Features of owl wings that promote silent Flight
Hermann Wagner1, Matthias Weger1, Michael Klaas2 and Wolfgang Schro¨der2
1Institute of Zoology, and 2Institute of Aerodynamics, RWTH Aachen University, Aachen, Germany
Features of owl wings that promote silent flight. Interface Focus 7: 20160078.
http://dx.doi.org/10.1098/rsfs.2016.0078
Abstract
Owls are an order of birds of prey that are known for the development of a silent flight. We review here the morphological adaptations of owls leading to silent flight and discuss also aerodynamic properties of owl wings. We start with early observations (until 2005), and then turn to recent advances.
The large wings of these birds, resulting in low wing loading and a low aspect ratio, contribute to noise reduction by allowing slow flight. The serrations on the leading edge of the wing and the velvet-like surface have an effect on noise reduction and also lead to an improvement of aerodynamic performance.
The fringes at the inner feather vanes reduce noise by gliding into the grooves at the lower wing surface that are formed by barb shafts. The fringed trailing edge of the wing has been shown to reduce trailing edge noise. These adaptations to silent flight have been an inspiration for biologists and engineers for the development of devices with reduced noise production.
Today several biomimetic applications such as a serrated pantograph or a fringed ventilator are available. Finally, we discuss unresolved questions and possible future directions.
올빼미는 조용한 비행이 발달한 것으로 알려진 맹금류의 일종이다. 이 글에서는 올빼미의 형태적 적응(morphological adaptations)이 조용한 비행(silent flight)으로 이어진 과정을 살펴보고 올빼미 날개의 공기역학적 특성에 대해서도 논의한다. 초기 관찰(2005년까지)부터 시작하여 최근의 발전된 연구 결과를 살펴본다.
이런 조류의 큰 날개는 그 결과 낮은 날개하중과 낮은 종횡비가 되어 저속 비행이 가능해서 소음을 줄이는 데 기여한다. 날개 앞전의 톱니 모양과 벨벳 같은 표면은 소음 감소에 영향을 미치며 공기역학적 성능 향상에도 도움이 된다.
내부 깃털 베인(feather vanes)의 술(fringes)은 깃축(barb shafts)에 의해 형성된 아래 날개면에 있는 홈으로 미끄러져 들어가 소음을 줄인다.
날개의 톱니모양 뒷전(fringed trailing edge)은 뒷단 소음을 줄이는 것으로 나타났다. 조용한 비행을 위한 이러한 적응은 생물학자와 엔지니어들이 소음을 줄인 장치를 개발하는 데 영감을 주었다.
오늘날 톱니 모양의 팬터그래프(pantograph)나 술 형태의 인공호흡기와 같은 여러 생체 모방 응용이 나와 있다. 마지막으로 아직 해결되지 않은 질문들과 앞으로의 방향에 대해 논의한다.
조용한 비행을 가능하게 하는 부엉이 날개의 특징과 축류 팬 설계로의 응용
1.서론
부엉이는 조용한 비행이 가능한 새로 유명하다. 이는 주로 야행성 생활 방식 덕분으로, 사냥할 때 먹잇감이 자신을 감지하지 못하도록 소음을 최소화하는 방향으로 진화해왔다. 이 논문에서는 부엉이 날개의 공기역학적 특성과 구조적 특징이 어떻게 소음을 줄이는지 분석하고, 이를 인간이 제작하는 다양한 장치(특히 축류 팬 설계)에 어떻게 적용할 수 있는지를 논의한다.
부엉이의 날개는 일반적인 조류의 날개와 여러 가지 점에서 다르다. 특히 공기 유동을 조절하여 소음을 줄이는 특수한 구조를 갖추고 있다. 이 연구는 부엉이 날개의 형태학적(Morphological) 및 공기역학적(Aerodynamic) 특성을 분석하고, 이를 생체모방(Biomimetics) 설계에 활용할 가능성을 검토한다.
2.부엉이 날개의 조용한 비행 원리
부엉이 날개의 조용한 비행은 여러 가지 공기역학적 원리와 구조적 특성이 조화를 이루어 이루어집니다. 이를 크게 날개의 기하학적 특성, 앞전의 톱니 구조, 뒷전의 술 모양 구조, 벨벳 같은 날개 표면의 네 가지 요소로 정리할 수 있다.
2.1. 저하중, 저종횡비의 큰 날개 (Low Wing Loading & Low Aspect Ratio)
부엉이의 날개는 일반적인 새에 비해 상대적으로 크다. 이로 인해 단위 면적당 하중(Wing Loading)이 낮아져 천천히 비행할 수 있다.
- 날개의 기하학적 특성
- 날개의 종횡비(Aspect Ratio)가 낮아, 저속에서도 안정적인 비행이 가능하다.
- 날개 면적이 넓어 단위 면적당 하중(Wing Loading)이 줄어들어, 비행 시 날개 치는 속도를 줄일 수 있다.
- 낮은 속도로 날아가는 것이 가능해져 공기 저항이 줄고, 이에 따른 소음도 감소한다.
- 소음 감소 효과
- 부엉이는 초저속으로 날아갈 수 있기 때문에, 공기가 날개를 지나갈 때 발생하는 난류가 감소한다.
- 난류가 감소하면 난기류로 인해 발생하는 소음도 자연스럽게 줄어들게 된다.
2.2. 선단 가장자리의 톱니 구조 (Leading Edge Serrations)
부엉이 날개의 앞전에는 작은 톱니 형태의 구조가 있다.
- 역할:
- 공기가 날개를 지나면서 큰 소용돌이를 형성하지 않도록 도와준다.
- 난류를 미세한 소용돌이(micro-turbulence)로 변환하여, 보다 안정적인 공기 유동을 유지한다.
- 공기 저항을 줄이고, 항력(Drag)을 감소시키는 효과도 있다.
- 소음 감소 효과:
- 일반적으로 날개의 앞쪽에서 발생하는 난류는 유동을 방해하고, 큰 소음을 유발한다.
- 하지만 톱니 구조는 난류를 미세하게 나누어 전체적인 소음 수준을 낮추는 데 기여한다.
2.3. 후방 가장자리의 술 모양 구조 (Trailing Edge Fringes)
부엉이 날개의 뒤쪽 가장자리는 부드러운 술 모양의 구조를 가지고 있다.
- 역할:
- 공기 유동이 날개에서 떨어지는 과정에서 발생하는 와류 흘림(Vortex Shedding)을 줄이는 역할을 한다.
- 일반적으로 딧전은 강한 와류를 발생시키며, 이는 비행 소음의 주요 원인이 된다.
- 하지만 부엉이의 뒷전은 점진적으로 공기를 분산시키면서 소음을 최소화한다.
- 소음 감소 효과:
- 공기가 보다 부드럽게 빠져나가도록 유도하여 날개 뒷전에서 발생하는 와류 소음을 줄인다.
- 이로 인해 전체적인 비행 소음이 감소하며, 부엉이가 사냥 시 조용히 움직일 수 있다.
2.4. 벨벳 같은 날개 표면 (Velvet-Like Surface)
부엉이의 날개 표면은 마치 벨벳처럼 미세한 섬유질 구조를 가지고 있다.
- 역할:
- 공기가 표면과 접촉할 때 마찰을 줄이고, 부드러운 유동을 형성한다.
- 공기와 날개 사이의 경계를 조정하여 난류를 줄이는 효과가 있다.
- 표면의 미세한 구조가 소리를 흡수하는 역할도 수행한다.
- 소음 감소 효과:
- 일반적인 새의 날개는 공기가 지나갈 때 거친 소음을 발생시키지만, 부엉이의 날개는 이를 최소화한다.
- 특히 고주파 대역의 소음을 줄이는 데 효과적이다.
3.축류 팬(Axial Fan) 설계에의 응용
부엉이의 날개에서 얻은 공기역학적 원리를 활용하여, 축류 팬을 보다 저소음으로 설계할 수 있다.
3.1. 팬 블레이드 앞전 톱니 구조 적용
- 팬 블레이드 앞전에 미세한 톱니 구조를 추가하여 공기 유동을 부드럽게 만든다.
- 난류를 미세하게 나누어 소음을 줄이는 효과가 있다.
3.2. 뒷전 술 모양 구조 도입
- 팬 블레이드 뒷전을 부드럽게 처리하여 공기가 보다 안정적으로 빠져나가도록 유도한다.
- 후방 난류를 제어하여 소음을 최소화할 수 있다.
3.3. 블레이드 표면 마이크로 패턴 또는 특수 코팅
- 팬 블레이드 표면을 벨벳 같은 미세한 질감으로 처리하면 공기 마찰을 줄일 수 있다.
- 소음 저감 효과가 있는 나노소재를 활용하여 팬의 성능을 향상시킬 수 있다.
4.생체모방 팬 설계의 도전 과제
부엉이 날개의 원리를 팬 설계에 적용하는 데 있어 몇 가지 기술적 과제가 존재한다.
- 제조 공정의 복잡성
- 팬 블레이드에 미세한 톱니 구조 및 벨벳 같은 질감을 추가하는 것이 어렵다.
- 적절한 소재 개발 필요
- 내구성이 높으면서도 가벼운 소재를 사용해야 한다.
- 공기역학적 최적화 필요
- CFD 시뮬레이션과 실험을 통한 최적화가 필요하다.
5.결론
부엉이의 날개는 자연이 수백만 년 동안 진화시킨 최적의 설계이다. 이를 팬 설계에 적용하면 소음이 적고 효율이 높은 팬을 만들 수 있다. 생체모방 기술이 더욱 발전하면, 다양한 산업에서 활용될 가능성이 크다.
자연이 제공하는 해답을 적용하는 것은 혁신적인 엔지니어링 발전의 시작점이 될 것이다.
