새처럼 '날개짓'하는 항공기가 있다?

#1. 하늘 위를 유유히 날던 독수리가 먹이를 발견한다. 독수리는 긴 날개를 접고 빠른 속도로 내려간다. 시속 300km 정도의 엄청난 빠르기로 먹이 근처에 도착한 독수리. 그는 날카로운 발톱으로 먹이를 잡은 뒤 다시 날개를 펴고 하늘로 오른다.

#2. 해변의 갈매기들은 날개짓을 하면서 먹이를 찾는다. 과자를 내미는 사람들에게 다가올 때도 날개를 접었다 펴면서 다가온다. 하지만 강한 바람을 만나면 날개를 활짝 펴고 공중에서 정지 상태를 유지한다. 바람에 휩쓸리지 않기 위해서다.

Air Traffic by Theophilos

이처럼 독수리나 갈매기는 상황에 따라 날개의 모양을 자유자재로 변화시킨다. 양력을 받아 하늘 위에 머무를 때는 날개를 활짝 펴고, 앞으로 이동할 때는 위아래로 날개짓을 하며, 빠른 속도로 땅에 내려올 경우 날개를 접어 몸을 유선형으로 만든다. 바로, 하늘을 나는 새들도 상황에 따른 최적의 날개 모양을 잘 알기 때문이다.

이런 새의 날개짓을 항공기에 적용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 새처럼 상황에 따라 항공기의 날개 모양을 변화시킬 수 있다면 더 빠르고 안전하게 하늘을 날 수 있고, 특수한 목적으로도 사용할 수 있기 때문이다. 그 중 대표적인 것이 1998년 미국항공우주국(NASA) 에서 시작한 ‘모핑 항공기’(morphing aircraft) 프로젝트다.

물론 날개의 모양이 바뀌는 항공기는 이전에도 있었다. 대표적인 것이 전투기 F-14로 기상 상태나 비행 목적에 따라 날개의 후퇴각을 공중에서 바꿀 수 있도록 만들어졌다. 이렇게 날개의 각도를 바꾸다보니 F-14는 다른 어떤 항공기보다 비행에 유리했지만 날개 무게는 늘어났고, 기계 장치도 복잡해졌다. 

나사에서 개발중인 모핑항공기의 상상도. 연구팀은 그림에서 보이는 날개 모양을 상황에 따라 자유롭게 변하게 만드는 연구를 진행하고 있다.

‘모핑 항공기’는 날개의 각도를 변경하는 수준에 머물지 않고 날개의 모양 자체를 바꾸는 데 초점을 둔다. 모핑은 모습이 변한다는 뜻인데, 영화 ‘터미테이터2’에 등장했던 로봇을 떠올려보면 쉽게 이해할 수 있다. 이 로봇은 총알을 맞아 몸에 구멍이 뚫려도 원래의 모양으로 되돌아오고, 팔의 모양을 칼로 바꿔 공격하는 데 사용하기도 한다. 로봇의 몸이 원래의 형태를 기억하고 있고, 필요에 따라 여러 가지 모양으로 변화할 수 있게 설계된 것이다.

모핑 항공기도 마찬가지다. 경우에 따라 날개의 모양을 여러 가지로 변형시킬 수 있는 것. 양력을 많이 받을 때는 활짝 펼쳤다가 앞으로 나가는 힘이 필요하면 독수리 날개처럼 구부려서 추진력을 만든다.

이처럼 비행기 날개의 모양을 바꾸기 위해 가장 중요한 것은 소재다. 안경테나 여성 속옷 등에 사용되는 형상기억합금처럼 일정한 조건이 되면 원래 모양대로 복원되거나 전기 신호로 모양을 변형시킬 수 있는 특수 소재가 필요하다. 

이를 위해 NASA는 원래 항공기 동체나 우주선을 만드는 재료인 고분자 화합물에 탄소나노튜브를 섞은 새로운 소재를 개발했다. 고분자 화합물은 플라스틱의 원료로 쓰이는 만큼 가볍고 단단한 물질을 만들 수 있지만, 전기가 잘 통하지 않고 한 번 만들면 모양이 잘 변하지 않는다. 그래서 탄소나노튜브를 섞어 전기 전도도를 개선하고 변형도 쉽게 만든 것이다.

탄소나노튜브는 탄소 원소가 속이 빈 빨대 모양으로 둘러싸고 있는 형태를 하고 있는 물질이다. 게다가 약한 전기신호에도 민감하게 반응해서 늘어나거나 줄어드는 성질이 있다.

NASA 연구팀은 탄소나노튜브와 고분자 화합물로 만들어진 새 물질에 전기장을 걸어 측정한 결과 소재의 두께가 실험 전보다 최대 2.6% 늘거나 줄어든 것을 확인했다. 이 때 필요한 전기에너지도 비슷한 성질을 가진 다른 소재보다 100분의 1 정도였다.

연구팀은 소재에 대한 연구와 더불어 날개 전체에 공기 압력을 측정할 수 있는 센서와 새의 날개 구조를 파악하는 작업도 진행하고 있다. 새가 날개를 통해 공기의 흐름을 감지하고 효과적으로 날개를 움직이는 메커니즘을 모핑 항공기에 적용하기 위해서다. 

플로리다대학의 릭 린드 연구원이 만든 모핑 날개의 모습. 린든은 모터를 이용해 항공기 날개를 M자와 W자로 변하게 하는 실험을 했다.

이밖에 플로리다 대학의 릭 린드 박사도 2006년 모터를 이용해 모핑 날개를 만드는 데 도전한 바 있다. 그는 새도 사람의 팔과 같이 어깨와 팔꿈치가 있고 다이빙, 회전, 착륙할 때 날개를 비튼다는 데 주목했다. 그는 강철 막대와 철사, 모터를 이용해 새의 날개 모양을 만들고 모터로 조종해 날개 모양을 변형시켰다.

날개 모양을 M 형태로 만들어 항공기 동체를 날개 아래쪽에 두자 활공하기에 안정적이었고, W자 형태의 날개를 만들자 기동성이 증가했다. 모터의 숫자를 늘리자 날개를 비틀어 항공기를 회전시킬 수도 있었다. 새의 날개처럼 날개짓하는 항공기 실험에는 성공한 셈이다.

인간이 만든 항공기는 점점 빨라지고 많은 짐을 나를 수 있는 수준까지 왔다. 하지만 어떤 상황에서도 자유자재로 날 수 있는 항공기는 아직 개발되지 않았다. 여러 곳에서 연구되고 있는 모핑 항공기가 성공적으로 개발돼 항공기가 새처럼 나는 날이 오기를 기대해본다.

글 | 박태진 과학칼럼니스트

 항공우주연구원  KARI 

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