미 브라운대, '혁신적 날개' 구조의 소형 드론 개발

▲미 브라운대와 스위스 EPFL 연구진이 개발한 혁신적 날개 구조의 소형 드론

미국 브라운대와 스위스 EPFL 연구진이 난기류에도 크게 영향을 받지 않고 장시간 비행할 수 있는 소형 고정익 드론 기술을 개발했다.

‘IEEE 스펙트럼’ 등에 따르면 브라운대와 EPFL 연구팀은 기존 항공기의 날개 구조와는 완전히 다른 형태의 날개를 설계해 소형 드론에 적용했다. 

프로토타입으로 제작된 이 드론의 무게는 100g에 불과하지만 난기류를 극복하고 거의 3시간 가까이 비행할 수 있는 것으로 확인됐다. 일반적으로 소형 드론은 30분 정도 비행하면 배터리 용량이 부족해 더 이상 날지 못한다. 게다가 고정익 드론은 난기류에 취약한 특성을 지니고 있다.

이처럼 고정익 드론의 성능이 개선된 것은 기존 항공기 날개와는 다른 날개의 구조에 있다. 전통적인 항공기 날개는 날개의 전면부(leading edge)가 두껍고, 후면부(trailing edge)로 갈수록 얇아진다. 또 날개의 하단부는 평평하고, 상단부는 부드러운 곡선의 유선형의 구조를 하고 있다. 항공기가 앞으로 전진하면, 공기가 날개에 부딪히면서 날개의 상단부에선 공기의 흐름이 빨라지지만 압력은 낮아지는 현상이 생긴다. 이에 비해 날개 하단부에선 공기의 흐름은 느리지만 압력은 높아지는 현상이 발생한다. 이 같은 압력의 차이는 항공기가 공중으로 떠오르는 양력을 만들어낸다.

이번에 연구팀은 새, 벌과 같은 동물의 날개에서 아이디어를 얻어 완전히 새로운 방식의 날개를 설계했다. 아주 작은 동물들의 날개는 항공기 날개처럼 전면이 부드러운 유선형의 모양을 하고 있지 않다. 날개의 전면부가 거칠고 날카롭다. 그렇지만 비행 효율은 높고 안정적이다. 

이처럼 전면부가 얇고 날카로우면 흔히 ‘유체의 분리(flow separation,유동박리)‘라는 현상이 발생한다. 항공기의 경우 유체의 분리 현상이 발생하면 공기가 날개에 재부착(re-attachment)되지 않고 분리되면서 양력의 발생을 방해해 제대로 비행할 수 없도록 한다. 하지만 동물들은 유체의 분리 현상에도 불구하고 잘 비행할 수 있다. 연구팀에 따르면 작은 새들은 이미 1억년전에 공기가 날개에 잘 부착되는 방식을 포기하고, 유체의 분리 방식을 통해서도 안정적으로 날 수 있는 법을 터득했다.

▲ 날개의 구조(아래 이미지는 날개의 단면 구조와 유체의 분리 현상을 설명하고 있다)

브라운대와 EPFL 연구팀은 무게 100g의 소형 비행체(MAVs:micro aerial vehicles)에 의도적으로 '유체의 분리' 현상을 초래하도록 날개를 설계했다. 날개는 전면이 평평한 플레이트(plate)로 만들어졌고 날개의 후면부에는 ‘플랩(Flap)’ 역할을 하는 부가 장치가 부착되어 있다. 이 고정익 드론의 날개 전면부는 일반적인 항공기 날개와 달리 부드러운 유선형의 모양이 아니라 날카롭다. 연구팀은 이런 날개 구조를 ‘분리된 공기 흐름의 날개(Separated Flow Airfoil)’라고 이름지었다.

이렇게 날개를 설계하면 날개의 전면부에서 유체의 분리 현상이 생기고, 날개 중간 부위에서 난기류가 형성되지만 날개의 후면부에선 공기가 날개에 재부착한다. 플랩 부분은 공기의 재부착을 도와준다. ‘분리된 공기 흐름의 날개’는 무게 100g에 불과한 소형 드론이 보다 안정적으로, 그리고 효율적으로 비행할 수 있도록 한다. 또 도심에서 갑작스럽게 생길 수 있는 돌풍이나 난기류에도 쉽게 적응할 수 있다는 게 연구진의 설명이다.

연구팀이 풍동(wind tunnel)에서 소형 고정익 드론의 프로토타입을 대상으로 테스트한 결과 거의 3시간 가량 안정적인 비행이 가능한 것으로 확인됐다. 또 배터리 지속 시간도 기존 드론에 비해 아주 길었다. 

연구팀은 이번 연구 성과를 국제 전문 저널인 ‘사이언스 로보틱스’에 발표했다. 이 연구는 전미과학재단(National Science Foundation) 등의 지원을 받아 이뤄졌다.