복수 활주로 운영 공항의 활주로 길이 산정에 관한 연구

활주로 길이 산정과 관련한 국내 기준으로는 국토교통부에서 고시한 ‘공항·비행장시설 및 이착륙장 설치기준’(국토교통부고시 제2022-350호, ’22.6.21) 및 ‘공항·비행장시설 설계 세부지침’(국토교통부예규 제346호,’22.6.21)이 있다.

공항·비행장시설 및 이착륙장 설치기준에서는 활주로 길이 산정을 위해 반드시 고려해야 할 요소로 취항하고자 하는 항공기의 성능 및 운항 시 중량, 기후조건(특히 지상풍 및 기온), 경사 및 표면조건 등과 같은 활주로 특성, 기압 및 지형적인 장애에 영향을 주는 비행장 표고 등 비행장 위치를 제시하고 있다.

또한, 실제 활주로 길이는 동 활주로를 사용하고자 하는 항공기의 운항 상 요구조건을 만족하여야 하고 항공기의 운항과 성능을 당해 비행장의 조건에 맞게 보정하여 결정한 최장 길이보다 짧아서는 안 된다고 규정하고 있다.

공항·비행장시설 설계 세부지침에서는 활주로 길이에 영향을 미치는 요소로 상기 공항·비행장시설 및 이착륙장 설치기준과 동일한 내용을 규정하고 있으며, 주 활주로용으로 사용될 활주로의 실제길이는 항공기의 운영요건에 부합하여야 한다고 설명하고 있다.

또한, 활주로를 이용할 항공기의 성능자료가 없는 경우에 주 활주로의 실제 길이는 일반적 보정계수를 이용하여 결정할 수 있으며, 우선 취항항공기의 운항요건에 맞는 활주로 기본 길이를 선정하고, 그 지역의 특성에 맞는 보정계수를 이용하여 기본 길이를 보정함으로써, 실제로 필요한 활주로 길이가 산출된다.

비행장의 활주로 길이를 계획할 때에 취항시키고자 하는 항공기의 최대이륙중량을 기준하여 계획하는 것이 일반적이나, 지형이나 장애물 여건 상 확장이 제한되는 비행장 및 경제적 여유가 없는 비행장 등에서는 최대이륙중량보다 적은 중량으로 운영할 수 있는 방안을 검토할 수 있다고 규정하고 있다.

국외 기준은 ICAO와 FAA 규정으로 구분하였다. ICAO Annex 14에서는 실제 활주로 길이는 항공기 운항 요구조건을 만족할 수 있어야 하고 공항 지역특성 조건 및 항공기 성능 등을 적용한 최대 소요길이보다 작지 않아야 한다. 활주로를 이용할 항공기의 성능 자료가 없는 경우에는 일반적인 보정 계수를 적용하여 산출 가능함을 규정하고 있다(ICAO Annex 14, 2022).

보정계수는 ICAO Aerodrome Design Manual 상에 활주로 기본 길이(표고 0m, 무풍, 활주로 경사 0%상태)에서의 활주로 표고, 온도, 경사에 따른 보정 방법을 설명하고 있고 이는 국내 공항·비행장시설 설계 세부지침에서 규정하고 있는 바와 동일하다.

FAA에 따르면, 활주로 길이 산정 시의 설계기준 항공기에 대해 규정하고 있다. 해당 공항에서 연간 500회 이상 정기적인 취항 중이거나 취항이 예상되는 항공기 중 최장 활주로 길이를 요구하는 항공기로 선정하도록 규정하고 있다(FAA AC150/5070&5325, 2005).

또한, 여러 개의 활주로가 있는 경우 활주로별 설계항공기를 별도로 선정하여 활주로 길이를 결정할 수 있으며, 대형 항공기가 쓰는 주 활주로와 중소형 항공기가 주로 사용하는 평행활주로는 서로 다른 설계기준 항공기를 적용할 수 있고 항공기 운영 및 노후 항공기 퇴역, 신규 항공기 개발 등에 따라서 미래의 설계항공기는 바뀔 수 있다고 기술하고 있다(FAA AC150/5000-17, 2017).

국내·외 기준을 살펴본 결과, 국내 기준은 취항항공기에 대한 기준이 모호하고, 활주로 길이에 가장 큰 영향을 미치는 요소인 항공기 중량 적용 기준에 대해서도 세부 기준이 제시되어 있지 않다. 또한, 여러 개의 활주로가 있는 공항의 경우 활주로 별 설계기준 항공기를 별도로 선정할 수 있도록 규정한 FAA 기준과 달리, 국내 기준에는 관련 조항이 없어 인천국제공항과 같은 허브공항 여건에 맞는 활주로 길이 산정 방안을 검토할 필요가 있다.

설계기준 항공기 선정을 위한 장래 항공기 개발동향을 아래와 같이 조사하였다.

최근 항공기 제작사의 개발 동향을 살펴보면 A380 생산 중단 등 초대형 항공기 위주의 개발은 중지된 상태이며, 탄소 배출이 적고 장거리 운항이 가능한 중대형 항공기로 개발 중이다.

또한, ICAO에 따르면 미래 항공기 개발과 관련하여 긴 이륙 소요길이 추세가 줄어들고, 주요 공항들에서 현재 이용할 수 있는 활주로 길이보다 더 긴 길이는 요구되지 않을 것으로 예상²⁾되며, 항공기 제작 산업 기술 발달에 따라 항공기 대형화 및 효율성이 향상되었으며, 그로 인해 ’90년대를 기점으로 기종별 활주로 소요길이는 지속적인 감소 추세를 나타내고 있다.³⁾

전 세계 대표적인 항공기 제작사인 Boeing社 및 Airbus社의 신형 항공기 제원을 보면 B777, B747 등 과거의 노후 항공기 대비 짧은 약 2,000m 후반∼3,000m 초반의 이륙거리를 요구함을 알 수 있다(Table 1).

인천국제공항과 같은 해외 주요 허브공항의 활주로 운영 현황을 살펴보면, <Table 2>에서 볼 수 있듯이 여러 개의 활주로를 보유하고 있지만 길이는 다양하며 이는 활주로별 운영여건에 따라 길이를 달리 적용한 것으로 판단된다.

또한, 미국 주요 허브공항 역시 많은 공항들이 다수의 활주로를 확보하고 있으며, 활주로별 설계기준 항공기를 달리 적용하여 최소 2,286m에서 최대 4,085m까지 다양한 길이의 활주로를 효율적으로 운영하고 있음을 알 수 있다(Table 3).

인천국제공항은 현재 4본(2독립 2근접)의 활주로를 보유하고 있으며 세부 현황은 <Table 4>와 같다.

인천국제공항 활주로는 제1터미널, 제2터미널 지역을 기준으로 양쪽에 2본씩 2독립 2근접체계로 배치되어 있다. 제1, 2활주로는 터미널 지역 동편에 위치하고 있으며 길이는 모두 3,750m이며, 인천국제공항 1단계 건설사업(’92∼’01) 때 건설되었다.

터미널 지역 서편에 위치하고 있는 제3활주로는 인천국제공항 2단계 건설사업(’01∼’07) 시 장래 슈퍼소닉 크루즈 항공기에 운항에 대비하고 운영상 융통성을 확보하기 위해 4,000m로 설치되었다.

제4활주로는 현재 진행 중인 4단계 건설사업(’17∼’24)의 일환으로 제3활주로 서측에 위치하여 3,750m로 건설되었으며, ’21년 6월 17일부터 운영 중이다.

인천국제공항 기존 제1〜제4활주로 길이 산정 근거는 <Table 5>와 같이 취항노선 및 기재 운영현황 등을 반영하여 활주로별 설계기준 항공기를 결정하였고, 공항 운영조건에 따라 기본 길이를 보정하였다.

인천국제공항 취항현황 조사를 위해 코로나-19 이전 2019년의 인천국제공항 지역별 출발 항공노선을 아래와 같이 살펴본 결과, 아시아, 북미, 유럽, 오세아니아 순으로 운항횟수가 많고 아시아의 경우 전체 운항의 약 78%를 차지하고 있는 주요 취항 지역으로 확인되었다(Table 6).

또한, 2019년 연 500회 이상 운항된 항공기를 대상으로 기종별 운항실적을 조사한 결과는 <Table 7>과 같다.

중대형 항공기를 다수 운항하는 대표 국적사인 대한항공 및 아시아나항공의 항공기 운용현황을 분석해 보았는데 긴 이륙소요 길이를 요구하는 대표적인 항공기 B777, B747의 평균 기령은 약 20년으로 노후화된 상태인 것으로 나타났다. 대한항공의 경우 B777-300 평균기령은 23.3년, B777-200ER은 18.5년, B747-400ERF는 16.6년이었으며, 아시아나항공은 B747-400 기종 평균 기령은 23.9년, B747-400F는 25.8년, B777-200ER은 14.3년으로 대한항공에 비해 노후 항공기 비중이 큰 것으로 나타났다. 장래 제5활주로 운영이 예상되는 2030년대에는 B777, B747 기종의 평균 기령이 20년 이상 넘어갈 것으로 예상됨에 따라 노후 항공기 교체가 시작될 것으로 예상된다(Table 8).

국내 항공사들의 기재 도입계획(<Table 9>)을 보면, 전체 주문대수 중 C급 항공기 비율이 70%를 차지하고 있어 향후 C급 항공기의 점유율이 늘어날 것으로 예상되며, E급 항공기의 경우에도 B787-9, B787-10, A350-900, A350-1000 등 고성능·고효율 항공기 도입으로 활주로 이륙소요길이가 짧아질 것으로 예상된다.

그리고 제5활주로를 인천공항 기본계획 변경 고시에 따라 제1, 2활주로 및 화물터미널 동편 지역에 제1, 2, 4활주로와 동일한 3,750m 길이로 배치한 모습은 <Fig. 2>와 같다.

항공기 개발동향, 공항운영 여건, 긴 이륙거리를 요하는 노후항공기 퇴역, 고효율·고성능 엔진을 탑재한 新항공기 개발, 글로벌 마켓의 중소형 항공기로 전환 추세, 경쟁 허브공항의 추가 활주로 개발 사례, 활주로 주변 장애물 등을 종합 고려 시 제5활주로 길이는 기본계획 상의 3,750m 대비 축소가 가능할 것으로 사료된다.

그러나 현재 제5활주로 운영 계획이 확정되지는 않았으므로 제5활주로 길이 산정을 위해 인천국제공항 취항 항공기 전체를 대상으로 검토하되 중량기준 설정 시 실제 운영중량(ATOW)을 기준으로 활주로 길이를 축소 조정하는 것으로 설정하였다(Fig. 3).

검토대상 항공기로는 앞서 살펴본 인천국제공항 취항 실적을 바탕으로 연간 500회 이상 운항하고, 긴 활주로 길이를 요구하는 E급 이상 기종 및 취항 예정 기재를 선택, 기종별 이륙 소요길이를 항공사 매뉴얼을 활용하여 조사하였다. 또한, 제5활주로 배치 상 화물기가 주로 이용할 예정이고 화물기 기령은 통상 30년까지도 운용하는 점 등을 고려하여 화물기종을 포함하여 분석하였다.

<Table 10>의 인천국제공항 취항 항공기 중 장거리 노선을 취항하고 3,300m 이상의 긴 활주로 길이를 요구하는 E급 항공기 B777-200, B747-400F, B747-400, B747-400ERF, B777F 5개 기종을 검토 대상 항공기로 선정하였다.

가장 긴 활주로 길이를 요구하는 B777-300(’06년 단종)의 경우, 현재 대체가 시작된 기종 중 하나로서, 대한항공, 케세이퍼시픽, 타이 에어웨이 등 3개 항공사에서만 운영 중이며, 주로 단거리(최장노선 : 인천-싱가포르(2,500NM)) 노선 운영으로 인해 MTOW(660,000LB)의 약 92.4% 중량까지 운항 가능하므로 실제 소요 이륙 길이는 약 3,100m로 검토되어 금번 검토 대상 항공기에서 제외하였다(Fig. 4).

검토대상 항공기의 MTOW 시 활주로 소요 기본길이는 <Table 11>에서 조사하였고, 검토대상 항공기의 이착륙이 가능함과 동시에 실용적인 활주로 길이 산정을 위해 ’19년 검토 대상 항공기 5개 기종에 대한 양대 국적사(KE, OZ)의 실제 운영중량(ATOW)을 조사한 결과 최대이륙중량(MTOW) 대비 평균 74% 수준에서 운영 중임을 알 수 있었다.

또한, 기종별 실제 운영중량(ATOW) 최대값은 최대이륙중량(MTOW) 대비 81.1%∼99.9% 수준이고, 최대이륙중량(MTOW)으로 운영하더라도 기존 제1∼4활주로를 통해 수용 가능하므로 제5활주로 길이 산출을 위한 이륙중량은 실제 운영중량(ATOW)의 최대값을 적용하였다.

항공기 중량기준을 설정하였으면 마지막으로 해당 비행장의 표고, 경사, 온도 등 운영 특성을 감안하여야 한다.

인천국제공항 제5활주로 표고는 제1∼4활주로와 동일한 해발 7.0m, 활주로 종단경사는 0%로 반영하였으며, 온도의 경우, 최근 5년간(’17∼’21) 가장 더운 달 일최고 기온의 평균을 계산하면 Table 12와 같다.

향후 전 지구적인 기온 상승을 고려하여 제5활주로 길이 산정을 위한 온도조건은 제4활주로 길이 산정 시 적용했던 32.9℃를 동일하게 적용하였다.

검토대상 항공기들의 운영이륙중량, 인천국제공항 표고, 경사 및 기온을 고려하여 활주로 소요길이를 산출한 결과는 Table 13과 같다.

최장 활주로 길이를 요구하는 항공기 기종인 B747-400F를 제5활주로의 설계기준 항공기로 선정하고, 제5활주로의 최종 활주로 길이는 3,400m로 산정되었다(Table 14).