한국연구재단은 장조원 교수(한국항공대) 연구팀이 곤충(나방) 날개가 만들어내는 작은 소용돌이는 이 소용돌이가 없을 때보다 비행성능을 두 배 가까이 향상시킬 수 있고, 그 소용돌이를 유지해 비행성능을 확보하려고 한다는 사실을 발견했다고 밝혔다.

날아가는 곤충은 앞으로 가는 전진비행과 제자리비행이 가능하고 돌풍에도 뛰어난 안정성을 보인다. 곤충은 빠른 날갯짓으로 날개 주위에 복잡한 소용돌이를 만들어낸다. 이것은 고정된 날개를 갖는 비행기가 소용돌이를 피해 매끈한 날개 주위 흐름을 만들어 높은 효율을 얻는 것과는 완전히 다르다.

그동안 소용돌이가 유지되는 원인을 알아내기 위해 다양한 연구가 진행되었지만, 크기가 작고 날갯짓이 빨라 실험 연구에 어려움이 있었다. 이에 연구팀은 제자리비행에 능숙하다고 알려진 박각시 나방을 바탕으로 약 5배 크기를 갖는 날갯짓 로봇 모델을 제작하였다. 그리고 공기보다 밀도가 높은 물로 채우는 등 실제 곤충 비행과 동일한 환경을 구현하였다. 이는 수조상사기법(공기력을 증폭하기 위해 로봇모델과 수조를 활용하는 실험기법의 하나)인데, 곤충 날갯짓에 비해 250배 느리게 움직이면서도 10배 증폭된 힘을 생성할 수 있어 공력특성(공기 중에 있는 물체 주위의 유동과 물체의 운동특성을 가리킴)을 보다 쉽게 분석한다.

연구팀은 전진속도에 따라 달라지는 힘의 변화를 측정하고, DPIV(Digital Particle Image Velocimetry) 기법을 이용해 날개 주위에 발생하는 소용돌이의 변화를 관찰하였다. 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 규명하였다. 이를 통해 곤충이 주로 선호하는 비행속도(preferred flight speed)가 날갯짓 속도의 약 25%에서 결정되는‘이유’를 처음으로 밝혔다.

이와 함께 연구팀은 곤충 날개의 가로세로 형상이 소용돌이에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과, 날개 면적이 넓은 경우는 날개 끝에서, 날개면적이 좁은 경우는 가슴에 붙어 있는 날개 뿌리에서 강하고 복잡한 소용돌이 구조를 생성한다는 것을 밝혀냈다. 오랫동안 진화된 곤충과 유사한 가로세로 형상(가로:세로=3:1)을 갖는 날개에서는 안정된 소용돌이와 큰 공기력이 만들어지는 것을 입증하였다.

▲ 새롭게 규명한 날개위 소용돌이 구조

▲ 다양한 가로세로비 날개의 후류 가시화 효과

장조원 교수는 “이 연구는 곤충 비행에서 최적의 가로세로 날개 형상과 최적의 비행속도 영역이 있다는 것을 최초로 규명한 연구이다. 향후 생체 모방형 차세대 드론은 물론 프로펠러, 터빈 등 다양한 공학적 개발에 폭 넓게 응용될 수 있을 것이다”라고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구 성과는 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구)의 지원을 받아 수행되었으며, 유체역학 분야의 국제적 학술지 유체역학저널(Journal of Fluid Mechanics) 11월 3일자에 온라인 게재되었다.