생체모방 공기역학

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현재 지구상에 살고 있는 비행 가능한 생물체 가운데 곤충은 약 100만종, 새는 약 9000종, 박쥐는 약 1000종에 이르고 있으며, 곤충의 경우 대략 2억 7천만년 정도의 진화과정을 격어 왔다. 이러한 “비행 가능한 생물”은 각자의 크기와 종에 따라 상당히 다양한 방식의 비행기술들을 나름대로 체득하며 활용하고 있지만, 날개의 펄럭거림(flapping)을 이용하여 주위 공기에 운동량을 가하고 그에 대한 반작용력을 양력(Lift)과 추력(Trust)으로 삼아 비행을 한다는 점에서 서로 닮아 있기도 하다.

 

 

         Fig. 1 곤충의 제자리 비행                Fig. 2 날갯짓하는 곤충            Fig. 3 곤충 비행의 수치해석 연구

 

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 날갯짓형 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 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. 곤충비행의 해석과 관련해서 가장 먼저 알려진 비정상 메커니즘은 1970년대에 들어서 Weis-Fogh가 말벌(Encarcia forsoma)에게서 발견한 “clap-fling"이었다. 80년대 이후 실험과 수치해석을 통하여 기존의 quasi-steady 가정의 한계가 밝혀졌고, 또 다른 비정상 메커니즘으로 앞전와류(LEV, Leading Edge Vortex)에 의한 실속지연(delayed stall)이 제시되었다. 90년대 이후 실험 장치 및 전산 유동해석기법의 발달로 Ellington, Dickinson, Wang, Liu and Kawachi 등의 연구자들은 실험 및 수치해석을 통해 “LEV", “rotational circulation"과 “wake capture" 등과 같은 비정상 메커니즘을 제시하였다. 여러 연구자들의 노력으로 밝혀진 이러한 비정상 메커니즘들은 곤충들의 양력발생에 관해 과거에는 알지 못했던 많은 사실들을 알려주지만, 대부분이 제자리비행 중인 곤충들의 양력증가에 관한 연구들이므로 전진비행이나 곤충비행의 특징인 급격한 기동을 설명하기에는 매우 제한적이다. 따라서 본 연구실에서는 곤충 비행의 비정상 현상을 이해하기 위하여 2차원 해석을 통해 와류 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 수행 중에 있다. 나아가 곤충의 날개와 몸통을 함께 고려한 3차원 유체-구조 연성 해석을 수행하여, 실제 곤충 비행 시에 발생되는 와류 구조를 분석하는 연구를 진행 중에 있다.

 

Fig. 4 2차원 및 3차원 곤충비행 수치해석 연구