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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 항공기 배기가스의 산정과 비행 시나리오 설정에 따른 저감효과 분석 시뮬레이션을 통한 항공기 온실가스 배출량을 최소화하여 미래 기후변화와 에너지고갈에 대비하는 것을 연구목표로 한다.
가설 설정
- 순항고도까지 지속적으로 상승하고 순항 중 고도를 높이는 step cruise 기능은 사용하지 않았다. 항공 교통 관제사가 날씨나 다른 항공기와의 간섭 등의 이유로 고도를 계단식으로 높이면서 날지 못하게 하는 상황을 가정한 것이다.
제안 방법
- Aero2k는 지난 10년 동안의 항공기 관련 데이터들을 개선하여 항공기의 연료 소모량과 온실가스 배출량을 측정하도록 개발되었다[8]. Aero2k는 단일 임무형상의 비행에 대해 상대적으로 정확성이 높으나 판매를 하지 않아 본 연구에서는 그 내부에 포함하고 있는 Piano-X 소프트웨어를 구매하여 설계 유상하중과 항속거리, 비행경로에 따른 연료소모량과 온실가스 배출량을 분석하였으며, 속도변화와 고도변화에 따른 연료소모량 변화도 분석하였다.
- Piano-X를 사용하여 세 가지 기종에 대한 세 가지 설계 유상하중 조건에 대한 항속거리 변화에 따른 항공기 온실가스 배출량을 산정하였다. 각 항공기 별로 상승(climb), 순항(cruise), 하강(descent)과 이 구간을 모두 포함하는 전 구간(block)의 연료소모량(fuel burn)과 질소산화물(NOx), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2) 등 온실가스 배출량을 산출하였다.
- Piano-X를 사용하여 세 가지 기종에 대한 세 가지 설계 유상하중 조건에 대한 항속거리 변화에 따른 항공기 온실가스 배출량을 산정하였다. 각 항공기 별로 상승(climb), 순항(cruise), 하강(descent)과 이 구간을 모두 포함하는 전 구간(block)의 연료소모량(fuel burn)과 질소산화물(NOx), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2) 등 온실가스 배출량을 산출하였다. Piano-X를 사용해 배출량을 산정할 때 따로 CO2 값을 산정하지 않는 것은 연료소모량을 이용하여 CO2 값을 계산할 수 있기 때문이다.
- Piano-X에서 설계 유상하중은 기종의 표준 좌석수와 승객 당 평균무게(승객 및 화물)의 곱으로 정의된다. 각각의 유상하중에 대해서 항속거리를 변화시키면서 온실가스 배출량을 산출하여 비교분석하였다.
- 순항속도 변화에 따른 연료소모량 변화를 분석하기 위해 SA, LTA에 해당하는 항공기 기종을 선정하였다. 각각의 항공기기종에 대하여 고도 35,000 ft로 고정한 후, SA 기종은 항속거리 1000 nm과 2000 nm에 대해, LTA 기종은 2,000 nm과 4,000 nm 각각에 대해 순항 마하수 변화에 따른 연료소모량을 산출하였다(표 1, 그림 11-12).
- 먼저 SA와 LTA급 항공기 기종에 대해 항속거리 1,000 nm, 2,000 nm 두 경우에 대해 속도를 MRC와 LRC로 고정하고 고도를 31,000 ft, 33,000 ft, 35,000 ft로 변화시키면서 연료소모량 변화를 분석하였다(표 2, 표 3).
- 본 연구는 항공기 성능분석 툴인 영국 Lissys사의 Piano-X를 사용하여 항공기 기종을 선정하고 지정된 항속거리에 대해 유상하중 변화에 따른 항공기 온실가스 배출량을 산정하여 민감도 분석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 항공 온실가스 산정 및 예측 시스템의 효율적인 개발을 위해 해외 항공기 온실가스 산정 및 성능해석 프로그램인 Piano-X를 사용하여 여러 항공기 급에 대해 비행거리와 적재량에 따른 항공기 온실가스 배출량 민감도와 순항속도와 고도변화에 따른 연료소모량 변화를 분석하였다.
- 순항속도 변화에 따른 연료소모량 변화를 분석하기 위해 SA, LTA에 해당하는 항공기 기종을 선정하였다. 각각의 항공기기종에 대하여 고도 35,000 ft로 고정한 후, SA 기종은 항속거리 1000 nm과 2000 nm에 대해, LTA 기종은 2,000 nm과 4,000 nm 각각에 대해 순항 마하수 변화에 따른 연료소모량을 산출하였다(표 1, 그림 11-12).
- 앞 절에서 순항속도 변화에 따른 연료소모량을 분석하였고 여기서는 속도와 항속거리를 고정하고 순항고도를 변화시켰을 때 연료소모량이 어떻게 변화하는지를 분석하였다.
- 이 세 가지 항공기는 국내 항공사에서 운항하는 대표적인 기종이다. 유상하중은 설계유상하중(design payload)을 기준으로 100%, 50%, 그리고 0%로 변화시켰다. Piano-X에서 설계 유상하중은 기종의 표준 좌석수와 승객 당 평균무게(승객 및 화물)의 곱으로 정의된다.
대상 데이터
- 먼저, 그림 2에 제시된 SA(single aisle), STA(small twin aisle), LTA(large twin aisle)의 각 그룹을 대표하는 3개 기종을 선정하였다. 이 세 가지 항공기는 국내 항공사에서 운항하는 대표적인 기종이다.
성능/효과
- 그림 14는 항속거리 1,000 nm, MRC 속도와 LRC 속도로 고정했을 때 고도별 연료소모량 변화를 나타낸 그래프이다. MRC 속도, LRC 속도 모두에 대해 순항 고도가 31,000 ft일 때 가장 많은 연료를 소모했고 순항 고도가 35,000 ft일 때 가장 적은 연료를 소모하는 것을 확인할 수 있다. 이를 연료 소모량이 가장 큰 31,000 ft를 기준(0)으로 구체적인 수치로 표 2에 나타내었다.
- 이를 연료 소모량이 가장 큰 31,000 ft를 기준(0)으로 구체적인 수치로 표 2에 나타내었다. MRC 속도로 비행할 때 보다 LRC 속도로 비행할 때 각 고도별 연료 소모량의 차이가 더 적게 감소한 것을 확인할 수 있다. 항속거리만 2,000 nm로 변화시켜 그 결과를 그림 15에 나타내었고 1,000 nm일 경우와 같은 경향을 확인할 수 있다.
- 그림 17은 항속거리 2,000 nm 일 때, LTA급 항공기가 MRC 속도와 LRC 속도로 비행 시 고도별 연료소모량 변화를 나타낸 그래프이다. SA급 항공기와 마찬가지로 MRC 속도, LRC 속도 모두에 대해 순항 고도가 31,000 ft일 때 가장 많은 연료를 소모했고 순항 고도가 35,000 ft일 때 가장 적은 연료를 소모하는 것을 확인할 수 있다.
- 73으로 속도 차이는 크게 나지 않았다. 경제속도는 항속거리 1,000 nm의 경우 MRC 속도와의 값의 차이가 0.005인데 반해 2,000 nm의 경우 값의 차이가 0.02로 항속거리가 늘어남에 따라 경제속도와 MRC 속도의 차이가 커지는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 장거리일수록 속도를 낮춰서 연료소모를 줄이는 것보다 속도를 더 높여 시간을 줄이는 것이 비용절감에 유리한 것으로 판단된다.
- 02로 항속거리가 늘어남에 따라 경제속도와 MRC 속도의 차이가 커지는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 장거리일수록 속도를 낮춰서 연료소모를 줄이는 것보다 속도를 더 높여 시간을 줄이는 것이 비용절감에 유리한 것으로 판단된다. 또한 장거리 운항일수록 MRC 속도와 max 속도의 연료소모량 차이도 더 커진다.
- 또한 속도변화에 따른 연료소모량 변화는 항속거리가 짧을수록 순항 속도가 최소 연료소모량을 내는 속도인 MRC 속도에 가까울 때 비용절감이 최대인 반면 항속거리가 길어질수록 경제속도는 MRC 속도와 멀어지는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 장거리일수록 시간을 절약하는 것이 비용절감에는 더 효과적인 것을 알 수 있었다. 또한, 속도와 항속거리를 고정시키고 고도 변화시켰을 때 SA급 항공기의 경우에는 MRC 속도일 때의 각 고도별 연료 소모량의 차이보다 LRC 속도일 때의 각 고도별 연료 소모량 변화의 차이가 작은 것으로 나타났다.
- 또한 속도변화에 따른 연료소모량 변화는 항속거리가 짧을수록 순항 속도가 최소 연료소모량을 내는 속도인 MRC 속도에 가까울 때 비용절감이 최대인 반면 항속거리가 길어질수록 경제속도는 MRC 속도와 멀어지는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 장거리일수록 시간을 절약하는 것이 비용절감에는 더 효과적인 것을 알 수 있었다.
- 따라서 장거리일수록 시간을 절약하는 것이 비용절감에는 더 효과적인 것을 알 수 있었다. 또한, 속도와 항속거리를 고정시키고 고도 변화시켰을 때 SA급 항공기의 경우에는 MRC 속도일 때의 각 고도별 연료 소모량의 차이보다 LRC 속도일 때의 각 고도별 연료 소모량 변화의 차이가 작은 것으로 나타났다. 반면에 LTA급 항공기의 경우 SA급 항공기와는 반대의 경향을 나타내었다.
- 그림 11을 보면 SA에 해당하는 항공기 기종에 항속거리 1,000 nm, 2,000 nm에 대하여 순항 마하수 변화에 대한 연료소모량을 나타내고 있다. 먼저, 1,000 nm 일 때 MRC 속도는 0.72, 2,000 nm 일 때 MRC 속도는 0.73으로 속도 차이는 크게 나지 않았다. 경제속도는 항속거리 1,000 nm의 경우 MRC 속도와의 값의 차이가 0.
- 연료소모량에 대해 상승, 순항, 하강구간으로 세부 구분했을 때 순항구간의 항속거리와 시간이 가장 크기 때문에 연료 소모량이 가장 컸다. 본 연구 결과를 통해 유상하중에 대한 민감도보다 항속거리에 대한 배기가스 민감도가 훨씬 크다는 것을 확인할 수 있었다.
- 비행거리와 적재량에 따른 배출가스 민감도에서 항속거리가 1,000 nm일 때, 이륙무게 대비 연료 소모량이 가장 적은 항공기 기종은 LTA급의 대표 기종이었고, 가장 큰 항공기 기종은 SA급의 대표 기종이었다. 연료소모량에 대해 상승, 순항, 하강구간으로 세부 구분했을 때 순항구간의 항속거리와 시간이 가장 크기 때문에 연료 소모량이 가장 컸다.
- 전체 성능(block performance)부분에서 보면 block fuel과 block NOx는 예상대로 설계유상하중이 0%에서 50%, 100%로 증가함에 따라 증가하였고, 항속거리가 증가할수록 연료소모량이 많은 것을 그림 5~그림 7에서 확인할 수 있다. 온실가스 배출량은 유상하중보다 항속거리에 대해 더 큰 민감도를 보였다.
- 유상하중 변화에 따른 block fuel과 block NOx는 상대적으로 큰 민감도를 보이는 반면에 block CO는 차이가 작게 나타났다. 그림 5와 그림 6의 block CO 그래프를 살펴보면 설계유상하중이 0%일 때, CO를 가장 많이 배출하여 다른 배기가스배출량 그래프와 반대의 경향을 나타내었다.
- 전체 성능(block performance)부분에서 보면 block fuel과 block NOx는 예상대로 설계유상하중이 0%에서 50%, 100%로 증가함에 따라 증가하였고, 항속거리가 증가할수록 연료소모량이 많은 것을 그림 5~그림 7에서 확인할 수 있다. 온실가스 배출량은 유상하중보다 항속거리에 대해 더 큰 민감도를 보였다.
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