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- 새 날개에는 아직 정확한 기능이 불분명한 한 가지 특징이 있는데 바로 덮개 깃털이다.
- 특정 동작 중에 이 깃털은 공기 흐름에 의해 수동적으로 세워져
- 앞날개 부분의 플라스틱 슬랫은 날개의 양력을 높이고 날개 표면 난류로 인한 마찰 줄여
- 데크 플랩을 활성화하면 가능한 최대 상승 각도가 증가하고 실속이 지연

깃털 달린 새(bird) 트릭으로 비행기를 더 안전하게 만들 수 있다
새 날개는 무서운 실속을 퇴치하는 효율적인 기술에 영감을 준다.

새의 날개 덮개 깃털의 공기역학적 효과는 미래에 항공기를 더욱 안전하게 만들 수 있다. 공기 흐름에 의해서만 수동적으로 움직이는 이 스프링은 풍동 실험에서 알 수 있듯이 리프트를 증가시키고 가파른 비행 위치에서 흐름이 멈추는 것을 방지한다. 팀이 보고한 바와 같이 모형 항공기에서는 플라스틱 판금으로 만든 간단한 덮개 깃털 복제품이 "흐름이 멈추는 것"을 지연시키고 양력을 45% 증가시켰다. 이는 에너지 소비나 추가 제어 기술 없이도 가능했다. 

▲ 이 얇은 플라스틱 판은 풍동 테스트에서 새 날개의 덮개 깃털을 모방다. © Lori Nichols/ Princeton University

Lilienthal의 글라이더, da Vinci의 오니톱터 또는 최초의 전동 항공기 등 항공 분야의 선구자들은 새 날개의 공기역학적 원리를 바탕으로 기술을 기반으로 했으며 이 모델은 오늘날에도 여전히 유효하다. 예를 들어, 날개 모양, 확장 가능한 랜딩 플랩, 최근 날개 끝에 추가된 "날개" 등이 이러한 사실을 입증한다. 이 모든 것들은 새에서도 비슷한 형태로 발견된다.

덮개 깃털은 무엇에 좋은가요?

새 날개에는 아직 정확한 기능이 불분명한 한 가지 특징이 있는데 바로 덮개 깃털이다. 이는 날개 상단과 하단의 앞부분을 덮고 있으며 비행 움직임에 적극적으로 참여하지 않는다. 그러나 특정 동작 중에 이 깃털은 공기 흐름에 의해 수동적으로 세워진다. "이 깃털 열 중 일부는 비행 중에, 특히 공기 폭발에 반응하거나 착륙할 때 일어설 수 있는 것으로 관찰되었다"고 Girguis Sedky와 프린스턴 대학교 동료은 설명했다.

▲ 새의 은밀한 깃털(A), 모델의 복제(B), 풍동 테스트를 통한 공기역학적 특성 조사(C) 및 모형 항공기에 원리 전달(D). © Sedky 외./PNAS, CC-by-nc-nd 4.0

새 날개의 덮개 깃털에 공기역학적 기능이 있는지, 어떤 기능이 있는지 알아보기 위해 Sedky와 그의 팀은 풍동에서 이를 조사했다. 이를 위해 그들은 하나 이상의 움직일 수 있는 얇은 플라스틱 판을 한쪽에 다른 위치에 부착한 여러 가지 날개 모델을 만들었다. 은밀한 깃털처럼 이 복제품도 기류에 수동적으로 반응하여 일어서거나 누울 수 있다.

Sedky는 “풍동 실험은 공기가 날개 모델 및 플랩과 어떻게 상호 작용하는지에 대한 정확한 측정 데이터를 제공한다”며 "이를 통해 우리는 물리적으로 무슨 일이 일어나는지 결정할 수 있다"고 설명했다.

패시브 플랩으로 양력과 안정성 향상

덮개 깃털 플랩은 수동적으로만 움직이지만, 비행 동작과 날개 양력에 중요한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 특히 앞날개 부분의 플라스틱 슬랫은 날개의 양력을 높이고 날개 표면의 난류로 인한 마찰을 줄인다. 이러한 방식으로 연구자들은 날개의 받음각*이 더 가파르거나 비행 속도가 느린 경우 흐름 정체의 위험을 줄인다고 밝혔다.
*받음각:공기가 흐름의 방향과 날개의 경사각이 이루는 각도를 말한다. 일반적으로 받음각이 커질수록 양력(lift)도 증가한다.

"날개 앞부분에 이러한 플랩을 더 많이 추가할수록 긍정적인 효과가 더 커진다"고 수석 저자인 Aimy Wissa는 설명했다. 날개 상단에 2~5열로 차례로 부착된 덮개 깃털 플랩은 특히 효과적인 것으로 입증되었다. 연구팀은 “5열 버전은 양력을 45% 향상시키고 마찰을 31% 줄였다”고 보고했다.

보다 자세한 분석을 통해 덮개 깃털은 두 가지 다른 메커니즘을 통해 날개 주변의 기류에 개입하는 것으로 나타났다. 전면 부분에서 수동으로 움직일 수 있는 슬랫은 바로 앞에 음압 구역을 생성하여 추가적인 부력을 제공한다. 뒷부분의 플랩은 공기의 상승 흐름을 차단하여 부력을 약화시킨다.

▲ 덮개 깃털 칸막이가 있는 날개 모델. © Lori Nichols/ Princeton University

모형 비행기에서도 흐름 멈춤을 지연

하지만 새로 발견된 새 덮개 깃털의 기능이 항공기에도 사용될 수 있을까요? 이를 확인하기 위해 Sedky와 그의 팀은 수동적으로 움직이는 날개 블레이드를 갖춘 모형 비행기를 장착했다. 그런 다음 그들은 원격 조종 항공기가 무서운 멈춤으로 이어질 수 있는 가파른 각도로 올라가는 것을 포함하여 공중에서 여러 가지 때로는 위험한 기동을 완료하도록 했다.

데크 깃털 플랩은 실제로 효과가 있었다. 원격 조종 항공기는 공중에서 더 안정적이었고 나중에 "기동이 멈춤"에 들어갔고 예기치 못하는 기동 멈춤이 줄어 들었다. "데크 플랩을 활성화하면 가능한 최대 상승 각도가 증가하고 실속이 지연된다. 동시에 항공기의 안정성을 높이는 동시에 “항공기의 상승각을 증가시킨다”고 연구원들은 보고했다. 이는 통제되지 않은 하강이나 기타 잠재적으로 위험한 상황이 덜 자주 발생한다는 것을 의미한다. "이 슬랫은 항공기가 실속을 피하고 실속 후에 제어권을 쉽게 회복할 수 있도록 도와준다"고 Wissa는 설명했다.

▲ 수동적으로 움직일 수 있는 덮개 깃털 플랩(빨간색)을 갖춘 원격 조종 모형 비행기. © Lori Nichols/ Princeton University

저렴한 천연 특허

연구원들에 따르면, 이러한 패시브 플랩은 항공기나 항공기 드론의 안전성을 높이는 간단하고 비교적 저렴한 방법이 될 수 있다. 날개 덮개 깃털을 기반으로 설계된 플랩은 능동 제어나 전기가 필요하지 않다. "그들은 단순히 가볍고 유연한 패널로, 적절하게 모양을 잡고 배치하면 항공기의 성능과 안정성을 크게 향상시킬 수 있다"고 Wissa는 말했다.

연구원의 설명에 따르면, 그녀의 실험은 두 가지 결과를 가져왔다. 새 날개의 덮개 깃털이 무엇인지 명확히 했고 항공기를 개선하는 새로운 방법을 보여주었다. "이것이 생체 영감 설계의 힘이다. 생물학에서 공학까지 원리를 적용하여 시스템을 개선할 수 있다. 하지만 공학 도구를 사용하여 생물학에 관한 질문에 답할 수도 있다.“
(Proceedings of the National Academy of Sciences, 2024; doi: 10.1073/pnas.2409268121)
출처: Princeton University

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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