생체 모방 날갯짓 비행체 개발
최근 세계 각국에서는 곤충과 같은 생물체의 산업적, 경제적, 과학적 측면에서 관심이 고조됨에 따라 다양성이 풍부한 곤충을 하나의 자원으로서 인식하고 활용하려는 경쟁이 치열해지고 있으며, 이러한 일환으로 곤충의 가치를 재평가하고 이용하려는 연구가 활발히 진행 중에 있다. 특히 항공우주분야에서는 곤충이나 새의 비행 메커니즘 밝혀내고, 이를 실제 비행기에 적용하고자 하는 노력을 기울여왔다. 곤충이나 새의 날갯짓 비행은 상대적으로 느린 속도에서도 충분한 양력과 추진력을 낼 수 있다는 장점 때문에 미래형 날갯짓 초소형 개발에의 적용가능성으로 주목받고 있다. 파리와 같이 작으면서도, 뛰어난 비행특성을 가진 곤충의 비정상 비행 메커니즘에 대한 이해를 통하여, 보다 효율적이고 안정적인 비행성능을 가진 초소형 비행체를 설계할 수 있을 것이다.
과거 곤충비행의 해석에는 일반적인 항공기에 적용되는 정상상태(steady) 공기역학이 이용되었지만, 이를 통해서는 곤충비행에서 발생되는 충분한 크기의 양력을 얻어내지 못했다. 그러나 근래 들어 곤충들의 날갯짓을 모사할 수 있는 기계장치나, 고속카메라 및 유동가시화 기법, 그리고 전산유동해석기법 등의 발달로 양력증가를 설명할 수 있는 여러 가지 비정상(unsteady) 메커니즘들이 제안되었다.
따라서 본 연구실에서는 곤충 비행의 비정상 현상을 이해하기 위하여 2차원 해석을 통해 와류(vortex) 생성의 경향과 유동 패턴을 이해하는 연구를 수행하였고, 2차원 파라메트릭 연구를 통해 추력 발생에 유리한 곤충 날개 운동의 기하학적 요소(날개 운동 궤적, 날개 단면 형상)에 대한 탐구를 수행하였다. 이를 바탕으로 2차원 유체-구조 연성해석을 수행하여 구조적 유연성이 공력특성에 미치는 영향을 분석하는 연구를 수행하였다. 또한, 곤충 날개 주위에서 발생하는 와류의 복잡한 구조와 와류-와류 및 와류-날개의 상호작용을 분석하기 위하여 3차원 해석연구를 수행하였다. 곤충 주변에서 발생하는 다양한 비정상 공력 메커니즘들을 체계적으로 정립하였으며 효율적인 곤충 비행에 대한 원인을 분석하였다.
최근에는, 이러한 곤충의 복잡한 유동 메커니즘을 활용하여 날갯짓 초소형 비행체(Flapping Micro Air Vehicles)를 개발하는 연구를 수행하고 있다. 이는 작은 새나 곤충의 비행 메커니즘을 모방한 20cm 이하의 작은 비행체로, 기존의 고정익 또는 회전익 비행체보다 좋은 기동성과 우수한 공력 특성을 지니고 있다. 본 연구실에서는 향상된 성능의 날갯짓 비행체의 체계적인 개발을 위하여 독창적인 메커니즘을 고안하고, 해석과 실험을 활용한 최적 설계 연구를 수행하고 있다.
Fig. 5. 날개짓 초소형 비행체 (ASDL)(좌측) / Fig. 6. 날갯짓 구동 메커니즘(가운데) / Fig. 7. 날갯짓 비행체 제어력 분석(우측)
날갯짓 비행체는 생명체의 복잡한 날개 궤적을 구현하기 위하여 유연한 구조물을 활용한다. 유연한 날개는 얇은 막과 두꺼운 시맥으로 이루어져 있어서 유체-구조 복합적인 거동특성이 발생한다. 따라서 날개의 공력성능은 날개의 형상뿐만 아니라 재질 특성에 매우 큰 영향을 받기 때문에 유체-구조 복합적인 해석이 필요하다. 따라서, 최근에는 3차원 유체-구조 연성해석 프로그램을 개발하고, 이를 활용하여 날갯짓 비행체의 유연한 날개를 사실적으로 모사하여 날개의 공력성능에 영향을 미치는 주요한 형상/재질의 파라미터들에 대한 분석을 수행하고 있다. 또한, 해석-실험적인 방법을 통하여 주요 설계 파라미터들에 대한 분석과 최적설계를 수행하여 향상된 성능의 유연한 날개 설계를 진행하고 있다.
Fig. 8. 3차원 유체-구조 연성해석 프로그램
Fig. 9. 유체-구조 연성해석을 활용한 3차원 유연날개 해석
Fig. 10. 생체모방 날갯짓 비행체 최적 개발 시스템
