드론·헬리콥터 비행 성능 떨어뜨리는 원인 밝혔다

비행날개 앞 공기 압축이 초음속 영역 만드는 게 문제

사진은 독일 드론 회사가 두바이 도심에서 드론 택시 시험비행을 하는 장면이다. 라이트 형제가 첫 비행을 한지 115년이 지났다. 그동안 '하늘길'에 많은 일이 벌어졌다. - volocopter

드론이나 헬리콥터는 회전하는 날개를 이용해 위로 뜨는 힘인 ‘양력’을 발생시켜 공중에 뜬 채 이동한다. 하지만 빠른 속도로 이동할 때엔 공기에 의한 저항력(항력)이 커지고 양력이 줄어들면서 비행 성능이 떨어지는 현상이 발생하는 경우가 많다. 이 현상을 ‘실속(스톨)’이라고 부른다. 국내 연구팀이 이 현상의 원인을 밝히는 데 성공했다. 드론의 비행 성능을 향상시키는 데 도움이 될 것으로 기대된다.

지솔근 광주과학기술원(GIST) 기계공학부 교수와 김태순 연구원팀은 비행날개 주변을 흐르는 공기의 압축성이 스톨 현상과 관련이 있다는 사실을 발견했다고 13일 밝혔다. 

드론이나 헬리콥터가 고속비행을 할 때, 블레이드에 부딪힌 공기 분자는 회전날개(블레이드) 표면을 따라 이동하다가 어느 시점에서 표면에서 떨어져 나간다. 이를 ‘유동박리’ 현상이라고 부른다. 유동은 유체의 흐름이라는 뜻이다. 유동박리가 일어난 공기 분자는 블레이드 표면에서 떨어지면서 표면의 압력 분포를 급격하게 바꾸거나 공기 흐름을 빠르게 바꿔 공기를 압축시키고, 공기가 빙글빙글 도는 와류나 불규칙하게 움직이는 난류를 발생시킨다.

문제는 이런 유동박리가 스톨을 일으키고 진동을 발생시키며 드론이나 헬리콥터가 앞으로 나아가지 못하게 방해하는 원인이 될 수 있다는 점이다. 비행 성능을 떨어뜨리는 것은 물론 심하면 추락으로 이어질 수도 있다.

음각이 증가하는 블레이드 익형의 앞부분에서 초음속 영역의 영향으로 인한 동적 실속 발생하는 모습을 시뮬레이션했다. 마하수 유동장의 초음속 영역이 동적 실속과 밀접한 연관이 있으며, 주 유동속도가 빠를수록 (좌에서 우)그 영향이 더 심해진다. GIST 제공

지 교수팀은 난류 시뮬레이션을 통해 비행날개 주변의 유동 현상을 자세히 분석했다. 그 결과 공기 흐름이 빠른 날개의 앞 부분에서 공기가 압축되는 효과가 나타났고, 그 결과 부분적으로 초음속 영역이 만들어진다는 사실을 확인했다. 이 초음속 영역은 와류를 형성해 스톨을 유도했다. 즉 회전날개의 스톨을 만드는 첫 단추가 비행날개 앞 부분의 공기 압축이었던 것이다.

지 교수는 “국내에서 자체적으로 개발되는 비행체의 핵심 부품의 날개의 공기역학 성능을 예측하고 여기에 기반해 날개 설계를 개선할 수 있을 것”이라고 말했다.  연구 결과는 기계 항공 분야 국제학술지인 ‘항공과학기술’ 지난달 20일자에 발표됐다.
 

[윤신영 기자 ashilla@donga.com]