (пенициллина и сульфаниламидов, также известных как стрептоциды).
В организации работало 850 штатных сотрудников, OSRD участвовало в выполнении около 2 500 контрактов, на сумму более 536 миллионов долларов (более 10 миллиардов в современных ценах).
После войны наследником OSRD стало знаменитое DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) – Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны, второй ведущий военно-научный кластер США, наряду с RAND Corporation.
Для тех, кто не в курсе – именно DARPA мы обязаны тем, что уважаемые читатели могут просматривать сейчас эту статью, потому что DARPA – это изобретение и внедрение Интернета, серверов и маршрутизаторов, миникомпьютеров, операционных систем BSD и много другого, без чего мы, в принципе, не представляем современную жизнь.
Более того, разрабатывая дедушку WWW – ARPANet, управление опиралось напрямую на идеи Буша, высказанные им в эссе 1945 года (As We May Think) и в нереализованном из-за войны проекте Memex – машине обработки и хранения информации на основе гиперссылок (да, эта идея тоже принадлежит Бушу).
Мы уже упоминали о роли компании Raytheon в создании радаров, под это дело Буш создал знаменитую MIT Radiation Laboratory, в которой члены британской делегации Тизарда Таффи Боуэн (Edward George Bowen) и Джон Кокрофт (Sir John Douglas Cockcroft) изготовили магнетрон с резонатором – устройство, более совершенное, чем все, что видели американцы до того, с выходной мощностью около 10 кВт на 10 см, достаточной для того, чтобы заметить перископ всплывшей подводной лодки ночью с самолета.
К середине 1941 года Radiation Laboratory разработала радар SCR-584, мобильную радиолокационную систему управления огнем для зенитных орудий – как мы уже упоминали, самый совершенный радар Второй мировой войны, один из главных компонентов истинно кибернетической системы ПВО. Бюджет RadLab составлял невообразимые 4 миллиона долларов в месяц (75 миллионов в ценах 2020 года), там трудилось более 4 000 человек, включая примерно пятую часть лучших физиков планеты. SCR-584 был шедевром техники, способным засечь и отобразить на экране полет 155-мм снаряда.
В сентябре 1940 года Норберт Винер обратился к Бушу с предложением создать цифровой компьютер, но тот отказался предоставить финансирование для этого проекта. Буш считал, что война закончится раньше, чем компьютер будет готов.
Тогда в 1943 году финансирование предоставила армия, и к декабрю 1945 ENIAC был готов, как раз вскоре после конца войны.
В принципе, это можно счесть его ошибкой (хотя Винер бы, конечно, постройку никакого компьютера не осилил), так как проект запоздал именно из-за недостатка финансирования, но справедливости ради янки выиграли войну и без него, а колоссальные вложения Буша в зенитную артиллерию, радары и системы управления огнем как раз оказались критичны для победы.
Вообще, он исходил из философии разработки только того, что поможет в войне здесь и сейчас, и часто ходил буквально по лезвию между удачным решением и катастрофическим провалом. Он предпочел радары и радиовзрыватели проекту ENIAC, что было стратегически верно, но чуть не зарубил проект атомной бомбы, не веря, что ее можно закончить до конца войны.
Тем не менее, когда в 1940 году от британских физиков из M.A.U.D. commitee пришло подтверждение, что ядерное оружие абсолютно реально, и даже немцы могут им овладеть, Буш немедленно изменил позицию и уже предпринял все возможные усилия для организации Манхэттенского проекта, а в конце войны рекомендовал немедленно применить бомбу против Японии.
Следующим важнейшим компонентом системы управления огнем стал бесконтактный взрыватель – третья по секретности военная технология США после ядерного оружия и бомбового прицела Norden, который также представлял собой сверхсложный аналоговый компьютер (в разработку было вложено около 1,5 миллиардов долларов в современных ценах, выпускался с 1932 года и был самым совершенным прицелом Второй мировой войны, позволял при скорости самолёта свыше 500 км/ч с высоты 6 км попадать в тридцатиметровый круг).
Бесконтактный взрыватель был абсолютным техническим шедевром своего времени.
Миниатюрный радар непрерывного действия вместе с питанием должен был поместиться в снаряд, причем электронные лампы радара должны были выдержать ускорение 20 кДж при выстреле и 500 об/сек в полете.
В 1942 году на тестировании зенитной системы только что спущенного на воду крейсера USS Cleveland (CL-55) против беспилотников испытания, рассчитанные на два дня, прекратились в первый же час, поскольку все три дрона были сбиты всего четырьмя снарядами.
Чтобы сохранить секрет бесконтактного взрывателя, его использование первоначально было разрешено только над водой, где несработавший снаряд не мог попасть в руки врага, после ударов V-1 по Лондону и Антверпену армия получила разрешение на использование этого оружия на суше.
Самолеты-снаряды оказались действительно страшным оружием – несмотря на их техническое несовершенство, британская система ПВО не была рассчитана на противодействие невиданным целям и сбивала не более четверти крылатых ракет.
Стоимость их была невелика (не более 1 % от цены бомбардировщика), клепать их можно было миллионами и, если бы V-1 появились в ходе Первой битвы за Британию, неизвестно, чем бы она кончилась, тем более что применение их было чрезвычайно выгодно. Даже с учетом всех потерь ракет, оставшиеся разносили имущества на сумму, куда большую, чем себестоимость V-1, и очень эффективно окупались, не говоря уже о психологическом эффекте от их налетов.
M5 gun director (1944 год), легендарный радар SCR-584, снизу – оригинальный американский радиовзрыватель Mark 32,, невероятное чудо техники на 5 лампах (!) в миниатюрном корпусе, секрет был, в конце концов, украден Советами, и рядом мы видим его, так сказать, нелицензионную копию – АР-30 (фото https://military.wikia.org, https://www.allpar.com, https://vikond65.livejournal.com)
Однако американская система ПВО была настоящим железным куполом.
После развертывания в Британии батарей, аналогичных установленным на линкорах «Айова», доля уничтоженных самолетов-снарядов мгновенно подскочила с 24 % до 79 %. Генерал Фредерик Пайл (Sir Frederick Alfred, 2nd Baronet Pile), командующий ПВО Англии во время Второй битвы за Британию, вспоминал (и писал потом в своих мемуарах Ack-Ack: Britain's Defence against Air Attack during the Second World War):
В один из воскресных дней немцы запустили 105 самолетов-снарядов через Ла-Манш, но долетели только три.
Он же отметил уникальную особенность Второй мировой войны с точки зрения Союзников – еще более поразительную, если задуматься, чем использование атомной бомбы (и, в отличие от бомбы, полностью ускользнувшую от осознания Советами, Германией, да и вообще всеми прочими сторонами конфликта). Никогда ранее в истории автоматическое оружие не сталкивалось в битве с другим автоматическим оружием.
В небе над Британией осенью 1944 года впервые в мире участие людей в битве было чисто номинальным. Люди разворачивали систему ПВО и запускали роботизированные ракеты, и этим их участие в конфликте и исчерпывалось. Далее машины сражались с машинами, человек был лишним и слабейшим звеном в этой битве.
Мы увидели начало первой битвы роботов. Человеческий фактор был значительно сокращен, в будещем машины исключат его совсем,
писал в мемуарах Пайл.
Фактически современное развитие военного дела пришло именно к этому.
Немецкое контрнаступление в Арденнах было остановлено, в том числе благодаря развертыванию гаубиц с аналогичными взрывателями, к концу 1944 года их выпуск дошел до 40 000 в сутки.
Историк Джеймс Бакстер (James Phinney Baxter III) констатировал:
Если рассматривать программу бесконтактного взрывателя в целом – масштаб и сложность усилий ставят ее в ряд трех или четырех самых выдающихся научных достижений войны.
Отметим, насколько удивительно гармонично, благодаря таким людям как Буш и Сперри, в США во время войны сплелись власть, бизнес и наука.
Фактически ценнейшим из всего значимого, созданного во время войны, стал этот симбиоз, уникальный для США и не повторенный с тех пор ни в одной стране мира.
Буш имел просто невероятный конфликт интересов – он был и совладельцем компании Raytheon, получавшей самые сочные военные заказы, и занимал высокие посты в Институте Карнеги и MIT, разрабатывающем оборудование для дальнейшего производства, и одновременно распределял огромные бюджетные средства и отвечал за работу коллективов из десятков ученых.
Он действительно был «Tzar of Science», только от него зависело, какой коллектив получит поддержку, какая лаборатория – финансирование и какая военная корпорация – лучший заказ.
Естественно, себя Буш не обидел – Raytheon заработала на войне миллиарды.
Во время войны OSRD выдавало контракты по своему усмотрению, причем половина бюджетных средств досталась всего восьми организациям. Больше всего средств получил MIT, который был явно связан с Бушем и его приближенными. Буш пытался продавить постановление, вообще выводящее OSRD из-под закона о конфликте интересов, но его усилия не увенчались успехом, в результате чего, он стал призывать к расформированию управления еще в 1944 году, когда большая часть его задач была выполнена.
Естественно, он был не во всем прав. Например, V-1 продемонстрировала серьезное упущение в портфолио OSRD: управляемые ракеты. Тем не менее эта ошибка была исправлена сразу же после войны, как мы помним, Raytheon стал ведущим производителем управляемых ракет в США, до начала войны же Буш заявлял:
«Я не понимаю, как серьезный ученый или инженер может играться с ракетами».
Забавно, но сам Буш так и не доверял ракетам до самой смерти, и в 1949 году в книге (Modern Arms and Free Men) писал, что МБР не будут технически осуществимы «еще долгое время, ...если вообще будут». В своей неприязни к ракетным технологиям он был похож на Кёртиса Лемея, величайший мастер бомбовых ударов в истории так до конца и не признал значимость ракет равной ценности его любимых бомбардировщиков.
Забавно вдвойне и то, что позиции величайших стратегических и административных умов США в этом вопросе оказались куда менее прогрессивны, чем позиция Никиты Хрущева, настоящего романтика ракет, у которого ракетным должно было быть все – от танков до крейсеров.
Однако вся система в целом отработала просто гениально.
К концу войны или по ее итогам были организованы крупнейшие научные кластеры за всю историю человечества – RAND Corporation, DARPA, NASA и еще один важнейший центр на Западном побережье – Стэндфордский индустриальный парк, основанный провостом Стэнфордского университета Фредериком Терманом (Frederick Emmons Terman). Первыми его резидентами стали два его выпускника – Уильям Хьюлетт (William Reddington Hewlett) и Дэвид Паккард (David Packard), известные нам как основатели Hewlett-Packard (а это далеко не только принтеры, HP – это осциллографы, первые миникомпьютеры и научные калькуляторы, первый графический интерфейс в мире, собственные микропроцессоры, серверы и, естественно, много-много военного оборудования).
Так началась история того, что сейчас называется Кремниевой долиной, и государственные военные заказы составляли 99 % вливаний в нее (примерно по 10 млрд долларов в год) вплоть до 1980-х годов.
В итоге заслуга Буша не только в его научных разработках, не только в мастерском администрировании сложнейшими проектами, благодаря которым американцы выиграли войну, но в самой идее тотального сращивания правительства, военных, ученых и бизнеса в одну колоссальную, несокрушимую гидру технического прогресса, равной которой в истории еще не было.
Именно цепочка, разработанная Бушем: бизнес платит налоги – военные просят новое оружие – государство дает грант – ученые разрабатывают – компании производят – получают прибыль – разрабатывают гражданские проекты уже для себя – получают еще больше прибыли – платят налоги, и цепочка замыкается, не была в такой полноте и совершенстве осознана ни одной другой страной в мире.
Не только социализму было нечего противопоставить абсолютной, безжалостной машинной эффективности этой схемы (кроме карикатур в «Крокодиле» на продажных западных ученых и буржуев-милитаристов на мешках кровавых долларов), но и ближайшим родственникам американцев – капиталистам-англичанам.
Настолько потрясающую логику непрерывного воспроизводства интеллектуальных достижений (и финансов заодно) не постигла ни одно государство в мире, результатом чего и стало доминирование американских компаний на всех высокотехнологичных рынках мира к началу 1970-х и массовое вымирание всех региональных производителей, шведского Data SAAB, итальянского Olivetti, французского Bull, англо-канадских Ferranti и Metrovick и многих-многих других.
Все это стало наследием OSRD. После его закрытия Буш надеялся, что финансирование фундаментальных исследований правительством (хотя уже в куда менее радикальных формах) будет продолжено. В 1944 году Рузвельт запрашивает у Буша рекомендации, какие уроки Второй мировой войны необходимо извлечь в области организации науки?
Он встретился с Трумэном, сменившим Рузвельта, в 1945 и представил ему доклад (Science, The Endless Frontier), в котором фактически изложил американскую доктрину работы с исследованиями, актуальную до сих пор. В этом меморандуме Буш выступал за финансирование из государственного бюджета фундаментальных научных исследований, проводимых совместно с университетами и промышленными предприятиями.
Буш предложил президенту программу реформирования науки из 4-х главных пунктов.
Во-первых, как можно скорее сообщить миру о вкладе, который был внесен в войну американцами, благодаря научным знаниям, то есть рассекретить их.
Во-вторых, организовать на основе государственной поддержки продолжение той работы, которая была проделана во время войны в медицине и смежных науках.
В-третьих, разработать меры для содействия исследовательской деятельности государственных и частных организаций.
В-четвертых, предложить эффективную программу выявления и развития научных талантов среди американской молодежи, для того чтобы уровень будущих научных исследований в США был сопоставим с тем, что было сделано во время войны.
Он писал:
Сегодня все понимают, что авторами всех замечательных изобретений являются яркие индивидуальности, но при этом редко задумываются о том, что для них нужно создавать соответствующие условия…
Правительство должно поддерживать фундаментальные исследования; финансировать следует конкретных ученых, а не проекты…
Необходимо финансировать наиболее перспективных исследователей, а потому поддерживать тех студентов, которые посвящают себя науке, вне зависимости от послужного списка и финансовых возможностей.
Правительство должно поддерживать фундаментальные исследования; финансировать следует конкретных ученых, а не проекты…
Необходимо финансировать наиболее перспективных исследователей, а потому поддерживать тех студентов, которые посвящают себя науке, вне зависимости от послужного списка и финансовых возможностей.
В 1946–1947 годах продолжались дебаты в Конгрессе между сторонниками своеобразного социализма в науке, а-ля СССР – назначением президентом особого администратора и отчуждением патентов на изобретения в пользу государства, и подходом Буша:
Дайте людям деньги и свободу, и они вернутся к вам с чем-то полезным.
В итоге закон забуксовал, и военные закрыли нишу, создав свое собственное Управление военно-морских исследований (Office of Naval Research, ONR).
Война приучила многих ученых работать без бюджетных ограничений, налагаемых довоенными университетами, они охотно искали финансирование у военных, и в итоге Буш помог создать Объединенный совет по исследованиям и разработкам (Joint Research and Development Board, JRDB) армии и флота, председателем которого он и стал.
После принятия Закона о национальной безопасности 26 июля 1947 года Бушу в 1950-м удалось, наконец, продавить закон о создании Национального научного фонда (National Science Foundation, NSF).
К 1953 году Министерство обороны тратило 1,6 миллиарда долларов в год на исследования (около 16 миллиардов в нынешних ценах).
Много это или мало по сравнению с СССР?
Проще всего произвести перерасчет в золоте. Как мы помним, Хрущев выделил на строительство Зеленограда 4 тонны желтого металла. Если мы обратимся к ценам за тройскую унцию в 1953 году (примерно 35 долларов), то нехитрая математика приведет нас к тому, что американцы тратили на науку в год около 1 300 тонн золота – в тридцать раз больше, чем мог позволить СССР!
В 1950-е американские физики тратили 70 % своего времени на исследования, связанные с обороной, 98 % денег, потраченных на них, поступило либо от Министерства обороны, либо от Комиссии по атомной энергии (AEC), которая заменила Манхэттенский проект.
С 1947 по 1962 год Буш входил в совет директоров AT&T. Он ушел в отставку с поста президента Института Карнеги и вернулся в Массачусетс в 1955 году. Скончался он в Массачусетсе в 1974 году, на его поминках профессор Джером Визнер (Jerome Bert Wiesner), председатель Консультативного комитета президента по науке (President's Science Advisory Committee, PSAC), заявил:
Ни один американец не оказал большего влияния на развитие науки и техники, чем Ванневар Буш.
В 1998 году комитет по науке Конгресса США опубликовал меморандум (Unlocking Our Future Toward a New National Science Policy), в котором признал, что основой государственной политики по отношению к науке остаются взгляды Ванневара Буша, выраженные в его программе «Наука – путь в бесконечность».
Наконец, нам осталось изучить достижения короля кибернетики, самого Норберта Винера, которого так ненавидели и ценили в СССР. Именно его идеями вдохновлялись советские ученые, вот только король, увы, оказался голым. Но об этом в следующей части.
Информация