요약:
콜로라도 대학교 볼더(University of Colorado Boulder)의 연구원들은 공기 흐름을 조절하기 위해 재료 내부의 작은 진동을 사용하는 새로운 방법을 제안했습니다. 앞으로는 항공기의 형태를 바꾸지 않고도 난기류와 항력을 줄여 연비를 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
여객 항공기는 시속 약 640마일의 속도로 순항할 수 있습니다. 날개 표면 근처의 공기는 난류 경계층을 생성하여 비행 저항을 증가시키고 비행 효율성을 감소시키며 연료 소비를 증가시킵니다. 상업용 항공기는 국가 횡단 비행 시 10,000갤런 이상의 연료를 소비할 수 있으므로 효율성이 조금만 증가해도 항공사는 상당한 비용 절감 효과를 얻을 수 있습니다.
콜로라도대학교 볼더 항공우주공학과 교수인 Mahmood I. Hussain과 그의 팀은 또 다른 길을 모색하고 있습니다. 단순히 항력을 제어하기 위해 항공기의 외부 윤곽을 바꾸는 대신 공학적 합성 재료를 표면 아래에 배치하고 재료에서 생성된 미세한 진동을 사용하여 공기 흐름에 영향을 주어 난류를 줄이고 연비를 향상시키는 것입니다.
Hussain 팀은 최근 'Physical Review'에 논문을 게재했습니다.
후세인은 항공산업이 탄생한 이후 항력을 제어하는 주된 아이디어는 항공기의 형태를 바꾸는 것이라고 말했다. 이제 연구자들은 공기 흐름과 동적으로 상호 작용하여 표면 항력에 영향을 미치는 재료를 사용하여 전례 없는 방식으로 항공기 성능을 향상시키는 새로운 개념을 제안했습니다. Hussein은 항공우주 공학과에 임명된 것 외에도 물리학과에도 겸임되어 있으며 재료 과학 및 공학 프로그램에 소속되어 있습니다.
본 연구의 핵심은 '포논'이다. 포논은 전체 구조의 거시적인 움직임이 아니라 재료 내부에서 발생하는 극히 작은 진동입니다. 이러한 움직임은 크기가 작지만 제어할 수 있다면 재료 표면이 흐르는 공기와 상호 작용하는 방식을 변경할 수 있습니다.
이러한 내부 진동을 둘러싼 연구를 음성학(phononics)이라고 합니다. Hussain은 20년 넘게 이 분야의 발전을 촉진하는 데 참여해 왔으며 2011년에 "Phononics 20xx" 컨퍼런스 시리즈를 창립하는 데 도움을 주었습니다. 이는 이제 이 분야의 연구자들을 위한 중요한 국제 교류 플랫폼이 되었습니다.
2015년 후세인은 표면과 유체 사이의 경계면에서 진동을 수동적으로 제어할 수 있도록 재료 표면 아래에 특별히 설계된 구조를 배열하는 '포논 지하(phonon subsurface)' 개념을 제안했습니다. 과거에는 그의 팀과 다른 연구자들이 개발한 설계가 단일 주파수에서만 작동하는 경우가 많았습니다.
최신 연구에 따르면 포논 지하 표면을 코일형 구조로 설계하면 그 효과를 다양한 주파수로 확장할 수 있는 것으로 나타났습니다. "초공진"으로 알려진 이 현상은 초기 설계의 주요 한계를 해결합니다. 즉, 구조가 실제 난류에서 발견되는 더 넓은 범위의 주파수 구성 요소와 상호 작용할 수 있게 해줍니다.
Hussain은 팀이 처음에는 하나의 주파수만 처리할 수 있었지만 나중에는 더 넓은 범위의 주파수를 처리하기를 원했다고 말했습니다. 왜냐하면 이것이 실제 세계의 난류가 광대역 방식으로 생성되는 방식이기 때문입니다. 오늘 이 목표가 달성되었습니다. 코일형 포논 구조는 층류 흐름 제어 전략의 오랜 한계를 극복했습니다.
"산란 없는 간섭"은 또 다른 문제를 해결합니다. 연구자들은 포논 지하 표면을 단일 위치에 배치하는 대신 그리드 또는 격자에 여러 구조를 배열하여 항공기 날개 또는 극초음속 차량 동체 표면과 같은 더 넓은 영역에 걸쳐 기류 하류의 영향을 확장할 수 있습니다.
Hussein은 이 접근 방식을 통해 효과적인 다운스트림 제어가 가능하다고 말했습니다. 다운스트림 제어와 광대역 제어는 10여년 전 이 기술이 도입된 이후 기술의 두 가지 주요 제한 사항이었으며 이제 팀은 이 두 가지 문제를 모두 해결했습니다.
두 가지 발전은 서로를 보완한다고 Hussein 연구실의 재료 과학 및 공학 박사 과정 학생이자 두 논문의 공동 저자인 Adam Harris는 말했습니다. 산란 없는 간섭은 포논 지하 표면 하류의 불안정한 유동장의 공간적 거동을 약화시키는 방법을 제공합니다. 초공진은 제어가 효과적인 주파수 범위를 넓힙니다. 두 가지의 조합은 원래의 포논 지하 개념을 실제 흐름 환경에 필요한 유연성에 더 가깝게 만듭니다.
현재 이러한 결과는 주로 전산 연구에서 나온 것이지만 포논 지하 표면은 더 이상 완전히 이론적인 단계에 있지 않습니다. 전 세계의 연구팀은 실제 작동하는 프로토타입을 제작했으며 풍동 테스트를 향해 나아가고 있습니다.
후세인은 팀이 "유량 제어는 노출된 표면의 모양을 변경하는 데만 의존할 수 있거나 최근에는 능동형 액추에이터에 의존할 수 있다"는 전통적인 생각을 깨기를 희망한다고 말했습니다. 포논 하부 표면을 사용하여 날개나 동체는 원래 모양, 평탄도 및 수동적 특성을 유지하는 동시에 하부 재료는 고도로 목표화된 방식으로 공기 흐름과 상호 작용하도록 설계되었습니다.
현재 연구는 주로 항공우주 분야에 맞춰져 있지만 초공진 및 무산란 간섭의 잠재적인 용도는 항공기에만 국한되지 않습니다. Hussein은 선박, 파이프라인, 터빈 기계 및 난기류의 영향을 받는 모든 시스템이 이익을 얻을 수 있다고 믿습니다. 실제로 두 아이디어 모두 흐름 제어 이상의 응용 분야가 있을 수도 있습니다.
관련 연구에는 극초음속 흐름 문제도 포함되며 미 국방부 해군 연구실에서 제공하는 5년간의 종합 대학 연구 프로그램인 750만 달러의 지원을 받습니다.
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