작성자: Lauren Nagel
풍동은 물체의 공기역학적 특성을 파악하는 데 유용한 장비입니다. 작동 방식이 서로 다른 여러 종류의 풍동이 있습니다.
이 글에서는 다음 내용을 다룹니다:
- 풍동의 작동 원리
- 풍동의 종류(속도, 개방형 및 폐쇄형 환기 방식, 개방형 풍동, CFD)
- 항공기 설계에 활용되는 풍동
- 풍동 종류 비교
1. 풍동의 작동 원리
풍동은 비행 조건을 재현하기 위해 통제된 환경에서 바람을 생성하는 데 탁월한 도구입니다.
하나 이상의 팬을 사용하여 물체에 공기를 불어넣으면 물체와 주변 기류 사이의 상호작용을 시각화하여 공기역학적 특성을 예측할 수 있습니다.
그림 1: 풍동 테스트 영역에 모형 항공기 설치
전통적인 풍동 테스트에서는 팬으로 바람을 생성하여 관심 물체가 설치된 테스트 영역으로 통과시킵니다. 풍동 자체는 크기와 모양이 다양합니다.
대부분의 풍동은 개방형 또는 폐쇄형 환기 방식을 사용합니다. 일부 초음속 테스트에서는 테스트 영역 상류의 고압 수조와 하류의 저압 저장조 사이의 압력 차이를 이용하는 블로우다운 방식의 풍동도 사용될 수 있습니다.
풍동 테스트에서는 기압 센서, 힘 측정 장치, 연기, 오일, 페인트와 같은 물리적 지시계를 조합하여 물체가 기류와 어떻게 상호작용하는지 파악할 수 있습니다.
고급 방법으로는 압력 변화에 따라 색상이 변하는 압력 감지 페인트와 테스트 영역의 평면을 통과하는 입자의 속도를 레이저 시트로 추적하는 입자 이미지 유속법이 있습니다.
그림 2: 풍동에서 테스트되는 미국 해군 항공기 실물
2. 풍동의 종류
속도, 구성, 방식, 출력 등 다양한 기준으로 풍동의 종류를 구분할 수 있습니다.
풍동 속도
전통적인 풍동은 테스트 영역을 통과하는 공기의 속도를 음속(마하 1)과 비교하여 분류합니다. 아음속(마하 <0.8), 천음속(마하 0.8 – 1.2), 초음속(마하 1.2 – 5.0), 극초음속(마하 >5.0)의 네 가지 범주로 나뉩니다.
각 범주의 경계는 해당 속도에서 비행할 때 고려해야 하는 압축성 효과의 크기를 기준으로 합니다.
물체의 속도가 빨라질수록 주변 가스가 압축되어 유체 밀도가 변하고 항공기에 작용하는 힘의 크기도 달라집니다.
이러한 효과는 아음속에서는 발생하지 않지만 천음속, 초음속, 극초음속에서는 고유한 영향을 미치므로 이와 같이 분류합니다.
개방형 및 폐쇄형 환기 방식
풍동은 다양한 구성으로 제작되지만 개방형 및 폐쇄형 환기 방식이 가장 흔하며, 형태와 공기 순환 방식에서 차이가 있습니다.
개방형 풍동은 테스트 영역 양쪽 끝이 열려 있으며 풍동이 설치된 주변 환경에서 공기를 끌어들입니다.
공기가 테스트 영역을 통과해 풍동 한쪽 끝으로 나가면 실내를 통해 풍동 입구로 재순환되어 다시 풍동으로 들어갑니다(그림 3).
테스트 영역이 개방된 개방형 풍동은 에펠탑의 에펠이 파리에 있는 풍동을 이용해 익형의 양력 특성을 연구한 데서 이름을 따온 “에펠 풍동”이라고도 합니다.
테스트 영역이 폐쇄된 개방형 풍동은 처음 사용된 국립물리연구소의 이름을 따서 “NPL 풍동”이라고도 합니다.
그림 3: 개방형 환기 풍동(grc.nasa.gov)
폐쇄형 풍동은 풍동 내부에서 공기를 테스트 영역으로 순환시키는 독립된 회로를 사용합니다(그림 4).
풍동이 장치를 둘러싼 테스트 환경에 개방되어 있지 않으므로 동일한 공기가 반복해서 순환됩니다. 방향 전환 날개는 풍동 전체에서 기류가 더 부드럽게 방향을 바꿀 수 있도록 돕습니다.
폐쇄형 풍동은 초음속 충격파에 관한 최초의 이론을 정립한 루트비히 프란틀의 이름을 따서 “프란틀 풍동”이라고도 합니다. 또한 처음 사용된 독일 연구소의 이름을 따서 “괴팅겐 풍동”이라고도 합니다.
그림 4: 폐쇄형 환기 풍동(grc.nasa.gov)
이러한 전통적인 풍동의 장점으로는 고속 기류를 생성할 수 있고 테스트 영역을 제한할 수 있다는 점이 있습니다.
하지만 테스트 영역이 제한되면 공간이 한정되어 움직이는 항공기를 테스트하기가 더 어려워집니다. 실물 항공기를 테스트할 수 있는 풍동은 제작 비용이 매우 비싸기 때문에 전통적인 풍동 테스트에서는 모형을 자주 사용합니다.
캘리포니아주 NASA 에임스 연구센터에 위치한 세계 최대 규모의 풍동은 80피트 x 120피트 크기로, 40피트 x 80피트 크기의 더 작은 풍동을 개조하여 제작되었습니다. 1979년 당시 프로젝트 예산은 8,500만 달러였으며, 이는 현재 가치로 약 3억 5,000만 달러에 해당합니다.
개방형 풍 “풍동” / 윈드셰이퍼
개방형 풍동 또는 윈드셰이퍼는 전통적인 폐쇄형 풍동을 대체할 수 있는 유망한 대안입니다.
이 방식은 물리적인 풍동의 경계가 없으므로 항공기와 드론의 자유 비행 테스트에 특히 적합합니다. 이러한 개방형 시설은 전통적인 풍동의 훨씬 적은 비용으로 동일한 크기의 항공기를 테스트할 수 있습니다.
개방형 풍동은 테스트 영역이 환경에 개방되어 있고 풍동 내부에 갇혀 있지 않다는 점에서 전통적인 풍동과 다릅니다(그림 7).
팬 벽이 세 변수 함수(x, y, z)를 기반으로 3D 기류를 생성합니다. 이 함수는 개별 팬에 정보를 전달하여 파동, 난류, 돌풍 등 온갖 종류의 풍속 프로파일을 생성할 수 있습니다.
기류는 항공기가 위치한 개방형 테스트 영역으로 향합니다. 이를 통해 항공기를 고정하지 않고 자유롭게 비행할 수 있습니다.
추가 읽을거리: UAV의 모터와 프로펠러를 테스트해야 하는 이유
그림 7: 개방형 풍동(윈드셰이퍼)을 이용한 드론 테스트
개방형 시스템을 이용한 기류 시각화는 모션 트래킹과 유속 프로브 기술을 동시에 사용하여 가능합니다.
기류 시각화 소프트웨어는 두 소스의 데이터를 결합한 다음 처리, 보간 및 시각화합니다(그림 8).
수집된 데이터는 실시간으로 시각화하거나 표준 CFD 시각화 도구를 사용하여 나중에 분석할 수 있습니다.
그림 8: Streamwise의 ProCap 기술을 이용한 드론 기류 시각화
하나 또는 여러 개의 팬 벽으로 생성되는 다양한 풍속 프로파일은 험난한 날씨를 뚫고 비행하거나 건물 및 지형 주변을 비행하는 상황을 시뮬레이션하는 데 매우 유용합니다.
캐나다 정부의 이 동영상은 예를 들어 드론을 이용한 도심 비행의 어려움과 도심 조종사가 갖춰야 할 기술을 훌륭하게 보여줍니다.
테스트 영역이 개방되어 있기 때문에 개방형 풍동에서는 이착륙 구성도 테스트할 수 있습니다.
윈드셰이퍼는 최대 90도까지 회전할 수 있는 틸팅 기능을 제공합니다. 이를 통해 사용자는 지면 효과, 상승 기류, 측풍 등을 시뮬레이션하면서 비행에서 가장 중요한 단계들을 연습할 수 있습니다.
또한 비, 눈, 안개와 같은 기상 효과를 테스트 영역에 추가할 수 있습니다 (그림 9).
그림 9: 우천 조건에서 드론 테스트
개방형 풍동은 동일한 단면적을 가진 전통적인 풍동에 비해 상대적으로 저렴합니다. 따라서 더 실용적인 자유 비행 테스트를 제공합니다.
아직 천음속에 도달하는 개방형 풍동은 제작되지 않았으며, 이는 이 방식의 단점 중 하나입니다.
컴퓨터 시뮬레이션 / CFD
컴퓨터 기반 풍동 시뮬레이션 또는 전산유체역학(CFD)은 물체의 공기역학적 특성을 파악하기 위해 독립적으로 또는 물리적 테스트와 병행하여 사용할 수 있습니다.
예산이 한정된 프로젝트에서는 시뮬레이션이 물체를 평가하는 유일한 방법일 수 있으며, 더 큰 프로젝트에서는 물리적 풍동 테스트를 보완하고 정보를 제공하는 데 활용될 수 있습니다.
그림 5: AirShaper가 시각화한 플랩 위 기류
컴퓨터 기반 프로그램은 항공기의 3D 모델이나 3D 스캔과 같은 최소한의 입력만으로 시작할 수 있습니다. 모델을 테스트 소프트웨어에 업로드한 후 다양한 시뮬레이션 풍속 조건에 노출합니다.
사용자는 풍속, 받음각, 항공기 움직임 및 유체의 특성을 제어할 수 있습니다.
시뮬레이션 결과는 풍속 형태, 표면 압력, 항공기 일부를 따라 발생하는 기류 박리 등 핵심 정보를 제공합니다(그림 6).
CFD 입문자를 위해 NASA는 공기역학 및 추진의 기초를 가르치도록 설계된 여러 무료 풍동 소프트웨어를 제공합니다. 더 고급 상업용 용도로는 AirShaper 및 SimScale과 같은 회사가 고객이 상세한 모델과 포괄적인 풍속 프로파일을 생성할 수 있는 솔루션을 제공합니다.
그림 6: SimScale CFD 기술을 이용한 항공기 랜딩 기어 기류 시각화
전반적으로 CFD는 이론적인 공기역학 데이터를 수집하는 비용 효율적인 방법이며, 특히 기술이 발전함에 따라 더욱 그러합니다.
하지만 결국 데이터는 이론적인 것에 불과합니다.
우리는 CFD 데이터가 프로펠러 테스트에서 실제 환경과 어떻게 비교되는지 알아보기 위해 실험을 수행했으며, 그 결과는 매우 흥미로웠습니다.
신흥 트렌드와 풍동 기술의 미래
풍동의 미래는 CFD와 AI를 실험 데이터와 결합하는 데 있습니다. 이러한 기술의 융합은 실험과 수치 시뮬레이션을 실시간으로 통합합니다. Optomet의 SMART 시스템과 같은 스마트 풍동은 물체 표면에 닿지 않고 진동과 공기역학을 측정하는 레이저 기반 도구를 사용하여 테스트되는 차량 위의 기류가 방해받지 않도록 합니다. 이 시스템은 AI와 통합되어 신호 노이즈를 자동으로 필터링하고 실시간으로 측정값을 조정합니다. 이를 통해 수동 재보정 없이 고속 테스트 중에 데이터를 더 정확하게 수집할 수 있습니다.
그림 7: Optomet의 SMART 풍동
극저온 풍동은 액체 질소 냉각을 사용하여 높은 레이놀즈 수에 도달합니다. 이를 통해 초음속 비행 환경을 시뮬레이션할 수 있습니다. 독일 쾰른 극저온 풍동은 이 기술을 사용하는 폐쇄형 회로 풍동입니다. 액체 질소를 주입하여 가스 온도를 100K까지 낮춥니다. 온도를 낮추면 공기 밀도가 증가하고 점성이 감소하여 모델의 크기나 풍속을 변경하지 않고도 더 높은 레이놀즈 수를 얻을 수 있습니다 [1].
그림 8: 쾰른의 극저온 풍동
3. 풍동이 항공기 설계에 사용되는 방법
풍동은 공기역학을 개선할 수 있는 영역을 파악하여 항공기 제작자가 설계를 개선하는 데 도움을 줄 수 있습니다.
이를 통해 설계자는 양항비(양력 대 항력 비율)를 개선할 수 있으며, 이는 비행 시간 연장과 난류 저항성 향상으로 이어질 수 있습니다.
더욱 발전된 풍동은 난류와 측풍을 시뮬레이션하여 다양한 비행 상황에서의 성능을 연구할 수도 있습니다.
필요한 풍동의 크기는 항공기의 크기와 수행되는 테스트의 종류에 따라 달라집니다. 일부 풍동은 실물 항공기를 테스트할 수 있을 만큼 크지만, 다른 풍동은 실물 버전의 특성을 추정하기 위해 모형을 사용합니다.
예를 들어, 고정된 항공기 모형을 테스트하는 것과 비교하면 자유 비행 테스트에는 더 큰 풍동이 필요합니다.
4. 풍동 종류 비교
다음은 세 가지 종류의 풍동을 비교한 것입니다:
결론
전통적인 풍동 테스트와 CFD에 대한 자세한 정보는 본문에 언급된 회사와 링크를 확인해 보십시오.
개방형 풍동 테스트(윈드셰이퍼)에 대한 자세한 정보는 당사의 풍동 테스트 랜딩 페이지를 확인해 보십시오.
추가 읽을거리: 오타와 대학의 풍동 테스트
참고 문헌
[1] D. K. Paul, H. M. Robin, N. Paul, M. M. Ahmed, M. H. Masud, “항공기 개발에서 풍동 시험의 발전과 응용: 최신 기술 개요,” Eng. Sci. Technol. Int. J., vol. 72, p. 102244, 2025년 12월, doi: 10.1016/j.jestch.2025.102244.