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장조원 교수, 곤충이 소용돌이를 응용하며 나는 원리 규명

2016-12-01 473

 

  

수조에서 로봇 곤충모방 모델이 날갯짓으로 소용돌이를 일으키며 전진하는 모습(오른쪽 사진)

 

  본교 항공운항학과 장조원 교수 연구팀에서 곤충이 소용돌이를 응용하며 나는 최적 비행원리를 규명한 논문(‘‘The advance ratio effect on the lift augmentations of an insect-like flapping wing in forward flight’)이 유체역학 분야 최상위 학술지인 ‘유체역학저널(Journal of Fluid Mechanics)’ 11월 3일자에 온라인 게재되었다. 미래창조과학부 기초연구사업(중견연구자지원사업)의 지원을 받아 수행된 이 연구는 곤충의 최적 비행원리를 활용한 ‘생체모방형 차세대 드론’의 새로운 방향을 제시했다는 점에서 주목을 받고 있다.

  연구팀은 곤충의 비행에 있어 최적 비행속도(전진비)와 최적 날개 형상(가로세로비)이 있을 것이라는 전제를 가지고 곤충의 종합적인 비행능력에 대한 연구에 착수했다. 먼저 제자리비행에 능숙한 박각시 나방(나비목 박각시과의 곤충으로 벌새와 유사하게 비행)을 본떠 약 5배 크기의 ‘날갯짓 로봇 모델’을 자체 제작했다. 그리고 공기보다 밀도가 높은 물로 채우는 등 실제 곤충 비행과 동일한 환경을 구현했다. 곤충 날갯짓에 비해 250배 느리게 움직이면서도 10배 증폭된 힘을 생성할 수 있어 공력특성을 보다 쉽게 분석할 수 있어서다. 다음으로 다양한 전진속도 및 날개 형상에 따라 달라지는 힘의 변화를 측정하고 DPIV 기법(유동구조를 보기 위한 가시화 기법)을 이용해 날개 주위에 발생하는 소용돌이의 변화를 측정했다.

 


 25% 이하 전진비에서 안정적인 소용돌이(왼쪽)와 25% 이상 전진비에서 깨지는 소용돌이

 

연구 결과, 곤충이 날개를 파닥일 때 발생하는 날개 위 소용돌이의 안정성(소용돌이의 지속성 유지)이 곤충의 최대 비행속도를 결정하는 것은 물론, 양력(물체가 수직 방향으로 받는 힘)의 세기를 2배 가까이 향상시킨다는 사실이 밝혀졌다. 이를 통해 곤충이 주로 선호하는 비행속도가 날갯짓 속도의 약 25%에서 결정되는 ‘이유’도 알아냈다. (JFM 논문, 2016년 게재)


  또한 연구팀은 오랫동안 진화된 곤충과 유사한 가로세로 형상(가로:세로=3:1)을 갖는 날개에서 안정된 소용돌이와 큰 공기력이 만들어진다는 것도 입증했다.(Experiment in Fluids, 2015년 게재)


  장조원 교수는 “이 연구는 곤충 비행에 최적의 비행속도 영역과 최적의 가로세로 날개 형상이 있다는 것을 규명한 연구로 향후 생체모방형 차세대 드론은 물론 프로펠러, 터빈 등 다양한 공학적 개발에 폭넓게 응용될 수 있을 것이다”라고 연구의 의의를 밝혔다.



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