Design optimization of a box-wing for a foldable drone

비행의 세계에는 공중에 떠 있으려는 욕구와 앞으로 나아가려는 욕구 사이의 끊임없는 줄다리기가 존재합니다. 수십 년 동안 엔지니어들은 항공기가 더 적은 에너지로 더 많은 무게를 실거나 더 멀리 이동할 수 있는, 즉 더 효율적인 항공기를 만드는 방법을 모색해 왔습니다. 이 추구 과정에서 가장 오랫동안 지속된 아이디어 중 하나는 박스 윙(box wing)이라 알려진 백 년 된 개념에서 왔습니다. 단일한 평면 날개 대신, 이 설계는 두 개의 날개를 위아 아래로 쌓고 그 끝을 수직 지지대로 연결하여 폐쇄된 상자 모양을 만듭니다. 이 구성은 본질적으로 강한 구조를 만들고 상당한 양의 양력을 생성할 수 있지만, 동시에 항공역학자들에게 복잡한 난제를 제시합니다. 과제는 상단과 하단 날개 위를 흐르는 공기가 서로 충돌하는 대신 서로 협력하도록 모든 곡선과 각도를 형성하는 데 있습니다. 이 아이디어는 고속 비행기 연구에 사용되어 왔지만, 이를 소형 배터리 구동 드론에 적용하는 것은 새로운 일련의 어려움을 불러옵니다. 이 작은 기계들은 훨씬 낮은 속도로 비행하며, 이 속도에서는 공기가 다르게 행동하여 종종 날개가 공기에 대한 접지력을 갑자기 잃게 만드는 난기류 구역을 생성하곤 합니다.

연구팀은 효율적이면서도 휴대하기 실용적인 새로운 종류의 드론 날개를 설계함으로써 이 난제를 해결하고자 했습니다. 그들의 목표는 사용하지 않을 때 배낭이나 작은 컨테이너에 들어갈 수 있도록 접을 수 있는 박스 윙 구성을 만드는 것이었습니다. 이를 달성하기 위해 그들은 추측이나 단순한 시행착오에 의존하지 않았습니다. 대신, 그들은 최적의 성능을 내는 형태를 찾기 위해 수천 가지의 서로 다른 모양을 테스트하는 지치지 않는 탐험가처럼 작동하는 정교한 컴퓨터 시스템을 사용했습니다. 이 시스템은 가능한 모든 설계에 대한 광범위한 탐색과 가장 유망한 영역에 대한 날카로운 집중력을 결합하여, 조금씩 형태를 정교하게 다듬었습니다. 그들은 고해상도 소프트웨어를 사용하여 드론이 유체로서 움직이는 공기 주변을 도는 형상을 모델링하여, 이 유형의 기계의 전형적인 순항 속도인 시속 50km로 드론의 비행을 시뮬레이션했습니다. 목표는 명확했습니다. 드론을 공중에 떠 있게 하는 양력을 극대화하는 동시에, 드론을 느려지게 하는 항력을 최소화하는 것이었습니다.

연구진은 복잡한 3차원 형태를 작고 관리 가능한 조각들로 나누어 단계별로 접근했습니다. 먼저, 날개를 앞뒤로 잘랐을 때 보이는 단면, 즉 날개의 횡단면을 최적화했습니다. 그들은 상단과 하단 날개의 이상적인 모양이 표준 항공기 날개와는 다르다는 것을 발견했습니다. 그것은 두 층 사이의 좁은 공간에서 작동하도록 세심하게 조정되어야 했습니다. 다음으로, 그들은 상단과 하단 날개를 연결하는 수직 부품에 집중했습니다. 이 부분은 매우 중요한데, 왜냐하면 위아래 날개의 난기류 후류 속에 위치하기 때문입니다. 이 연결부를 재형성함으로써, 그들은 전체 날개의 효율성을 작지만 의미 있는 수준으로 개선할 수 있었으며, 이는 아주 작은 설계 요소조차 중요하다는 것을 증명했습니다.

가장 중요한 돌파구는 전체 3차원 구조를 함께 최적화했을 때 나타났습니다. 그들은 컴퓨터가 날개의 길이, 연결 부품의 너비, 그리고 모서리의 각도를 변경하도록 허용했습니다. 결과물은 시작 지점과는 놀라울 정도로 다른 형태를 띠었습니다. 최종 설계는 상단 날개보다 눈에 띄게 좁은 하단 날개를 특징으로 했는데, 이는 성공의 핵심이 된 직관에 어긋나는 선택이었습니다. 이러한 비대칭은 구조 전체에 걸쳐 공기가 더 매끄럽게 흐르도록 도와, 박스 윙 설계에서 흔히 발생하는 항력을 줄여주었습니다. 시뮬레이션 테스트 결과, 이 완전히 최적화된 날개는 원래 설계에 비해 공기역학적 효율성이 16% 향상되었습니다. 나아가, 연구진이 양력의 힘과 효율성을 하나의 성능 척도로 결합했을 때, 새로운 설계는 22%의 증가를 보여주었습니다. 이는 드론이 더 큰 배터리를 필요로 하지 않고도 이론적으로 더 오래 비행하거나 더 무거운 화물을 운반할 수 있음을 의미합니다.

결과의 신뢰성을 확보하기 위해, 팀은 다양한 수준의 세부 사항으로 시뮬레이션을 실행하여 컴퓨터 모델이 더 복잡해지더라도 수치가 일관되게 유지되는지 확인했습니다. 또한, 날개 뒷면에 작은 플랩을 추가하고 이들을 기울이는 것이 비행에 미치는 영향을 별도의 파라메트릭 연구를 통해 테스트하며 드론이 비행 변화에 어떻게 대응하는지 탐구했습니다. 그들은 양력이 약간 증가할 때는 상단 날개의 플랩만 기울이는 것이 가장 좋다는 것을 발견했습니다. 그러나 드론이 가파르게 상승하거나 무거운 짐을 실어야 할 경우에는 두 플랩을 모두 사용해야 했습니다. 컴퓨터는 최적의 효율성을 유지하기 위해 이 플랩들을 움직이는 특정 순서를 제안했는데, 이는 상단 날개가 대부분의 무거운 작업을 수행하고 하단 날락이 수요가 너무 높아질 때 이를 지원한다는 것을 보여주었습니다.

본 연구는 이 접이식 박스 윙 설계가 차세대 드론을 위한 실행 가능하고 매우 효율적인 솔루션이라는 결론을 내립니다. 비록 연구가 전적으로 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 수행되었지만, 결과는 설계 원리가 타당함을 보여줄 만큼 견고합니다. 이 작업은 첨단 컴퓨팅 능력과 전통적인 형태를 재고하려는 의지를 결합함으로써, 엔지니어가 더 유능할 뿐만 아니라 일상적인 사용에 더 실용적인 기계를 만들 수 있음을 강조합니다. 성능 저하 없이 날개를 접을 수 있는 능력은 드론을 원격지로 쉽게 운반하여 즉시 비행할 수 있도록 하는 문을 열어줍니다. 이 연구는 미래의 드론 설계를 위한 출발점으로서, 미래 세대의 접이식 드론 설계를 위한 견고한 토대를 제공합니다.