기계/재료

국방과기대, 고깔해파리를 모방한 성층권 비행선 개발

발행일 : 2019 / 08 / 30

최근 국방과기대학 연구팀은 세계 최초로 고깔해파리에서 영감을 얻은 “성층권 비행선 생체모방디자인 방법”을 제안했다. 해당 연구로 근우주에서 장기체공 및 안정운행이 가능한 성층권 비행선이 탄생될 전망이다.

근우주란 지면에서 20~100km 떨어진 공역을 가리킨다. 근우주는 항공과 우주를 연결시키는 “공백지대”로서 육, 해, 공, 우주 다음으로 심층적으로 개발·이용되고 있는 자연환경이다. 근우주는 새 경제산업의 창출 및 전투력을 향상시키는데 중요한 전략적 의미가 있다.

근우주 저속 항공기의 대표적 사례인 성층권 비행선은 상승공기로부터 기체정역학 양력을 얻고 근우주 하층의 저속 바람대(wind belt) 및 비교적 적게 소모된 태양조사 등을 이용하기에 월/년 단위의 초장시간 공역 체공이 가능해 “성층권 위성”으로도 불린다. 따라서 정찰감시, 지역 조기경보, 환경 모니터링, 통신중계 등 군사·민간 영역에 광범위하게 응용될 수 있다. 하지만 현재까지 세계적으로 장기체공 및 안정운행이 가능한 성층권 비행선은 거의 없다.

연구팀은 고깔해파리가 부력판(pneumatophore), 부레, 가스샘(gas gland) 등으로 부력과 압력을 조화롭게 조절하는 현상에서 영감을 얻어 기존 성층권 비행선의 “메인/서브 기낭”, “단낭체” 기술방안에 존재하는 환경열효과 조건에서 부력·압력에 대한 조화로운 조절이 어려운 문제를 성공적으로 해결했다.

연구팀은 고깔해파리의 형태를 생체모방해 낭체의 공기역학 외형을 설계했다. 전형적 운행조건에서 해당 외형 설계는 일반적 공기역학 외형에 비해 양항비를 70%이상 향상시키고 유효하중을 300~800kg에 도달시킨다. 또한 기능 생체모방을 통해 최초로 다낭체, 열조절 기낭 등 신개념 방안을 제안함으로써 근우주 “열팽창과 열수축”으로 인한 성층권 비행선의 외피 파열 및 “과체중” 문제를 해결했다. 비행시뮬레이션 및 기술검증비행선 시험비행 결과, 열조절 기낭의 부피비(volume ratio)가 10%일 경우 환경열효과 조건에서 기낭 내부의 최대 압력을 9.6% 낮출 수 있다. 이로써 부력·압력에 대한 조화로운 조절이 어려운 문제 해결에 효과적인 방안을 제공했다.