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곤충이 날개짓 할 때 만드는 작은 소용돌이가 비행성능 2배 향상

(대전ㆍ충남=뉴스1) 김태진 기자 | 2016-11-10 15:27 송고
새롭게 규명한 날개 위 소용돌이의 구조© News1

국내 연구진이 곤충이 날개짓을 할 때 만들어내는 작은 소용돌이가 비행성능을 2배 정도 향상시킬 수 있다는 사실을 발견했다.

한국연구재단은 한국항공대 장조원 교수 연구팀이 이 같은 사실을 알아냈다고 10일 밝혔다.

장 교수는 또 곤충이 이 소용돌이를 유지해 비행성능을 확보한다는 사실도 함께 발견했다.

곤충은 빠른 날갯짓으로 날개 주위에 복잡한 소용돌이를 만들어낸다.

소용돌이가 유지되는 원인을 알아내기 위해 다양한 연구가 진행됐지만, 크기가 작고 날갯짓이 빨라 실험 연구에 어려움이 있었다.

이에 연구팀은 제자리비행에 능숙하다고 알려진 박각시나방을 바탕으로 5배 정도 크기를 갖는 날갯짓 로봇 모델을 제작했다.

그리고 공기보다 밀도가 높은 물로 채우는 등 실제 곤충 비행과 동일한 환경을 구현했다.

이를 통해 곤충 날갯짓에 비해 250배 느리게 움직이면서도 10배 증폭된 힘을 생성할 수 있다.

연구팀은 나방의 전진속도에 따라 달라지는 힘의 변화를 측정하고, DPIV 기법(유동 구조를 보기 위한 가시화 기법)을 이용해 날개 주위에 발생하는 소용돌이의 변화를 관찰했다.

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 규명했다.

이를 통해 곤충이 주로 선호하는 비행속도가 날갯짓 속도의 25% 정도에서 결정되는 ‘이유’를 처음으로 밝혔다.  

더불어 연구팀은 곤충 날개의 가로세로 형상이 소용돌이에 미치는 영향을 분석해 날개 면적이 넓은 경우는 날개 끝에서, 날개면적이 좁은 경우는 가슴에 붙어 있는 날개 뿌리에서 강하고 복잡한 소용돌이 구조를 생성한다는 것도 밝혀냈다.

장 교수는 “이번 연구로 곤충 비행에서 최적의 가로세로 날개 형상과 최적의 비행속도 영역이 있다는 것을 최초로 규명했다"며 "향후 생체 모방형 차세대 드론은 물론 프로펠러, 터빈 등 다양한 공학적 개발에 폭 넓게 응용될 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구)의 지원으로 수행됐다.

이번 연구 결과는 유체역학 분야의 국제적 학술지 유체역학저널(Journal of Fluid Mechanics) 11월3일자 온라인 판에 게재됐다.


memory444444@

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