이영재
(Department of Aerospace Information Engineering, Konkuk University)
,
곽태호
(Department of Aerospace Information Engineering, Konkuk University)
,
정구문
(Department of Aerospace Information Engineering, Konkuk University)
,
안재현
(Department of Aerospace Information Engineering, Konkuk University)
,
정봉철
(Department of Aerospace Information Engineering, Konkuk University)
,
이재우
(Department of Aerospace Information Engineering, Konkuk University)
인공지능, 자율항법 등 4차 산업의 기술들이 발전하면서 도심항공교통(UAM)이 도심의 교통 체증에 대한 효과적인 대안으로 고려되고 있으며, 한국을 비롯한 세계의 많은 기업들이 비행체 개발과 운용 체계 연구를 수행하고 있다. 본 연구에서는 도심항공교통의 운용에 필요한 요소들을 식별, 분류한 뒤 운용 체계 개념을 수립하였으며, 각 요소별로 세부적 고려사항들을 분석하였다. 운용 체계 개념 분석 결과를 기반으로 서울시와 경인권을 연결하는 도심항공교통 운항경로를 구축하였으며, 비행체의 성능 분석을 통하여 구축된 운항경로가 운용이 가능함을 확인하였다. 본 경로 분석연구는 추후 국내 여러 도시의 도심항공교통 운항경로 수립에 적용이 가능할 것으로 예측된다.
인공지능, 자율항법 등 4차 산업의 기술들이 발전하면서 도심항공교통(UAM)이 도심의 교통 체증에 대한 효과적인 대안으로 고려되고 있으며, 한국을 비롯한 세계의 많은 기업들이 비행체 개발과 운용 체계 연구를 수행하고 있다. 본 연구에서는 도심항공교통의 운용에 필요한 요소들을 식별, 분류한 뒤 운용 체계 개념을 수립하였으며, 각 요소별로 세부적 고려사항들을 분석하였다. 운용 체계 개념 분석 결과를 기반으로 서울시와 경인권을 연결하는 도심항공교통 운항경로를 구축하였으며, 비행체의 성능 분석을 통하여 구축된 운항경로가 운용이 가능함을 확인하였다. 본 경로 분석연구는 추후 국내 여러 도시의 도심항공교통 운항경로 수립에 적용이 가능할 것으로 예측된다.
With the advent of industry 4.0 technologies like the artificial intelligence and the autonomous flight, 'Urban Air Mobility (UAM)' is being considered as an effective alternative to resolve the ground urban traffic congestion. Accordingly, many companies in the world including Korea are investigati...
With the advent of industry 4.0 technologies like the artificial intelligence and the autonomous flight, 'Urban Air Mobility (UAM)' is being considered as an effective alternative to resolve the ground urban traffic congestion. Accordingly, many companies in the world including Korea are investigating on the development of UAM vehicles and operation systems. In this study, after identifying and classifying the essential elements of the UAM operation, the UAM system operational concept has been derived, then detailed analyses for each element has been performed. Based on the conceptual analysis of the UAM operation system, UAM flight routes in Seoul and Gyeong-In area have been established and confirmed to be operable through the performance analysis of UAM vehicles. The flight route analysis in this study is expected to be applied to UAM flight routes establishment in various cities in the future.
With the advent of industry 4.0 technologies like the artificial intelligence and the autonomous flight, 'Urban Air Mobility (UAM)' is being considered as an effective alternative to resolve the ground urban traffic congestion. Accordingly, many companies in the world including Korea are investigating on the development of UAM vehicles and operation systems. In this study, after identifying and classifying the essential elements of the UAM operation, the UAM system operational concept has been derived, then detailed analyses for each element has been performed. Based on the conceptual analysis of the UAM operation system, UAM flight routes in Seoul and Gyeong-In area have been established and confirmed to be operable through the performance analysis of UAM vehicles. The flight route analysis in this study is expected to be applied to UAM flight routes establishment in various cities in the future.
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문제 정의
명확히 분류된 개념은 UAM 체계를 구축하는데 있어 어떠한 요소들을 어떻게 고려해야 하는지 올바른 방향을 제시해 준다. 뿐만 아니라 운항 경로를 구축하고 각종 이해관계자들의 운용 아키텍처를 정립하는 데에도 기여를 한다.
연구에 앞서 UAM 운용 체계에 대한 요소들이 어떻게 구성되어야 하고 어떤 세부항목이 있는지 확인하기 위해 주요 국가들의 UAM 관련 연구 동향을 분석하였다. 기존 비행체들과는 매우 다른 범위를 가지기 때문에, 크게 비행체 연구 동향과 운용 연구 동향으로 나누어 각각의 동향을 분석하였다.
가설 설정
대체로 서울 및 경인 지역은 소음을 고려하여 기존 시계 비행 회랑(VFR Corridor)이 설정되어 있기 때문에 이 부분을 최대한 활용하였다. 또한 경인권은 최대한 서해안에 인접하여 경로를 설정하였으며, 안전등의 이유로 소음 구역을 통과할 수밖에 없는 경우는 비행 제한 시간(Curfew Time)을 설정하여 운항을 하는 방식으로 가정하였다.
다만한강 회랑을 따라 운항을 하는 관계로 기동 횟수가많은 점을 고려하여 본래의 순항 속도보다는 조금 느리게 속도를 200 km/s로 맞추어 계산하였다. 상승 및 하강 속도의 경우, 해당 데이터가 공개되지 않았기 때문에, 비슷한 비행체의 일반적인 상승 및 하강률을 토대로 가정하여 계산하였다. 이에 OPPAV의 소요 시간은 지상교통수단의 소요 시간과 비교하였을 때 약 17%로 절감되었으며, 이는 상대적으로 느린 속도로 순항하는 CityAirbus보다 더 시간 절감 효과가 크다는 의미를 가진다.
잠실역은 김포공항으로부터 9호선으로 직행으로 연결되어 있지 않아 환승을 해야 하는 관계로 이동에 제한이 되고, 유동 인구가 많으며 지상 복합 환승 센터가 있어 광역권으로의 연결이 용이하기 때문에 최적의 장소중 하나로 판단하였다. 이 구간의 지상 교통 체증을 피하기 위하여 한강 회랑을 기반으로 운항을 하는 것으로 가정을 하였고 이를 토대로 Fig. 13과 같이 Mission Profile을 수립하였다[1].
이·착륙지점 대상은 UAM 초기 운용 모델로 가장 적합한 공항 항공 셔틀을 가정하여 수립하였다. 따라서 김포공항과 인천공항을 기본 이·착륙지점으로 설정하는 동시에, 유동인구가 많은 지역과 지하철, 고속 철도 등 지상 연계 교통수단이 활용될 수 있는 곳을 위주로 선정하였다.
있게 된다. 이를 해소하고자 관리비행규칙이 제정되어 따라야 하는 것으로 가정하였으며, 각 시각참조점들을 Waypoint화 시킨 뒤, 이를 서로 연결하여 저고도 경로(Track)를 구성하여 이 경로를 따라 운항을 하는 것으로 설정하였다. 순항 고도의 경우 관리비행 규칙을 따를 수 있는 1,000 ft, 및 2,000 ft AGL을 따르는 것으로 설정하였다.
항공 교통 측면으로 보았을 때, 서울과 인천 및 경기 지역은 UAM 통신·항법 체계로 활용될 수 있는 이동통신 시설 또는 GPS 기반 시설이 경로를 중심으로 방향이 설정되고 인프라 또한 충분히 수립되어있는 것으로 가정하였다. 현재까지는 UAM 통신 체계 기준에 대해 명확히 수립된 바가 없지만, C2, 이동통신, WiMAX, AeroMACS, 위성 통신 등의 방안이 다양하게 고려되고 있다.
제안 방법
6과 같이 우버는 기존 헬리패드(Helipad)의 규정을 반영하여 Skyport 개념을 선보였다. Sky port는 미국 연방항공청의 헬리패드 규정과 우버에서 비행체의 크기를 기반으로 제안한 비행체의 설계 사양을 반영하여 50 ft의 TLOF(Touchdown and Lift Off) 구역, 75 ft의 FATO(Final Approach and Takeoff) 구역 그리고 108.4 ft의 안전 구역(Safety Area)으로구성하였다. 또한 고속 충전 시설이 구축되어 여러 비행체가 동시에 충전이 가능하도록 구성하였다[6].
UAM 분야의 국내·외 연구 동향을 분석하여 이를 기반으로 비행체, 환경, 규정, 교통, 인프라의 다섯 가지 요소로 구성된 UAM 운용 체계 개념을 수립하였다. 그리고 이 다섯 가지 요소에 해당되는 세부 항목들이 어떤 것들이 있는지 정의하고 세부적으로 정의하였다.
각 필요 항목들을 가진 다섯 가지 요소들로 구성된 UAM 운용 체계 개념을 기반으로 운항경로를 수립하였다. 초기 운항경로 개념을 수립할 때에는 UAM 운용 체계 구성 요소들이 필수적이며, 향후 UAM 운용이 증가할 시 공역 확장과 경로의 다중화 측면에서 활용될 수 있기 때문에 UAM 운용 체계 개념이 운항 경로 구축에 있어 매우 중요한 의미를 가진다.
UAM 비행체가 회랑을 따라 운용을 하기 위해서는 기존 비행체들처럼 비행 계획을 PSU에 제출하고 회랑 내에서 정밀한 항법 비행과 고도 유지를 통해 다른 비행체들과 분리를 할 수 있도록 필수 탑재 장비를 구비해야 한다는 전제를 두었다. 그리고 만일 UAM 비행체 교통량이 많아지면 Fig. 8처럼 회랑 내에 다수의 트랙(Track)을 설정하여 운용되도록 개념을 구축하였다[11]. 한국도 초기에는 미국에서 제시한 개념과 같이 UAM 회랑을 구축하여 운항 환경을 마련할 필요가 있다.
기존 비행체들과는 매우 다른 범위를 가지기 때문에, 크게 비행체 연구 동향과 운용 연구 동향으로 나누어 각각의 동향을 분석하였다.
한편 OPPAV의 경우는 Table 4와 같이 15분 33초가 소요되는 것으로 분석되었다. 다만한강 회랑을 따라 운항을 하는 관계로 기동 횟수가많은 점을 고려하여 본래의 순항 속도보다는 조금 느리게 속도를 200 km/s로 맞추어 계산하였다. 상승 및 하강 속도의 경우, 해당 데이터가 공개되지 않았기 때문에, 비슷한 비행체의 일반적인 상승 및 하강률을 토대로 가정하여 계산하였다.
다섯 가지 구성 요소로 정의된 UAM 운용 체계를 토대로 UAM 운항경로를 설정하였다. UAM 운항 경로 설정에 있어서는 공역 운용 상 제한, 각 공항들의 관제권 구성, 이·착륙장 시설 선정과 관련된 규정들과 인프라 요소가 주요 고려 대상이 되었다.
서울은 금지 구역, 제한구역, 위험 구역 등 다양한 공역들로 구성되어 있으며, 서울공항, 김포국제공항, 인천국제공항 등 운항 편수가 매우 많은 복잡한 공항 관제권을 형성하고 있고, 인구가 1,000만 명이 넘어 안전과 관련된 요소들이 매우 많기 때문에 운항경로 구축 사례 도시로 적합하다고 판단하였다. 따라서 본 연구에서는 서울시와 경인권을 대상으로 지역적인 요건들을 UAM 운용 체계 구성 요소 관점으로 접근하여 분석한 뒤, 이를 통해 UAM 운항경로를 구축하였다.
각 공역들은 서로 이원화되는 것처럼 보이지만 각 비행체들의 안전한 운항을 위해 서로 유기적으로 연결되어 있다. 따라서 세 영역의 관리자들이 운용과 관련된 각종 정보를 교환하여 비행체들 간의 간격 분리, 충돌 방지 등을 실현시켜 안전한 운항 관리와 감시 등의 업무를 수행한다. 이 때문에 UAM 비행체를 포함하여 기존 고정익 항공기와 헬리콥터, 그리고 소형 무인항공기들이 서로 안전하게 운항하려면 각각의 교통흐름관리 체계들이 밀접하게 연결되어 정보를 교환할 수 있어야 한다.
4 ft의 안전 구역(Safety Area)으로구성하였다. 또한 고속 충전 시설이 구축되어 여러 비행체가 동시에 충전이 가능하도록 구성하였다[6].
이렇게 수립된 경로를 중심으로 일정한 크기의 UAM 회랑(UAM Corridor)을 만들어 UASP와 같은 특정 관계자의 감시, 지원 등에 의해 통제되는 방식으로 운용이 된다면 충분히 안전한 운항이 가능할 것으로 판단하고 있다. 또한 지역적인 악기상으로 인해 하나의 UAM 회랑이 폐쇄될 경우 이를 우회하여 운용할 수 있도록 서편의 김포공항 회랑, 동편의 관악산 회랑으로 복선화시켰다.
마지막으로 비행체 성능은 본 단계에서 고려하지 않고, 앞으로 수립될 경로를 기반으로 현재 개발 중인 비행체의 성능을 반영하여 타당하게 수립되었는지 분석을 하는 방식을 따랐다.
소음 민감 구역의 경우, Skyvector에 노란색 음역으로 표시된 소음 지역을 대상으로 선정하였다[12]. 마찬가지로 공항이나 도심 이·착륙지점으로 입·출항 시 주변 건물이나 지형 장애물을 우회하는 방향으로 경로를 설정하였다. 이렇게 수립된 경로를 중심으로 일정한 크기의 UAM 회랑(UAM Corridor)을 만들어 UASP와 같은 특정 관계자의 감시, 지원 등에 의해 통제되는 방식으로 운용이 된다면 충분히 안전한 운항이 가능할 것으로 판단하고 있다.
뿐만 아니라 운항 경로를 구축하고 각종 이해관계자들의 운용 아키텍처를 정립하는 데에도 기여를 한다. 본 연구에서는 비행체 및 운용 관련 연구 동향 분석 결과들과 기존 항공기의 운용 체계 구성 항목 분석 결과를 통해 UAM 운용 체계 개념을 Fig. 3과 같이 비행체(Vehicle), 환경 (Environment), 규정(Regulations), 교통(Traffic), 그리고 인프라(Infrastructure)의 다섯 가지로 분류하였다.
또한 이동통신, WiMAX, AeroMACS, C2 등의 통신 도달 범위를 고려한 교통 체계와 소음 민감 지역 등을 고려한 환경 요소도 함께 반영되었다. 비행체와 관련된 요소의 경우, 수립된 경로를 기반으로 현재 개발 중인 비행체가 정상적으로 운항이 되는지 분석 및 검증하는 방식으로 고려되었다.
위와 같은 다섯 가지 요소들과 세부 항목들을 기반으로 완전한 UAM 운용 체계 개념을 수립하였다. 다섯 가지 요소들이 통합되어 하나의 운용 체계가 수립되면, 이를 기반으로 이해관계자들을 정의할 수 있는 동시에 운용 아키텍처를 구축할 수 있다.
위와 같이 수립된 서울 및 경인권의 UAM 운항 경로를 통해 운항이 가능한지 확인하고자 Mission Profile을 수립하고 개발 중인 UAM 비행체를 기반으로 성능 분석을 수행하였다.
그리고 이 다섯 가지 요소에 해당되는 세부 항목들이 어떤 것들이 있는지 정의하고 세부적으로 정의하였다. 이렇게 정립된 개념과 정책 방향 등을 토대로 가장 인구가 많이 밀집되어 있고 다양한 공역으로 구성된 서울과 경인권을 대상으로 UAM 운용을 위한 초기 운항경로를 수립하고, 개발 중인 비행체의 성능과 Mission Profile을 통해 수립된 경로가 운용이 가능한지 간단한 분석 및 검증을 수행하였다. 결과적으로 개발 중인 비행체들이 실제로 운항이 가능하며, 지상 교통 체계들에 비해 빠르게 운항이 가능함을 확인하였다.
이에 좀 더 효율적으로 공역을 관리하고 비행체들이 운항할 수 있도록 고도를 세 구역으로 분할하여 가장 낮은 고도에서는 소형 무인비행체가 운용되고 중간 고도에서는 UAM이 운항되며 그 이상의 고도에서는 기존 항공기가 운용되도록 하는 도심 항공교통관리체계인 UATM(Urban Air Traffic Management) 체계를 선보였다. UATMe 기존 항공기들과 저고도 무인항공기들의 운항을 관리하고 지원하는 ATM(Air Traffic Management) 체계와 UTM 체계 사이에서 항공 교통편을 관리하고 공역 상황을 감시하는 서비스 역할 제공자인 UASP(Urban Airspace Service Provider)에 의해 체계적으로 운항이 관리되도록 하고 있다[7].
서울시 내부의 경우 기존 한강 회랑을 활용하였으며 인천과 경기 서부 지역, 그리고 인천공항이 위치한 경인권의 경우 각 시각참조점들을 연결하는 시계비행경로를 활용하였다. 하지만 기존 회랑과 시계비행 경로만으로는 완전한 운항경로가 구축될 수 없어, 소음 구역과 도심 중심부 또는 산악 지역과 같은 위험 지대, 하천과 주요 도로 등을 고려하여 추가적으로 새로운 경로를 설정하였다. 소음 민감 구역의 경우, Skyvector에 노란색 음역으로 표시된 소음 지역을 대상으로 선정하였다[12].
대상 데이터
CityAirbus는 비교적 느린 순항 속도로 인해 보수적으로 분석을 할 수 있기 때문에 선정되었고, OPPAV는 고정익과 회전익을 동시에 보유한 Hybrid Concept 비행체로 CityAirbus와는 다르게 매우 빠른 속도를 낼 수 있는 성능을 보유하고 있으므로 상이한 결과를 낼 것으로 예상하였기 때문에 선정되었다. Fig.
대체로 UAM 비행체 개발을 선도하는 곳은 미국과 유럽, 그리고 중국이다. 먼저 항공기 제작사인 보잉(Boeing)과 에어버스(Airbus) 등이 각각 Aurora Flight Sciences, Acubed라는 자회사를 두고 비행체개발을 진행하고 있다.
따라서 김포공항과 인천공항을 기본 이·착륙지점으로 설정하는 동시에, 유동인구가 많은 지역과 지하철, 고속 철도 등 지상 연계 교통수단이 활용될 수 있는 곳을 위주로 선정하였다.
비행체는 5인승 쿼드콥터 형태로 비교적 느린 순항 속도 성능을 가진 에어버스의 CityAirbus와 한국항공우주연구원에서 개발 중인 5인승 OPPAV로 선정하였다. CityAirbus는 비교적 느린 순항 속도로 인해 보수적으로 분석을 할 수 있기 때문에 선정되었고, OPPAV는 고정익과 회전익을 동시에 보유한 Hybrid Concept 비행체로 CityAirbus와는 다르게 매우 빠른 속도를 낼 수 있는 성능을 보유하고 있으므로 상이한 결과를 낼 것으로 예상하였기 때문에 선정되었다.
하지만 기존 회랑과 시계비행 경로만으로는 완전한 운항경로가 구축될 수 없어, 소음 구역과 도심 중심부 또는 산악 지역과 같은 위험 지대, 하천과 주요 도로 등을 고려하여 추가적으로 새로운 경로를 설정하였다. 소음 민감 구역의 경우, Skyvector에 노란색 음역으로 표시된 소음 지역을 대상으로 선정하였다[12]. 마찬가지로 공항이나 도심 이·착륙지점으로 입·출항 시 주변 건물이나 지형 장애물을 우회하는 방향으로 경로를 설정하였다.
다 만 중·단거리를 운항하는 UAM 운항 특성상 지역적으로 고려해야 할 사항들이 서로 다르기 때문에 모든 지역을 공통적으로 적용할 수 없다. 이러한 이유로 본연구에서는 대표적인 UAM 운항경로 구축 사례 지역을 서울시로 선정하였다. 서울은 금지 구역, 제한구역, 위험 구역 등 다양한 공역들로 구성되어 있으며, 서울공항, 김포국제공항, 인천국제공항 등 운항 편수가 매우 많은 복잡한 공항 관제권을 형성하고 있고, 인구가 1,000만 명이 넘어 안전과 관련된 요소들이 매우 많기 때문에 운항경로 구축 사례 도시로 적합하다고 판단하였다.
이런 점을 고려하여 UAM 비행체 성능 분석을 위한 운항 구간을 김포공항부터 잠실(롯데월드)로 선정하였다. 잠실역은 김포공항으로부터 9호선으로 직행으로 연결되어 있지 않아 환승을 해야 하는 관계로 이동에 제한이 되고, 유동 인구가 많으며 지상 복합 환승 센터가 있어 광역권으로의 연결이 용이하기 때문에 최적의 장소중 하나로 판단하였다.
성능/효과
UAM 비행체에 관한 연구 동향을 분석한 결과, 운용 체계를 위해 고려해야 할 요소들로 안전성 (Safety), 자율비행체계(Autonomous Systems), 그리고 성능 및 제한 요건(Performance & Limitations)으로 분류되었다. UAMe 복잡한 장애물(건물, 크레인, 지형 등)과 근접하여 저고도로 비행하므로 안전한 운항이 가능하도록 시스템이 구성되어야 한다.
이렇게 정립된 개념과 정책 방향 등을 토대로 가장 인구가 많이 밀집되어 있고 다양한 공역으로 구성된 서울과 경인권을 대상으로 UAM 운용을 위한 초기 운항경로를 수립하고, 개발 중인 비행체의 성능과 Mission Profile을 통해 수립된 경로가 운용이 가능한지 간단한 분석 및 검증을 수행하였다. 결과적으로 개발 중인 비행체들이 실제로 운항이 가능하며, 지상 교통 체계들에 비해 빠르게 운항이 가능함을 확인하였다. 그리고 UAM 운용 체계 개념 수립부터 이를 토대로 한 경로 설정과 분석의 과정을 통하여 각 구성 요소들이 UAM 운항경로 수립의 근거가 될 수 있음을 확인하였다.
결과적으로 개발 중인 비행체들이 실제로 운항이 가능하며, 지상 교통 체계들에 비해 빠르게 운항이 가능함을 확인하였다. 그리고 UAM 운용 체계 개념 수립부터 이를 토대로 한 경로 설정과 분석의 과정을 통하여 각 구성 요소들이 UAM 운항경로 수립의 근거가 될 수 있음을 확인하였다. 또한 기존의 회랑, 공역, 이착륙 시설과 항법·통신 체계 등의 인프라를 최대한 활용하였기 때문에 최대한 빠르고 안전한 경로 구축이 가능함을 보였다.
그리고 UAM 운용 체계 개념 수립부터 이를 토대로 한 경로 설정과 분석의 과정을 통하여 각 구성 요소들이 UAM 운항경로 수립의 근거가 될 수 있음을 확인하였다. 또한 기존의 회랑, 공역, 이착륙 시설과 항법·통신 체계 등의 인프라를 최대한 활용하였기 때문에 최대한 빠르고 안전한 경로 구축이 가능함을 보였다. 그러나 실제적인 UAM 운용을 위해서는 본 연구에서 언급되지 않은 추가적인 아래의 사항들을 해결해야 한다.
상승 및 하강 속도의 경우, 해당 데이터가 공개되지 않았기 때문에, 비슷한 비행체의 일반적인 상승 및 하강률을 토대로 가정하여 계산하였다. 이에 OPPAV의 소요 시간은 지상교통수단의 소요 시간과 비교하였을 때 약 17%로 절감되었으며, 이는 상대적으로 느린 속도로 순항하는 CityAirbus보다 더 시간 절감 효과가 크다는 의미를 가진다. 따라서 운항 거리와 운용목적에 따라 각각 다양한 비행체들이 적절하게 운용되어야 전력 소모 및 소요 시간 측면에서 효율적인 성과를 얻을 수 있다.
후속연구
첫째로 서울과 인근 수도권은 제한구역으로 설정되어 있으므로 국방부와 수도방위사령부 등 관계 기관과의 협조가 필요하다. 둘째로 인천공항과 서울시 사이의 입·출항 항공기를 회피하여 안전하게 통과할 수 있는 세부적인 방안을 수립해야 한다. 세 번째로 수립된 경로를 어떤 항공기가 어떤 목적으로 운항되어야 효율적인지 성능 및 제한요건을 분석해야 한다.
둘째로 인천공항과 서울시 사이의 입·출항 항공기를 회피하여 안전하게 통과할 수 있는 세부적인 방안을 수립해야 한다. 세 번째로 수립된 경로를 어떤 항공기가 어떤 목적으로 운항되어야 효율적인지 성능 및 제한요건을 분석해야 한다. 마지막으로 교통량을 고려한 회랑의 규모 및 크기를 결정해야 한다.
참고문헌 (16)
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