항공기 지상 활주 연료소모량 예측모델 사례연구 (A380 중심)

항공사 운영비용의 30% 정도가 유류비용이기 때문에¹⁾ 항공기 운항연료를 절감하는 것은 항공사의 이윤성과에 큰 영향을 미친다. 항공기 운항 연료의 상당부분은 공중 비행단계에서 소모되므로 공중 비행단계에서 연료소모량을 줄이는 것이 중요하지만²⁾, 공항지역에서 연료 소모를 줄이는 것은 연료비 절감뿐만 아니라, 공항지역의 공기 질을 유지하는 데에도 영향을 미치므로 중요성을 무시할 수 없다.³⁾ 본 연구의 목적은 항공기 지상 활주 단계에서 연료소모량 예측모델을 수립하여, 연료소모량 및 탄소배출량에 영향을 미치는 항공기 기동 변수를 확인하여 항공사의 대응방안과 지상관제의 협조 사항을 확인하는 것이다. 물론, 항공기 제작사의 매뉴얼에 항공기 기동 단계별 연료 소모 예측치가 제시되지만, 항공기 운항에 따라 실제로 발생하는 연료 소모량은 구체적인 항공기 제어(control) 행태에 따라 변할 수도 있다는 의문을 확인하기 위해 본 연구가 시도되었다.

따라서, 본 연구는 실제 항공기 운항의 세부적 기동 단계마다 연료 소모량을 측정한 사례 자료를 수집하여 통계 모델을 도출하였다. 본 연구가 선정한 대상 기종은 에어버스사의 A380이다. 즉, A380 항공기가 인천공항에서 수행한 운항실적 자료를 이용하여 예측모델을 도출하였다. 비행 단계 (in-flight phase)에서의 연료절감과 탄소저감 방안은 많이 연구되었지만^4)5)6)7), 지상 활주 단계의 연료소모량 변화에 관한 연구는 많지 않아 본 연구의 공헌이 기대된다.

이륙하는 항공기는 게이트에서 출발하여 활주로 말단까지 지상 활주 이동을 해야 하고, 도착하는 항공기는 착륙 후 활주로를 이탈하여 항공기 계류지점 (여객기의 경우 게이트)까지 지상 활주 이동을 하게 된다. 지상 이동체계는 항공기 이동지역의 안전확보와 항공기 이동 효율성을 고려하여 설계된다.⁸⁾

항공사는 지상 활주 이동 시, 쌍발기의 경우에는 1개 엔진을 shutdown하여 연료 소모를 줄이려고 한다.⁹⁾ 자체 엔진을 가동하여 동력을 얻지만, 부분적으로는 Taxi bot과 같은 견인 장비 때문에 이동 동력을 얻기도 한다.¹⁰⁾ 엔진 가동을 자제하여 연료 소모를 줄이고, 엔진 배출가스에 의한 공기 오염도 줄이기 위한 노력이 시범적으로 시행되고 있다. 어떻든, 지상 활주 중 연료 절감은 항공사나 공항의 관심사 중의 하나로 인식되고 있다.

대형 공항의 경우, 많은 항공기가 동시에 지상 이동을 하게 되므로 지상 이동 경로가 복잡하고 조종사들은 관제사의 지시에 따라 주어진 경로를 주행해야 하며, 속도의 가감과 방향전환, 충돌 방지를 위한 대기 등이 빈번하게 발생한다. 상기와 같은 지상 활주 중의 항공기 기동 방식에 따른 연료소모량을 이해하는 것은 항공사의 연료 효율성 정책이나 공항의 운영 효율성과 환경 보존 확보 전략에 필요하다. 본 연구는 항공기 운항 중 지상 이동단계에서 실제 발생한 연료소모 데이터를 이용하여 항공기 기동, 조작에 따른 연료소모 변화 모델을 도출하여 지상 활주 중 연료 소모량에 영향을 미치는 요인을 식별한다. 사례연구로서 A 항공사의 A380(에어버스사 제작) 기종의 운항실적 자료를 이용하여 지상 활주 단계의 예측모델을 제시하였다.

지상 활주 연료소모량 관련 기존 연구를 문헌조사함으로써 본 연구의 적절성과 연구결과에 대한 합리적인 평가가 가능하도록 하겠다. Khadilkar (2011)은 항공기의 이륙활주 중 연료 소모 예측 연구를 하였다. 항공기의 지상 활주 단계는 총 연료 소모의 일정한 부분을 차지하며, 공항 근처의 이산화탄소 배출에도 영향을 미친다고 설명하였고, 지상 활주 연료소모량을 추정하기 위한 모델을 구축하여 연료소모량과 이산화탄소 배출량의 원인을 확인하고자 하였다.¹²⁾

방법론으로 회귀분석을 사용하였는데, 지상 활주 연료 소모의 원인인 지상 활주 시간, 정지횟수, 방향전환 횟수를 포함하여 세 개 요인을 선형 함수로 모델을 수립하였다. 연구의 초기 가설은 아래와 같다.

“지상 활주에서의 총 연료 소모는 지상 활주 시간, 정지횟수 및 방향전환 횟수의 함수일 것이다. 그중 지상 활주 시간이 연료 소모의 결정적 요인일 것으로 예상하였다. 또한, 엔진의 추력을 일정하게 유지하는 경우, 연료 소모에 대한 지상 활주 시간의 영향은 선형이 될 것으로 예상하였다. 항공기가 정지 후 움직일 때 추력이 필요하기에 정지횟수도 연료 소모에 영향을 줄 것으로 예상하였다. 마찬가지로, 방향전환은 추력 설정을 조정해야 하므로 방향전환 횟수도 선형으로 예측하였다.” 즉, 항공기의 속도 변화를 정지횟수 산정에 참조하였고, 항공기의 Heading 변화를 방향전환 횟수 산정에 참조하였다.

마지막으로, 엔진의 SFC (specific fuel consumption)와 외기온도와의 관계를 이용하여, 식 (1)¹³⁾과 같은 모델을 수립하였다. 여기서, f는 총 연료소모량, t는 총 지상 활주 시간, n_s는 정지횟수, n_t는 방향전환 횟수이다 (a₁은 상수). 즉, 연료소모량은 활주시간, 정지횟수, 방향전환 횟수의 함수이며, 외기온도가 높아지면 추가 소모되는 것까지 고려하였다.

통계분석 결과, 지상 활주 시간이 연료 소모의 결정 요인임을 의미하였고, 정지횟수의 유의성은 항공기 유형에 따라 다르게 나타났다. 명확한 관계를 나타내는 기종도 있으나, 관계가 거의 없는 기종도 있었다. 모델에서 지상 활주 시간이 지배적임을 고려할 때, 연료 소모에 대한 방향전환 횟수의 효과는 무시할만하다고 할 수 있다.

추력 설정 프로파일을 고려할 때, 연료소모율의 증가를 동반하지 않은 정지 후 가속 이벤트는 추력 설정의 변경도 동반하지 않는 것을 발견했다. 따라서 결과 차이는 조종사 행동의 차이로 인한 것이라고 결론을 내렸다. 실제로, 조종사가 지상 활주 중 항공기의 Throttle (연료 조절기)을 조작 시, 속도 변화를 위해 급격하게 조작하는 때도 있는가 하면, 부드럽게 조작하는 때도 연료 소모 변화에 영향을 미칠 수 있다.

두 번째 모델은 정지횟수와 방향전환 횟수를 제외하고, 가속 이벤트 수를 독립변수로 추가하였다. 이에 대한 두 가지 독립변수는 1개 기종을 제외한 연구한 모든 항공기 유형에 대해 통계적으로 유의미한 것으로 나타났다.

두 개의 회귀 모형을 통해 얻은 결과로, 총 지상 활주 시간이 연료 소모의 주요 원인으로 나타났다. 즉, 지상 활주 시간과 함께 기종별 연료소모율의 정확한 추정은 지상 활주 연료 소모의 합리적이고 정확한 추정을 제공할 수 있다. 또한, 이전 연구에서 가정한 내용과 달리 정지횟수 또는 방향전환 횟수 자체가 반드시 연료소모율을 필연적으로 증가시키지 않으므로, 총 지상 활주 시간 이상으로 많은 공헌을 하지는 않는다. 이것은 추력 변화 없이도 정지 후 가속 또는 방향전환이 가능함으로 설명하였다. 정지 후 가속 또는 방향전환은 엔진 추력의 증감 없이, 제동장치의 혹은 Nose Wheel의 조작만으로도 가능하다고 보았다.

그러나 가속 이벤트는 연료 소모에 적지만, 통계적으로 유의하였다. 이러한 효과를 포함하면 지상 활주 연료소모율을 정확하게 추정할 수 있으며, 지상 활주 운영 최적화에서도 고려될 수 있다고 하였다.