История открытия
Румынский инженер Анри Коанда во время проведения испытаний своего экспериментального летательного аппарата, снабженного реактивным двигателем, но имеющего деревянный корпус, во избежание воспламенения корпуса от реактивной струи, установил защитные металлические пластины по бокам от двигателей. Однако эффект от этого получился обратным от ожидаемого. Истекающие реактивные струи по непонятным причинам стали притягиваться к этим защитным пластинам и находившиеся в районе их размещения деревянные конструкции планера могли воспламениться. Испытания закончились аварией, но сам изобретатель не пострадал. Все это происходило в самом начале XX века.
Биография
Родился в Бухаресте, второй ребёнок в большой семье. Отцом Генри Коанды был известный политик, генерал Константин Коанда, профессор математики в Национальной школе мостов и дорог. Мать, Аида Дане, была урождённой француженкой, дочерью врача Гюстава Дане.
С 1896 года учился в Национальном коллеже святого Саввы, через три года, в 1899 году, отец, желавший видеть его военным, перевёл Анри в военное училище в Яссы. В 1903 году Анри Коанда окончил военное училище в звании сержант-майора и продолжил обучение в Бухаресте в Школе артиллерийских, военных и флотских инженеров. В 1904 году он вместе со своим артиллерийским полком был командирован в Германию, где поступил в Высшую техническую школу в Шарлоттенбурге.
Хотя по образованию Коанда был инженером-артиллеристом, он больше интересовался проблемами воздухоплавания. В 1905 году он сконструировал самолёт для румынской армии. В 1907-1908 годах он продолжил обучение в Институте Монтефиори в Льеже, где познакомился с Джанни Капрони. В 1908 году Коанда вернулся в Румынию для прохождения службы офицером во Втором артиллерийском полку. Однако вскоре он обратился за разрешением выйти в отставку, и, после получения разрешения, совершил автомобильный рейд в Исфахан и далее в Тибет. По возвращении в Европу поступил в Париже во вновь открывшуюся Высшую Национальную Школу Инженеров и Авиаконструкторов. В 1910 году он закончил её, став первым в своём классе и получив специальность авиаконструктора.
При поддержке инженера Гюстава Эйфеля и математика и пионера авиации Поля Пенлеве, Коанда начал эксперименты по аэродинамике. Так, в одном из экспериментов он прикрепил измерительное устройство к поезду, идущему со скоростью 90 км/ч, чтобы изучить аэродинамику на такой скорости. В другом эксперименте он использовал аэродинамическую трубу для оптимизации профиля крыла самолёта. Позже этот эксперимент привёл к открытию эффекта Коанды.
В 1910 году в мастерской Джанни Капроне Коанда сконструировал первый прототип реактивного самолёта самолет Coandă-1910 с импеллерным двигателем и представил его на Втором Воздухоплавательном салоне в Париже. Самолёт использовал четырёхцилиндровый поршневой двигатель для привода компрессора, который должен был приводить в движение самолет за счет всасывания воздуха на входе в компрессор и создания потока воздуха на выходе. Коанда запатентовал эту технологию во Франции в 1910 году и в Великобритании и Швейцарии в 1911 году. Тем не менее, аппарат оказался неспособным к полёту, и технология не получила дальнейшего развития. Тем не менее Coandă-1910 считается одним из предшественников реактивной авиации.
С 1911 по 1914 годы Коанда работал в должности технического директора Bristol Aeroplane Company в Великобритании. Там он сконструировал ряд самолётов, известных как Bristol-Coanda Monoplanes. В 1912 году один из самолётов получил первый приз на Международном конкурсе военных самолётов.
В 1915 году, во время Первой мировой войны, Коанда снова переехал во Францию и работал в компании Делоне-Бельвиль в Сен-Дени. Там он сконструировал три поршневых самолёта, включая Coandă-1916, пропеллеры которых были расположены близко к хвосту. Позже аналогичный дизайн был использован в самолётах Caravelle, при конструировании которых Коанда был техническим консультантом.
Почтовая марка Молдовы, 2000 год
После Первой мировой войны он продолжал заниматься изобретениями, среди которых были аэросани и аэродинамический поезд. В 1934 году он запатентовал во Франции эффект Коанда.
Во время Второй мировой войны Анри Коанда оставался в оккупированной Франции, а в 1969 году принял решение вернуться в социалистическую Румынию, где был назначен директором Института научного и технического творчества. В 1971 году он, вместе с Элие Карафоли, создал кафедру авиационной техники в Бухарестском Политехническом Университете.
Физика явления
Эффект Коанда основывается на возникающей разнице давлений в потоке при наличии ограничивающей этот поток стенки, препятствующей свободному доступу воздуха с одной из сторон. Любой поток воздуха состоит из слоев, имеющих различную скорость. При этом экспериментально доказано, что сила трения между слоем воздуха и примыкающей твердой поверхностью меньше, чем между отдельными слоями воздуха. Тем самым скорость слоя воздуха, проходящего вблизи от поверхности, оказывается выше скорости слоя воздуха, отдаленного от этой поверхности.
Более того, на достаточно большом удалении скорость одного из слоев воздуха относительно поверхности вообще будет равна нулю. Получается неоднородное поле скоростей по высоте потока. В соответствии с законами газодинамики здесь возникает поперечная разница в давлении, отклоняющая поток в сторону меньшего давления, то есть туда, где скорость слоя воздуха выше — в сторону ограничивающей стенки. Подбирая форму сопла и поверхности, экспериментируя с расстояниями и скоростью, можно изменять направление потока в достаточно широких диапазонах.
Что удалось реализовать
Хотя зонт изобретателя поднять в воздух так и не удалось, эффект Коанда в авиации применяется, но, условно говоря, на второстепенных направлениях. Из наиболее выдающихся примеров можно привести, разработанный в 40-х годах вертолет без хвостового винта, функции которого по компенсации вращения несущего винта, выполняли установленные в задней части вентилятор и сопла со специальными направляющими. Эта же система позволяла управлять вертолетом по рысканью и тангажу. Это было применено на вертолетах MD 520N, MD 600N и MD Explorer.
На самолетах эффект Коанда — это, прежде всего, увеличение подъемной силы путем дополнительного обдува от двигателя верхней поверхности крыла, дающее максимальный эффект при выпущенной механизации, то есть когда крыло имеет максимально «выпуклый» профиль, позволяющий потоку уходить почти отвесно вниз. Это реализовано на советских самолетах Ан-72, Ан-74, а также Ан-70. Все эти машины обладают улучшенными взлетно-посадочными характеристиками, позволяющими использовать короткие полосы для взлета и посадки.
Из американской техники можно назвать «Боинг С-7», использующий тот же принцип, а также ряд экспериментальных машин. В послевоенный период было сделано много попыток создать летательный аппарат на принципах эффекта Коанда. Все они имели форму летающей тарелки, и все они, по истечении определенного времени, были закрыты из-за технических сложностей. Возможно, эти работы в строго охраняемой форме ведутся и в настоящее время.
Экспериментальная проверка
Эффект Коанда — это явление, которое можно проверить, не выходя из кухни. Если открыть воду в кране и поднести к струе воды плоскую пластину, то можно увидеть этот эффект воочию. Вода будет еле заметно отклоняться в сторону пластины. При этом, скорость потока воды может быть и не очень велика. В принципе, это явление наблюдается в любой среде: водной или воздушной. Главное — наличие потока среды и наличие поверхности, примыкающей с одной стороны к этому потоку.
Кстати, это явление имеет еще одно название — эффект чайника. Именно благодаря этому эффекту при наклоне чайника вода из него не попадает в чашку, а струится вниз по носику, заливая скатерть, а иногда и колени окружающих. Поскольку законы гидродинамики и аэродинамики в целом, за небольшими исключениями, практически тождественны, чтобы не повторяться, в дальнейшем эффект Коанды будет рассматриваться для воздушной среды.
Что еще придумал первооткрыватель
После открытия явления А. Коанда занялся его разработкой и поиском практического применения. Результатом его усилий стал патент на изобретение летающего зонта. Если в центре полусферы, похожей на зонт, установить сопла, выбрасывающие поток газов, то в соответствии с эффектом Коанда, этот поток будет прижиматься к поверхности полусферы и истекать вниз, создавая область пониженного давления над зонтом, толкая его вверх. Сам изобретатель называл это крылом самолета, свернутым в кольцо.
Попытки практической реализации этого изобретения успехом не увенчались. Причина — неустойчивость аппарата в воздухе. Однако, последние достижения в области интеллектуального управления неустойчивыми конструкциями в воздухе, так называемый принцип Fly by Wire, дает надежду на появление этого экзотического летательного аппарата.
Математика
В течение очень долгого времени описываемое явление вообще не признавалось, несмотря на его очевидность и относительную легкость экспериментальной проверки. Затем возникла необходимость теоретических расчетов силы и вектора этой силы, то есть сделать расчет эффекта Коанда. Такие расчеты были сделаны для разного типа струй.
Выведенные формулы достаточно громоздки и представляют собой сочетание дифференциального исчисления с тригонометрией. Но эти сложные и многоступенчатые расчеты могут дать лишь приблизительный результат. Разумеется, все это считается не на бумаге, а с использованием современных алгоритмов, заложенных в вычислительные машины. Однако реальные значения можно получить исключительно экспериментальным путем. Слишком много факторов влияет на этот эффект, и не все из них могут быть описаны с использованием математических формул.
