Wake Turbulence RE-CAT 적용과 효과성에 관한 연구

이전까지 ICAO는 항공기의 최대이륙중량을 기준으로 light, medium, heavy, super heavy, 4개 등급으로 구분하고, 이를 기초로 항공기 간 최소분리 기준을 정하였다(Table 2, 3 참조)[3].

그러나 1990년대에 마지막으로 검토된 후류요란 등급은 이후의 기술 발전과 다양한 항공기의 등장에 대해 효율적인 분리 기준을 제공하지 못하게 되었으며, 수용량과 항공수요의 격차를 적절히 반영하지 못하게 되었다[4]. 이는 결과적으로 수용량 감소와 불필요한 지연을 증가시켜 항공교통시스템의 비효율성을 초래하였다.

이에 따라 ICAO와 유럽 및 미국은 항공기별 최대이륙중량과 날개폭을 기준으로 후류요란 등급을 재정의하고 최소분리 기준을 재설정하였다. 그러나 후류요란에 관한 연구를 주도하였던 미국과 유럽에서 정한 기준은 ICAO 기준과 차이가 있으며, 이후 추진계획에서도 차이가 있다.

당초, ICAO는 후류요란 등급을 6개 등급으로 분류하기로 하였으나, 최종적으로 7개 등급으로 정의하고 적합한 분리 기준을 제시하였다(Table 4, 5 참조).

ICAO의 새로운 후류요란 등급과 분리 기준은 2020년에 개정된 PANS-ATM(Doc. 4444) 개정판(16판, 9차 개정)에 반영되었으나, 체약국에게 신·구기준을 선택적으로 적용할 수 있도록 하였으며, 새로운 기준은 국가의 승인 하에 적용할 수 있게 되었다.

미국과 유럽은 ICAO가 후류요란에 관한 개정된 기준을 제시하기 이전부터 협력적인 연구를 통해 기준을 마련하고, 실제 자국 공항과 공역의 항공기 간 분리에 적용하였다.

미국(연방항공청, FAA)은 자국 내에서 비행하는 기종의 구성과 특성을 고려하여 항공기 등급 재분류를 단계적으로 진행하였다. 도입 1단계(Phase I)에서는 A∼F까지 6개 등급으로, 2단계(Phase II)에서는 A∼G까지 7개 등급으로 분류하였으며, 3단계(Phase III)에서는 ICAO와 유럽보다 더욱 세분화된 9개 등급으로 분류하였다(Table 6, 7 참조)[5]. 특히, 대형항공기(heavy)를 3개 등급으로 구분하고, 소형항공기(small)에 대해서도 upper와 lower로 구분하였다.

Table 7을 포함하여 본 연구의 후류요란과 최소분리 기준에 관한 Table에서 빈칸들은 레이다 최소분리(minimum radar separation, MRS)을 의미하며, 3마일 분리를 적용한다.

유럽(Eurocontrol)은 후류요란 등급의 구분에 차이가 있으나 기본적으로는 ICAO와 같이 최대이륙중량과 날개폭을 기준으로 분류하면서 기존의 heavy와 medium을 각각 upper와 lower로 나누어 6개 등급으로 구분하고, 이에 따라 최소분리 기준을 제시하였다(Table 8, 9 참조)[6].

최소분리 기준은 거리를 단위로 하는 분리와 시간을 단위로 하는 분리로 구분되나, 여기에서는 거리 단위의 분리만 제시하였다.

ICAO와 유럽 및 미국의 항공기 후류요란 재분류(RE-CAT)는 후류요란의 등급을 최대이륙중량과 날개의 폭에 따라 구분하는 원칙적인 기준에서는 동일하지만, 결과적으로는 지역별 또는 국가별로 차이가 있는 분류 등급을 수립하여 적용하고 있다.

우리나라는 변경된 후류요란 등급과 그에 따른 분리를 적용하지 않고 있지만, ICAO의 체약국으로서 PANS-ATM(Doc. 4444)의 기준을 적용하는 것이 타당할 것이다. 다만, 항공교통관제절차(국토교통부 고시)는 미국 FAA 기준과 ICAO의 기준이 혼용되어 있으며, 후류요란에 관한 기준을 국가의 상황과 환경에 따라 달리 적용할 수 있다는 점에서 우리나라 환경에 적합하고 효과적인 기준을 적용할 필요가 있다.

공항 사업에서 편익 산정을 위한 연구의 기초가 되는 공항부문 사업 예비타당성 조사 표준지침(KDI, 2014)은 타당성 조사에 비용추정, 항공교통 수요 추정, 경제성 분석, 정책성 분석과 지역 균형 발전분석을 포함하도록 하고, 공항부문 사업 추진과 관련하여 고려해야 할 편익 항목과 방법 및 기준 등을 제시하였다[7]. 이를 다시 세부 편익 항목을 4개 항목으로 구분하고, 이를 6개 분야의 사업 유형에 따라 필수적으로 고려되는 편익 항목을 제시하였다.⁴⁾

표준지침을 토대로 Kim and Park(2015)은 활주로 수용 능력 향상을 위한 사업에서 주요 편익은 지연감소와 비행시간의 단축으로 인한 항공기 운항비용의 절감에서 발생한다고 하였다.

Ahn et al.(2013)은 항행시스템 개발에 따른 효과를 분석하면서 사업 추진에 따라 기대되는 편익과 비용을 현금흐름으로 추정하고, 이를 이용해 비용편익을 분석하는 것이 경제성 분석의 일반적인 방법이라고 하였다(Ahn, Hur, Ji, and Park, 2013). 그러나 여기에서는 기술 개발에 소요 비용과 활용에 대한 편익을 고려하였으나 항행시스템의 개발과 도입에 따른 항공기 운항 측면에서의 편익을 고려하지 않았다[8].

지연을 고려한 연구로서 Choi(2019)는 여객터미널 개발의 타당성에 관한 편익 분석 모형의 개발을 위해 지체 시간당 절감 비용을 계산하였다. 이 연구에서는 시설물이 신설, 증설 또는 개선된 경우, 연간 지체시간에서 현재의 지체시간을 뺀 나머지의 수량을 해당 연도의 지체시간으로 보고, 해당 연도의 총 지체시간에 현재가치를 곱하여 편익을 계산하였다[9]. 이 연구는 공항부문 사업 예비타당성 조사 표준지침에서 정한 편익 항목 중에서 터미널 내 여객의 흐름과 지체시간을 비용으로 환산하였으나, 항공기의 운항과 관련한 지연에 대해서는 고려하지 않았다.

항공기 운항에 관한 편익은 예비타당성 조사 표준지침에서 정한 운항비용 절감과 유사할 수 있으나, 운항에 관한 편익은 공항개발 사업뿐 아니라 활주로 점유시간 감소 또는 항공기 간 분리 축소와 같은 공항의 운영 절차 또는 항공교통관제절차 개선으로도 가능하다.

이러한 개선 효과는 비행시간 감축 또는 지연과 회항의 감축과 같이 직접적으로 나타나며, 배출가스 저감과 같이 간접적으로도 나타난다.

운항 편익에 관한 연구로서 Park et al.(2007)은 시정악화로 인한 회항 또는 결항된 항공편을 분석하고, 이에 대한 경제적 손실을 추정하였다[10]. 여기에서 대체공항으로 회항하는 항공편의 여객에게 지급해야 하는 항목을 항공료 차액, 숙박비, 식비 및 버스요금 등으로 구분하였으며, 각각의 항목에 대해 좌석 수를 곱하여 손실액을 계산하였다. 이 연구는 회항과 결항으로 인한 경제적 비용을 산정하면서 기상악화로 인한 지연을 포함하지 않았다(Kim, Kweon, Park, and Baik, 2019).

Kim et al.(2019)은 정밀접근활주로 등급 상향에 관한 연구에서 운항에 대한 편익을 구체적으로 구분하였는데, 지연 등의 감소에 따라 발생하는 편익을 직접적 편익과 간접적 편익으로 구분하였다. 직접적 편익은 경제적 편익으로서 이를 운항과 여객 및 화물 부문으로 분류하였다[11].

여기서, BF (BFo, BFp, BFc): 경제(운항, 여객, 화물) 부문 편익.

특히 운항 부문의 지연감소에 따른 편익을 구체적으로 산정하였는데 지상과 공중지연으로 분류한 후, 대상 항공편을 등급(fleet)과 국제·국내 노선으로 구분하고 운항비용과 지연시간을 곱하여 계산하였다. 여기에서 운항비용은 예비타당성조사 표준지침에 따라 승무원 인건비와 유류비, 유지관리비, 임대료 등 6개 항목으로 구분하였으며, 물가상승률을 반영한 기준연도 소비자 물가지수로 환산하였다.

항공기 간의 분리 기준은 후류요란을 적용하는 경우라도 상황과 환경에 따라 다양하게 적용할 수 있다. 본 연구는 ATS 서비스가 제공되는 환경에서 거리 분리를 중심으로 진행하였다.

줄어든 분리 간격을 분석하기 위해 다음의 조건에 따라 항공기를 선별하고 선별된 항공기 등급을 ICAO와 유럽, 미국의 기준에 따라 재분류하였다.

조건 1과 조건 2에 따라 분석 대상으로 선별된 항공기는 2,103대였으며, 이를 각각의 기준에 따라 Table 12와 같이 분류하였다.

분리 간격 변화는 재분류된 항공기의 이륙 순서를 그대로 하고, 선행 항공기와 후행 항공기를 쌍(pair)으로 하여 기존의 ICAO 기준에 따른 분리 간격과 ICAO와 유럽, 미국의 RE-CAT 기준을 적용한 분리 간격을 계산하여 비교하였다.

RE-CAT의 적용에 따른 편익은 출발 대기열, 즉 지상 대기시간 감소에 따른 경제 편익과 환경 편익으로 구분할 수 있으며 경제 편익은 항공사 운항비용과 함께 여객과 화물의 시간가치를 포함한다. 그러나 본 연구는 RE-CAT 기준 간 비교 및 효용성의 확인에 중점을 두어 운항비용 감소에 대한 편익만을 추정하였다.

거리에 대한 시간 환산은 서울접근관제소와 인천관제탑 간 협조 절차에 따른 시간 분리를 적용하여 5마일당 1분으로 계산하였다(Ji, 2020)[12].

운항비용의 편익은 지상 운항 시간의 감소에 따른 편익으로서 RE-CAT의 대상인 편익 항공편 수와 분리 간격의 변화량 및 시간당 지상 운항비용을 이용하여 산출하였다(식 2 참조).

여기서,

Bfo: 분리 간격 변화에 대한 운항 편익

i : 항공기 등급(i =1, 2, 3, 4), 1: C급, 2: D급, 3: E급, 4 : F급

NBchg: 편익 대상 항공편 수

ACF : 항공기 등급의 비율(%)

AVGC : 평균 분리 간격의 변화(Min/flight)

COgnd: 시간당 지상 운항비용(원/hour)

위의 식 2에서 평균 분리 간격의 변화는 기존 분리 기준에 의한 간격과 RE-CAT에 의한 분리 간격의 차이를 대상 항공편 수로 나누어 계산하였다(식 3 참조).

여기서,

CHGdep: 기존 분리 간격과 새로운 분리 간격의 차

NFdep: 기존 분리 간격과 새로운 분리 간격이 다른 운항편 수

시간당 지상 운항비용(COgnd )은 공항부문 예비타당성조사 표준지침에 정해진 항공기 등급별 운항비용을 지상 운항비용을 변환하고 물가상승률을 반영한 기준연도 소비자 물가지수로 환산하였다(Table 13 참조).

여기에서 운항비용 산정을 위해 항공기 등급은 후류요란에 의한 분류와 달리 국제항공운송협회(IATA)에 정한 항공기의 크기에 따라 구분하였다. 또한 항공기 등급은 C∼F급만을 고려하였으며, F급 항공기에 대한 시간당 지상 운항비용이 별도로 명시되어 있지 않기 때문에 E급 항공기의 운항비용과 같다고 가정하였다.