비행기가 이륙하고 창밖을 내다보는데 갑자기 날개가 물결치고 비틀리고 소리 없이 모양이 바뀌는 것을 발견했다고 상상해 보십시오. 대부분의 승객은 아마도 그 자리에서 긴장할 것입니다. 그러나 이것이 바로 독일 엔지니어들이 새로운 기술, 즉 비행 중에 실시간으로 "변형"할 수 있는 변형 가능한 날개 프로토타입을 사용하여 테스트하고 있는 것입니다.
독일 항공우주센터(DLR)와 코드명 morphAIR가 주도하는 이 프로젝트는 새와 물고기와 유사한 공중 적응성을 간소화하여 항공기를 더욱 효율적이고 쉽게 제어할 수 있도록 하는 것을 목표로 합니다. 자연에서 날거나 헤엄치는 생물은 전체 날개 표면이나 몸을 극도로 미세하고 연속적으로 조정할 수 있는 경우가 많습니다. 새는 날개 폭, 곡률, 비틀림에 복잡한 변화를 줄 수 있고, 물고기는 몸통과 지느러미의 조화로운 움직임을 통해 효율적인 추진력과 조향을 달성할 수 있습니다. 이와 대조적으로 기존 항공기는 자세를 변경하기 위해 견고한 날개와 플랩, 에일러론, 방향타와 같은 별도의 방향타 표면을 사용합니다. 이러한 분할된 구조는 기계적 복잡성, 무게 및 유지 관리 부담을 증가시키는 동시에 소음과 추가적인 공기 역학적 손실을 유발합니다.
지난 수십 년 동안 이러한 고정 날개와 분리된 조종면 구조가 업계 표준이 된 이유는 그것이 완벽하기 때문이 아니라 공학적 "절충" 때문입니다. 이륙에 적합한 익형은 순항에 적합하지 않고, 순항에 적합한 익형은 착륙에 적합하지 않습니다. 특정 속도, 특정 고도 또는 특정 조종 상태에 적합한 날개 모양은 다른 작동 조건에서는 종종 차선책이 됩니다. 기존 민간 항공기 날개는 다양한 일반적인 작동 조건을 중심으로 "적당히" 설계되었습니다. 즉, 단일 시나리오에서 극도로 최적화되기보다는 가능한 한 많은 시나리오에서 "충분하지만 너무 나쁘지는 않게" 설계되었습니다.
DLR은 이러한 타협에서 벗어나 대신 "엔지니어 적응성"을 확보하려고 노력하고 있습니다. morphAIR 개념에서 날개는 다양한 비행 단계에서 능동적으로 변형될 수 있습니다. 즉, 이착륙 시 더 높은 양력을 달성하고, 순항 중 항력을 줄이고, 회전 시 반응성을 향상시키며, 난기류에서 안정성을 향상시킵니다. 이를 위해 DLR은 PROTEUS라는 무인 시험 항공기에 새로운 변형 날개를 장착하고 기존 날개와 나란히 비교 테스트를 실시하여 시스템의 감항성과 통합 효과를 검증했습니다.
morphAIR 날개는 뒤쪽 가장자리에서 연속적인 굴곡이 가능한 통합된 "모핑 세그먼트"를 갖춘 완전 섬유 강화 복합 재료로 구성됩니다. 이 부품은 DLR이 독자적으로 개발한 초탄성 뒷전 변형 시스템인 HyTEM(Hyperelastic Trailing Edge Morphing)을 사용하여 눈에 띄는 접힘선이나 틈 없이 부드러운 변형을 달성할 수 있습니다. 이 개념은 기존 플랩과 에일러론을 전체 날개 길이에 분산된 여러 개의 소형 액추에이터로 대체한다고 DLR 경량 시스템 연구소의 프로젝트 리더인 Martin Radestock이 설명합니다. 이러한 액추에이터는 에어포일에 분할된 간격을 만들지 않고 10개 위치에서 에어포일 프로파일을 미세하게 조정할 수 있으므로 프로파일 항력을 줄이고 양력, 유도 항력 및 제어 모멘트를 변경하면서 프로파일 항력을 줄이고 전반적인 공기역학적 성능과 비행 역학을 향상시킵니다.
변형 가능한 날개의 진정한 잠재력은 지능형 제어 시스템을 통해서만 발휘될 수 있습니다. DLR은 이러한 목적을 위해 AI 보조 비행 제어 시스템을 개발했으며, 특히 가변적인 날개 동작 특성을 위해 설계되었습니다. 비행 중에 적응형 알고리즘은 항공기의 실제 반응을 지속적으로 모니터링하고 이를 훈련된 참조 모델과 비교합니다. 난기류, 국부적 손상, 액츄에이터 고장 등 비정상적인 상황이 감지되면 시스템은 날개 전체에 제어 명령을 실시간으로 재분배하여 안정적인 비행을 유지합니다. 또한 알고리즘은 시뮬레이션된 오류 시나리오에 대해 훈련되었으며 기존 고정익 아키텍처에서 심각한 제어 손실로 이어질 수 있는 오류 모드를 식별하고 보상할 수 있습니다.
지각 수준에서도 DLR은 독창적인 솔루션을 채택합니다. 팀은 날개에 넓은 면적의 센서 매트릭스를 배치하는 대신 소수의 측정 지점에서 전체 날개의 공기역학적 압력 분포를 추론하는 방법을 개발했습니다. 이 재구성 기술의 도움으로 비행 제어 시스템은 익형 주변의 기류 상태를 실시간으로 전체적으로 "인식"하고, 재구성된 압력장을 예상 상태와 비교하고, 국지적 교란을 자동으로 식별하고, 증폭되기 전에 적극적으로 대응하고 억제할 수 있습니다.
변형 가능한 날개, AI 비행 제어 및 압력장 재구성 기술의 협력을 통해 morphAIR 날개는 어떤 의미에서 자체 비행 상태를 "느끼고" "생각"하는 능력을 갖췄습니다. 연구자들은 이는 새 날개 표면의 적응성에 가장 가까운 항공기 날개 시도 중 하나로 설명합니다. 현재 이 기술을 탑재한 PROTEUS 드론의 비행 테스트는 주로 시스템의 기본 감항성과 다양한 하위 시스템 간의 통합 및 조정을 검증하여 향후 최적화 및 응용 확장을 위한 기반을 마련합니다.
유사한 변형 날개가 가까운 미래에 대형 상업용 항공기에 진입하는 것은 어려울지라도 드론 분야에서는 유망한 전망을 가지고 있습니다. 다음 단계에서 DLR은 더 큰 규모의 플랫폼으로 기술을 확장할 수 있는 가능성을 입증하기 위해 총 질량이 약 70kg에 달하는 PROTEUS 아키텍처에 대한 추가 테스트 비행을 수행할 계획입니다. DLR은 앞서 비행 중 날개의 실시간 변형 과정을 보여주는 테스트 비행 영상을 공개한 바 있다. 외부 세계에서는 관련 링크를 통해 이 차세대 표면 가변 기술의 실제 성능을 공중에서 관찰할 수 있습니다.