서울대학교

기계항공공학부 최해천 교수, 날치가 나는 비밀 밝혀

‘나는 물고기’ 날치는 최대 40초 동안 시속 70km로 400m를 날 수 있다. 제비날치의 경우 폭이 15cm인 양 지느러미를 활짝 편 뒤 수면에서 수 cm 떠 행글라이더처럼 미끄러지듯 난다. 최해천 서울대 기계항공공학부 교수 연구팀은 날치의 나는 비밀을 10일 발간된 영국 과학학술지인 ‘실험생물학저널’에 발표했다.

날치의 비행에는 두 가지 비밀이 있다. 첫 번째는 날치의 날개 역할을 하는 가슴지느러미(앞날개)와 배지느러미(뒷날개)의 각도다. 제비날치는 몸통을 수평으로 눕혔을 때 가슴지느러미 앞쪽이 12∼15도 위로 솟구쳐 있고, 배지느러미 역시 2∼5도 위를 향한다. 서울대 생체모방공학연구실 박형민 선임연구원은 “이러한 각도 차로 두 지느러미 사이에 흐르는 공기의 속도가 일시적으로 빨라져 비행기를 띄우는 힘인 양력(揚力)이 강해진다”고 설명했다.

날치의 글라이딩 비행은 날갯짓을 하지 않고 얼마나 멀리 가느냐가 중요하다. 날치가 높이 날면 멀리 갈 것 같지만 꼭 그렇지 않다. 너무 높이 날면 양력으로 작용하던 가슴지느러미 아래 공기가 가슴지느러미 위로 소용돌이처럼 말려 올라온다. 이를 ‘와류’라고 한다. 와류 현상은 공기저항을 증가시켜 멀리 날지 못하도록 방해한다. 2∼3cm로 낮게 날 때는 와류가 줄어든다. 가슴지느러미 위로 오르기 전에 수면과 부딪쳐 저항이 줄어드는 ‘지면효과(ground effect)’가 나타나기 때문이다. 박 연구원은 “바람이 나오는 풍동실험실에서 날치가 나는 높이에 변화를 줘 공기저항을 측정한 결과 높이가 2.6cm일 때 공기저항은 13cm에서보다 20% 적었다”고 말했다. 제비날치가 13cm 높이로 100m를 날았다면 2.6cm에선 120m를 날 수 있다는 뜻이다.
최교수는 “제비날치는 초파리나 벌 같은 곤충보다 공기저항을 적게 받는다”며 “날치의 날개 구조가 수면에서 5m가량 뜬 상태로 이동하는 ‘날아다니는 배’ 위그선을 만드는 데 도움이 될 것”으로 내다봤다. 위그선 역시 지면효과를 이용해 날기 때문에 제비날치의 비행 방식이 유용할 것으로 기대했다. 

전투기가 숨 가쁘게 움직이며 적기(敵機)를 교란하려면 자유자재로 방향을 바꾸는 능력이 필요하다. 정밀기계설계공동연구소 이상임 연구원은 “까치의 날개 구조를 적용하면 비행기의 방향 전환을 빠르게 할 수 있을 것”으로 보고 올해 5월 연구를 시작했다.

까치 날개 길이는 40cm가량 된다. 주목할 부분은 까치 날개 앞쪽 측면에 있는 ‘작은 날개깃’이다. 작은 날개깃은 사람의 엄지손가락처럼 앞으로 돌출된 부분이다. 이 연구원은 “날개깃의 길이는 전체 10%에 불과하지만 공기저항을 조절해 까치가 방향을 빠르게 바꾸는 데 큰 역할을 한다”고 설명했다.

이 연구원은 “나무가 빽빽한 숲에 서식하는 까치는 장애물을 피해 날아다니는 능력이 뛰어나다”며 “까치의 날개 구조가 무인항공기의 날개를 설계하는 데 도움이 될 것”이라고 말했다.

작고 가벼운 무인항공기 특성상 날개깃을 미세하게 변화시키는 것만으로도 여러 가지 비행 조건에 효과적으로 대응할 수 있기 때문이다. 내년에는 풍동실험으로 까치 날개의 기능을 공기역학적으로 분석하고 2013년에는 실제 비행체 설계에 적용할 계획이다.