December 11,2019

비행 중 모양 바꾸는 신개념 날개

중량 감소 ·효율 극대화…비용 절감 기대

새로운 비행기 날개의 컨셉 이미지 ⓒ Eli Gershenfeld, NASA Ames Research Center

새로운 비행기 날개의 컨셉 이미지 ⓒ Eli Gershenfeld, NASA Ames Research Center

흔히 알고 있는 비행기와는 전혀 다른 모습의 비행기가 등장했다. 마치 공상 과학 영화에서나 본 듯하다.

매사추세츠 공과대학교(MIT)와 미항공우주국(NASA)의 합동 연구진은 최근 수백 개의 동일한 모양의 작은 조각을 조립해, 지금껏 볼 수 없었던 새로운 디자인을 구현했다. 연구진은 이번 연구가 항공기 디자인 폭을 넓히고, 제작 과정과 유지 보수의 효율성을 크게 높여줄 것으로 기대하고 있다.

연구진은 3월 31일자 ‘스마트 재료와 구조(Smart Materials and Structures) 저널’을 통해 비행 중 모양을 바꾸는 신개념 비행기 날개를 개발했다고 밝혔다.

나사(NASA)의 고속 바람 터널 내에서 테스트를 성공적으로 마친 후였다.

논문의 주저자인 니콜라스 크레머(Nicholas Cramer)와 케네스 청(Kenneth Cheung), 그리고 벤자민 재넷(Benjamin Jenett)을 포함한 8명의 연구자의 공동 결과물이다.

일반적인 비행기 날개에는 비행기의 방향을 바꾸거나 움직임을 제어하기 위한 에일러론과 같은 작은 조종면이 있다. 그러나 이들이 개발한 날개에는 에일러론이 없다. 날개가 스스로 모양을 바꿔 비행을 제어할 수 있기 때문이다.

날개는 공기 역학적 조건에 따라 스스로 최적의 모양으로 변한다. 특정 방식으로 날개 전체가 변형되거나 부분적으로 바뀌는 것도 가능하다. 날개를 이루는 조각은 높은 강도의 요소와 부드럽게 움직일 수 있는 구성 요소가 혼합됐다. 그리고 다양한 강성을 가진 조각들이 특정 종류의 힘에 반응하여 구부러지도록 세심하게 설계했다.

조립 중인 날개의 모습  ⓒ NASA

조립 중인 날개의 모습 ⓒ NASA

날개는 작고 속이 텅 빈 수많은 조각으로 이루어졌다.

이 작은 하위 구성 요소들은 서로 볼트로 고정된 채 격자 구조를 이룬다. 마치 성냥개비로 만든 수천 개의 작은 삼각형들을 조립한 것과 같다. 그리고 얇은 층의 폴리머 물질이 격자 구조를 감싸고 있다.

그 결과 대부분의 내부 구조는 비어있지만, 매우 견고하면서도 가벼워졌다. 무려 입방미터 당 5.6㎏의 밀도 수준이다. 1㎥당 1500㎏의 밀도를 가진 고무와 비교하면 같은 강성 대비 1/1000 미만이다.

MIT뉴스는 이 날개의 구조가 고분자의 구조적 강성과 에어로겔의 낮은 밀도를 동시에 가진 기계적인 메타물질과도 같다고 설명했다. 메타물질은 인공적인 배열이나 설계가 가능한 물질로 이 작은 유닛을 조립하면 원하는 모양의 다양한 항공기 디자인도 가능하다.

테스트를 위해 손으로 조립 중인 초기 날개 모습  ⓒ Kenny Cheung, NASA Ames Research Center

테스트를 위해 손으로 조립 중인 초기 날개 모습 ⓒ Kenny Cheung, NASA Ames Research Center

이번 연구는 몇 년 전 캐네스 청과 그의 연구진이 약 1m 길이의 프로토타입 모델을 제작해 본 경험을 토대로 하고 있다. 이후 대학원생으로 이루어진 팀이 이전보다 5배 더 큰 모델을 수작업으로 만들어내는 데 성공하며 연구에 속도를 붙였다.

다니엘 캠밸(Daniel Campbell) 보잉사 구조 설계 연구원은 이번 연구가 비용 절감은 물론 고강도의 가벼운 구조물의 성능을 향상시킬 것이라며 기대감을 전했다. 또한 이 연구가 항공기 뿐만 아니라 우주선과 안테나와 같은 우주를 기반으로 하는 구조물에도 유용할 것으로 전망했다.

 

의견달기(1)

  1. 김계춘

    2019년 5월 8일 2:08 오후

    잠자리를 닮은 인공지능 비행기 등장도 멀지 않겠구나 싶다.