流量与水电一致性---水流计算机(务虚文)

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介绍液体火箭发动机的书籍很多，萨顿的《火箭发动机基础》和休泽尔的《液体火箭发动机现代工程设计》是经典之作，它们阐述了对发动机设计指标要求的实现过程，但这些指标要求又是怎么被提出来的呢？

本篇为发动机性能四连载（推力、比冲、混合比、流量）之四---流量。与前三者不同，流量还真没有太多好说的，本篇就务务虚，扯些与发动机本身无关却好玩的。

参考文献：

• 编码的奥秘，Petzold，机械工业出版社（强烈推荐）

• 射流技术及其应用，铁道车辆，1970(1)

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很多时候会将电路与流路进行对比，认为两者存在等价关系。如可将电流类比为流量，电压对水力压头，电池对泵，电阻对流阻，电容对蓄压器，电感对桨叶，都有如此的类比关系。而且，流体经过两个不同口径管路，流量是相等的；流体经过一个分支管路后，总流量等于分支流量之和，均与电流类似。

我们知道利用电可以制造出电子计算机，如果水流可以和电流类比，那么理论上是否可以制造出水流计算机呢？还真有讨论！我国这方面的研究在上世纪6、70年代比较火。

一直很好奇计算机为什么这么强大，这么通用，直到看到Petzold的《编码的奥秘》。计算机的关键在于加法运算、触发器（记忆信息）和自动逻辑控制（振荡器、计数器、译码器、选择器等），它们的基础都是逻辑门电路。

考虑如下的三个电路。电路中通过继电器供电后吸合开关。下图左的电路中，只有两个继电器同时吸合灯才亮，就是逻辑上的“与”门；下图中，只要任意一个继电器吸合灯就亮，这是逻辑上的“或”门；下图右是逻辑上的“非”门。

继电器组成的逻辑门电路（从左至右：与，或，非）

将“与”门与“非”门联合就是 “与非”门，类似还有“或非”门。另外还有“异或”门，就是两个输入不一致时输出1，否则输出0。可使用逻辑符号表示这些门电路。

逻辑门电路（从左至右：与、或、反、与非、或非）

另外还有异或门定义如下图所示：

逻辑门电路（异或门）

门电路的组合就构成了计算机的基础，譬如二进制数0和1的加法器（又称为一个半加器）。其逻辑关系表为

加法器逻辑表

被加数A	被加数B	和（相当于异或门）	进位（相当于与门）
0	0	0	0
0	1	1	0
1	0	1	0
1	1	0	1

可将半加器用下图的符号代替

逻辑门电路组成的半加器

如果输入中有进位信号，实际上相当于三个数的半加器（最后进位的半加器的输入永远不会有1、1情况，所以可用一个或门代替），称为一个全加器。其实现如下图

逻辑门电路组成的全加器

以上就是一个bit二进制信号的加法器（将多个全加器组合则可组成一个多位的加法器）。采用门电路实现了加法这个最基本功能，它不仅是计算机完成的所有复杂操作的基础和核心，而且几乎可以认为是全部。

保存信息的触发器也可以通过逻辑门电路实现，只不过需要将逻辑门组成一个回路。如下图，通过逻辑推演可知，保持位为1时，输出Q与数据端内容一致，当保持位为0时，输出Q保持以前值。此电路可以保持以前的信息，它有记忆性，可以“记住”最近一次的值。这就是最简单的一个电平触发的D型触发器，也称为锁存器。

逻辑门电路组成的锁存器

为了让计算机能自动操作，还需要振荡器、计数器、译码器、选择器等。除振荡器外，均可以通过门电路实现（振荡器通过机械方式实现，如电铃、压电陶瓷等，在非门灯泡的开关上增加一个弹簧就可以组成一个简单的振荡器。所有计算机都靠某种振荡器使其它部件同步工作）。

采用流体，同样可以实现各种逻辑门电路。组成其功能的基本元件为射流阀。由于管路的不对称性，经喷嘴喷出的射流（相当于电流）附于左壁，从输出通道1输出。若控制通道3（相当于电信号）有流动，则射流被切换向右壁，从输出通道2输出。这就是典型的“非”门信号，由此效应可以构造如下典型的门电路。类似还有“或门”和“与门”。

射流元件组成的逻辑门（从左至右：非、或、与）

通过门电路可以构造如下的半加器。当通道1或2中任一有输入时，则通道4有输出而3没有输出。当通道1和2都有输入时，通道3有输出而4没有输出。

射流元件组成的半加法器

再考虑如下元件，元件完全对称，则由喷嘴喷射出来的射流可附着于元件的任一壁面上。若先附于左壁，从输出通道1输出。当控制通道3给出控制流时，射流会切换至通道2，而且控制流3撤除时，射流仍保持在通道2。如要使射流切换回来，必须在通道4给出一控制流。这种元件具有信号放大和记忆的作用。是一典型的触发器。

射流元件组成的触发器

利用射流，可以实现各逻辑门部件，这就意味着，射流可以构成水力计算机的逻辑基础。但是否就意味着使用射流，可以实现水力计算机呢？笔者认为答案是否定的。

射流元件的可靠性也大大低于电气元件。如射流元件存在泄漏的隐患；射流元件的触发器状态依赖于系统的对称性，随着长时间运行，元件的磨损将破坏系统的对称性，撤去控制流后，系统可能会平衡在一种状态。正如第一台计算机ENIAC使用的电子管，运行一段时间后就会损坏，射流元件更容易损坏。

如果仔细数数，一个8位加法器需要用到144个继电器。一个64K字节的RAM阵列需要用到近500万个继电器。当我们回顾计算机历史上，根本没有建造继电器计算机。第一台计算机ENIAC使用的是真空管，而后被晶体管所替代。晶体管可靠性更高，速度更快，体积更小，更安静，更省电，而且可以通过光刻的手段进行批量生产制造。所以射流元件计算机在生产制造上也不存在可行性。

最关键的是，射流元件中不同组合，射流的速度和行程均不同，其缓慢的运行速度造成其到达时间的差异，须在每一层次设计时仔细比较和处理流动的时序特性，难度（复杂性和可靠性）将随指数增长，无法做到越往上游越简单。

门电路实现了计算机最基础的功能，整个计算机均为此功能基础的搭建。这是一种树状的抽象层次。计算机是树木的根，其下通过各种枝条到达树叶，而树叶就是逻辑门电路。这个复杂的层次结构能顺利构建的原因就是每一个层次，只需要用到下一层的逻辑结构，而不用关心其具体实现。仍以加法器为例，从加法器的角度，只需关心半加器的逻辑输入和输出，而输入输出的电气特性，如输出电压的幅值、输出电压的延迟等，都可以在设计范围内被裕度所包围。在存在触发器和自动操作部件处，其模型更为复杂，凸显出这种抽象层次带来的极大好处。而射流元件需流出排水孔，当存在大量射流元件时，排水的处理也将是一个大问题。如果多个元件共用排水腔，将涉及到射流窜腔的问题；如果每个元件使用一个腔引入排水池，每个元件都需要留个尾巴，也就无法做到层次化实现的结构。更不用说使用射流，还涉及气蚀、水击等特性，无一不影响逻辑层次的实现。因此，水力计算机几乎无法实现。

计算机是最复杂的系统工程的产物，其得以实现关键在于下一层次实现的可靠性，实现上不留尾巴；同时还依赖上一层次对下一层次实现的完全信任。只有做到这些，才能迭代前进，发展壮大。笔者认为，这也是计算机在短短50年内发展，超越人类千年积累的根本原因所在。

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