NASA·MIT 연구진, 더 가볍고 효율적인 항공기를 위한 형상 변화 폴리머 날개 개발

NASA 에임스 연구센터(캘리포니아주 마운틴뷰)와 매사추세츠 공과대학(MIT, 매사추세츠주 케임브리지) 엔지니어 팀이 수백 개의 작고 동일한 폴리머 조각으로 이루어진 격자 구조로 조립된 항공기 날개를 제작하고 테스트했습니다. 이 날개는 항공기의 비행을 제어하기 위해 형상을 변경할 수 있다고 보고되었습니다.

혁신적인 날개 설계 및 테스트

이 날개 설계는 NASA 풍동에서 테스트되었으며, Smart Materials and Structures 저널에 게재된 논문에서 설명되었습니다. 공동 저자로는 NASA 에임스의 연구 엔지니어 니콜라스 크레이머, NASA 에임스 엔지니어이자 MIT 졸업생인 케네스 청, MIT 대학원생 벤자민 제넷 등 8명이 참여했습니다.

기존 날개가 롤과 피치를 제어하기 위해 에일러론 같은 별도의 가동 면을 필요로 하는 것과 달리, 새로운 조립 시스템은 딱딱한 구성 요소와 유연한 구성 요소를 구조에 혼합하여 날개 전체 또는 일부를 변형시킬 수 있게 합니다. 볼트로 결합되어 열리고 가벼운 격자 프레임을 형성하는 미세 서브 어셈블리는 프레임과 유사한 폴리머 소재의 얇은 층으로 덮입니다.

메타물질 특성으로 경량화 및 효율성 극대화

연구진에 따르면, 수천 개의 성냥개비 같은 버팀대로 이루어진 미세 삼각형 구조는 대부분 빈 공간으로 구성되어 있어, 고무 같은 폴리머의 구조적 강성과 에어로겔의 극도로 가벼운 무게 및 낮은 밀도를 결합한 기계적 '메타물질'을 형성합니다. 결과적으로 이 날개는 금속이나 복합재로 만든 기존 설계보다 가볍고 에너지 효율이 높습니다.

제넷은 비행의 각 단계마다 최적의 날개 매개변수 세트가 다르다고 설명합니다. 이 시스템은 공기역학적 하중 조건의 변화에 자동으로 반응하여 특정 방식으로 형상을 변경하도록 설계되었습니다.

자율 조립 로봇을 통한 확장 가능한 생산

청과 팀원들이 몇 년 전 1미터 길이의 시연용 날개를 제작한 바 있습니다. 새로운 버전은 약 5배 길이로 실제 1인승 항공기 날개와 크기가 비슷하며, 자율 조립 로봇으로 쉽게 제작할 수 있도록 설계되었습니다. 로봇 조립 시스템의 설계와 테스트는 향후 논문에서 다뤄질 예정입니다.

기존 날개의 개별 부품은 워터젯 시스템으로 절단되어 부품당 몇 분이 걸렸지만, 새로운 시스템은 폴리에틸렌 수지를 복잡한 3D 금형에 사출 성형하여 각 부품(가장자리를 따라 성냥개비 크기의 버팀대로 이루어진 중공 큐브)을 단 17초 만에 생산합니다. 이는 확장 가능한 생산 수준에 훨씬 가깝습니다.

경량 고강도 구조의 상용화 가능성

결과적인 격자의 밀도는 입방미터당 5.6kg입니다. 비교하자면 고무의 밀도는 약 1,500kg/m³입니다. "강성은 같은데 우리 것은 밀도가 약 1/1000 수준입니다."라고 제넷은 말합니다.

날개나 기타 구조의 전체 구성이 미세 서브유닛으로부터 구축되기 때문에, 기존 형태에서 벗어나 통합 동체-날개 구조 등 훨씬 효율적인 설계로 쉽게 변경, 테스트, 수정, 재테스트할 수 있습니다. 이 시스템은 풍력 터빈의 날개 같은 블레이드, 우주 구조물, 교량 및 기타 고성능 구조물에도 적용 가능합니다.

연구팀에는 코넬대, UC 버클리, UC 산타크루즈, NASA 랭글리 연구센터, 리투아니아 카우나스 공대, 퀄리파이드 테크니컬 서비스 등이 참여했으며, NASA ARMD 통합 항공 솔루션 프로그램(MADCAT 프로젝트)과 MIT 비트 앤 원자 센터의 지원을 받았습니다.