파닥이는 곤충 날개 위 소용돌이 규명…생체모방 차세대 드론 응용

곤충(나방) 날개가 만들어내는 작은 소용돌이는 이 소용돌이가 없을 때보다 비행성능을 두 배 가까이 향상시킬 수 있고, 그 소용돌이를 유지해 비행성능을 확보하려고 한다는 사실을 밝혀졌다. 

한국항공대 장조원 교수 연구팀이 밝혀낸 이 연구는 곤충 비행에서 최적의 가로세로 날개 형상과 최적의 비행속도 영역이 있다는 것을 최초로 규명한 연구로 향후 생체 모방형 차세대 드론은 물론 프로펠러, 터빈 등 다양한 공학적 개발에 폭 넓게 응용될 수 있다. 

이번 연구 성과는 유체역학 분야의 국제적 학술지 유체역학저널(Journal of Fluid Mechanics) 11월 3일자에 온라인 게재되었다. 논문명: The advance ratio effect on the lift augmentations of an insect-like flapping wing in forward flight_ 장조원(교신저자, 한국항공대학교), 한종섭(제1저자, KAIST), 한재흥(공동저자, KAIST). 

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▲ 새롭게 규명한 날개 위 소용돌이의 구조. 전진비에 따른 날개 윗면의 소용돌이(앞전와류)의 형태변화를 나타내는 그림이다(Journal of Fluid Mechanics, 2016). 날개가 동일한 위치에 도착할 때 고속 동기화 기법을 활용해 각각의 단면을 반복 촬영하고 이를 합성하여 순간 유동장으로 표현하였다. 전진비 0.25이하 (그림 a)에서는 대부분의 영역에서 날개 위 소용돌이가 안정적으로 유도(지속적으로 유지)되었고 매우 균질한 형태의 속도장이 상당구간에 걸쳐 유지되었다. 반면, 높은 전진비(그림 b)에서는 불안정한 형태의 소용돌이 구조로 발달하였고, 매우 좁은 후류 영역을 가졌다. 이것은 날개 끝 소용돌이가 매우 커져 내려씻음 영역을 좁히고 도넛형 와류고리를 약화시켰음을 의미한다. 이와 같이 곤충은 낮은 전진비에서 날개 위 소용돌이 구조를 지속적으로 유지해 비행성능을 향상시킬 수 있음을 규명하였다. 다양한 곤충이 주로 비행하는 선호 비행속도는 날갯짓 속도의 약 25%에서 결정되는 이유를 규명했다.

날아가는 곤충은 앞으로 가는 전진비행과 제자리비행이 가능하고 돌풍에도 뛰어난 안정성을 보인다. 곤충은 빠른 날갯짓으로 날개 주위에 복잡한 소용돌이를 만들어낸다. 이것은 고정된 날개를 갖는 비행기가 소용돌이를 피해 매끈한 날개 주위 흐름을 만들어 높은 효율을 얻는 것과는 완전히 다르다. 

그동안 소용돌이가 유지되는 원인을 알아내기 위해 다양한 연구가 진행됐지만, 크기가 작고 날갯짓이 빨라 실험 연구에 어려움이 있었다. 이에 연구팀은 제자리비행에 능숙하다고 알려진 박각시 나방(나비목 박각시과의 곤충으로 벌새와 유사하게 비행)을 바탕으로 약 5배 크기를 갖는 날갯짓 로봇 모델을 제작하였다. 그리고 공기보다 밀도가 높은 물로 채우는 등 실제 곤충 비행과 동일한 환경을 구현하였다. 이는 수조상사기법(공기력을 증폭하기 위해 로봇모델과 수조를 활용하는 실험기법의 하나)인데, 곤충 날갯짓에 비해 250배 느리게 움직이면서도 10배 증폭된 힘을 생성할 수 있어 공력특성(공기 중에 있는 물체 주위의 유동과 물체의 운동특성)을 보다 쉽게 분석하기 위해서이다.  

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▲ 다양한 가로세로비 날개의 후류 가시화 결과. 날개의 가로세로 형상에 따라 달라지는 유동구조를 나타내는 그림이다(Experiments in Fluids, 2015). 날개가 넓은 경우 (그림 a)에서는 날개끝 와류가 매우 강하게 나타나는 반면, 좁은 날개(그림 c)는 날개 끝 소용돌이를 크게 약화시켰다. 이것은 도넛형 와류고리의 비대칭적 구조를 유도하여 양력성능을 저하시키고 효율을 감소시키는 요인이 되었다. 한편 오랫동안 진화된 곤충과 유사한 날개(가로세로비 AR=3, 그림 b)에서는 아랫방향의 흐름 구조가 가장 균일한 분포를 보이며, 안정된 소용돌이와 높은 공력성능을 보였다. 이것은 실제 곤충 날개의 가로세로비가 대략 3.0으로 진화된 이유를 간접적으로 설명한다.

연구팀은 전진속도에 따라 달라지는 힘의 변화를 측정하고, DPIV(Digital Particle Image Velocimetry. 유동 구조를 보기 위한 가시화 기법의 하나) 기법을 이용해 날개 주위에 발생하는 소용돌이의 변화를 관찰하였다. 그 결과, 곤충이 날개를 파닥일 때 발생하는 날개 위 소용돌이의 안정성(소용돌이의 지속성 유지)이 곤충의 최대 비행속도를 결정할 수 있고, 양력의 세기를 2배 가까이 향상시킬 수 있음을 규명하였다. 이를 통해 곤충이 주로 선호하는 비행속도(preferred flight speed, 각 곤충이 선호하는 특정 비행속도 영역)가 날갯짓 속도의 약 25%에서 결정되는‘이유’를 처음으로 밝혔다. 
  
이와 함께 연구팀은 곤충 날개의 가로세로 형상이 소용돌이에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과, 날개 면적이 넓은 경우는 날개 끝에서, 날개면적이 좁은 경우는 가슴에 붙어 있는 날개 뿌리에서 강하고 복잡한 소용돌이 구조를 생성한다는 것을 밝혀냈다. 오랫동안 진화된 곤충과 유사한 가로세로 형상(가로:세로=3:1)을 갖는 날개에서는 안정된 소용돌이와 큰 공기력이 만들어지는 것을 입증했다. 

향후 생체모방형 차세대 드론의 날개와 성능을 예측하기 위해 활용될 수 있으며, 생체모방형 드론은 곤충 비행방식을 모방한 드론으로 기존 비행체와 달리 저속비행이 가능하고 소음이 적으며 위장이 가능해 높은 활용도가 기대되고 있다. 

[김들풀 기자  itnews@itnews.or.kr]