국내 표준계기도착절차(STAR)의 활용도 및 연속강하접근 운항 비율 분석

항공기의 경제적 강하 접근을 위해 운영되고 있는 연속강하접근절차(continuous descent operation, CDO, descent with idle thrust and no speedbrakes usage)는 엔진 추력의 사용을 최소화하는 경제적이고 효율적인 운항으로 소음과 배출가스의 감소에 기여하고 있다. 연속강하접근절차는 첨단항법 장비인 비행관리시스템(flight management system, FMS)를 활용하여 강하 도중 수평비행(level off) 구간을 최소화하고, 활주로의 최종 접근지점까지 가장 최적의 강하 각도로 비행하도록 함으로써, 경제적 운항을 실현할 수 있는 진전된 개념의 접근 절차라고 할 수 있다. 절차의 수행을 위해서는 지역항법(area navigation, RNAV) 개념이 적용된 표준계기도착절차가 수립되어 있어야 하고, 항공기에 비행관리시스템(FMS) 장비가 장착되어 있어야 한다. FMS 항법 장비를 통하여 제공되는 최적의 강하 경로와 강하각은 항공기 유형 및 중량 그리고 외적인 비행 여건 등의 변수에 따라 달라진다.

최근 항공사에서 운용하는 운송용 항공기들은 연속강하접근을 실현하기 위해 FMS 장비가 제공하는 시각적으로 구현된 강하접근계획과 강하시작지점(top of descent, TOD) 정보를 따라 운항하고 있다. 이렇게 수평비행 구간이 최소화된 정보를 따라 운항할 경우, 항공기는 불필요한 연료 소모, 과다한 소음 및 탄소(CO₂) 배출량을 최소화할 수 있다.

Fig. 1은 ICAO¹⁾가 추천한 연속강하접근 개념도다. 활주로 말단으로부터 95 NM 떨어진 지점을 기준으로 최고고도 34,000 FT, 최저 고도 20,600 FT에서 연속강하를 시작하는 최적의 강하 개념을 설명하고 있다.

Fig. 1. Instrument approach procedure in optimized CDO procedure (ICAO CDO Manual Doc 9931, p. A-1-10)

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일반적으로 운항승무원은 효율적이고 경제적인 강하를 위하여 목적 공항으로부터 대략 35 NM 지점을 240∼250 KT의 속도로 10,000 FT AGL을 통과하는 것을 목표로 하며, ICAO 추천 연속강하접근 개념에서도 같은 개념을 설명하고 있다.

ICAO에 따르면 항공기는 1.8km를 운항하는 동안 대략 11kg의 연료를 소모하며, 이 과정에서 사용된 연료량의 약 3배에 달하는 약 35kg의 이산화탄소와 질소산화물 등의 오염물을 배출하며, 기존 강하 방식이 아닌 연속강하접근 방식으로 운항하는 경우 항공기 연료 소모량 기준 약 40%, 배출가스(CO₂, NOx) 및 공항 주변 항공기 소음의 경우 50% 이상 감소 효과가 있는 것으로 알려져 있다.²⁾ 기대효과의 구현을 위해 항공기 강하 성능에 최적화된 강하 경로를 반영한 공역 및 절차 설계가 필요하다. 연속강하접근은 Fig. 2와 같이 수평비행구간을 최소화할 수 있어 구간 감소분만큼의 소음감소 효과가 있는 것으로 보고되고 있다.

Fig. 2. Noise reduction effect of descent approach (Euro Control, Continuous Descent Approach Implementation Guidance Information, 2008, p.13)

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표준계기도착절차(STAR)의 일반적인 접근 강하각(descent slope)은 대략 2°와 3.3° 사이가 되도록 설계하는 것을 추천하고 있다. 계기착륙장치(instrument landing system, ILS)를 사용하는 정밀계기접근절차로 연결되는 경우는 중간접근지점(intermediate fix, IF)과 최종접근지점(final approach fix, FAF) 사이는 3°보다 완만한 경사로 설계하고, 중간 접근지점(IF)에서 착륙 활주로 최종접근지점(FAF)까지는 접근 강하각을 최대 3°로 설계하여 최종적으로 착륙 외장 변경에 적합한 속도로 감속하고 안정된 접근을 할 수 있도록 하고 있다. 항공기 제작사들은 항공기를 처음 설계할 때부터 연속강하접근 절차를 고려하여 강하 단계에서 대략 1,500 FPM(ft/min) 이상, 최종착륙단계에서는 700 FPM 또는 330ft/NM, 즉 3°로 강하 접근이 가능하도록 제작하고 있다. 따라서 운항승무원들은 강하 접근 계획에 이러한 강하율과 강하 절차 경사도에 추가하여 감속을 위한 여력을 고려하여 강하 접근을 계획하고 있다.

그러나 1) 표준계기도착절차와 최종접근절차가 3°보다 큰 강하각으로 설계된 경우, 2) 고도 제한사항이 과도하게 설정된 경우, 3) 중간의 감속구간이 없을 경우 그리고 4) 공역의 수용량과 효율적 관제를 위한 트럼본(trombone) 및 포인트 머지(point merge) 기범을 적용한 절차가 설정된 경우, 운항승무원은 관제사의 지시나 고도 및 속도 제한에 따라 항력 장치를 장시간 사용하거나 속도를 증가시켜 강하율을 증가시키는 등의 불필요한 절차를 수행하게 된다. 이는 연속강하접근이 추구하는, 추력 최소화(engine Idle power)를 통한 경제성 확보, 관제 및 항공기 조작 단순화를 통한 운항 안전성 확보가 사실상 어려워짐을 의미한다.

강하는 항공기의 에너지를 점진적으로 감소시켜 최종 접근에 필요한 에너지 단계로 줄여가는 과정을 의미한다. Fig. 3, 4와 같이 항공기의 에너지는 운동에너지(kinetic energy)와 위치에너지(potential energy)로 구성되며 고도, 중량, 속도 등의 다양한 요소에 의하여 결정된다. 그중에서 강하속도와 시점이 이상적인 강하에 많은 영향을 미치는 중요한 요인으로 분석되고 있다. 강하속도는 강하각과 비례관계에 있기에, 강하속도를 줄이게 되면 강하각이 줄어들게 되고 체공시간이 길어져서 강하에 더욱 많은 시간이 소요되는 등, 강하속도의 유지 또는 증속, 감속 여부에 따라 강하각이 결정된다.

Fig. 3. Total energy model (Euro Control 제공 User Manual for the Base of Aircraft Data(BADA) Rev. 3.10)

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Fig. 4. 강하 항공기의 속도에 따른 강하각과 에너지 변화 (AIRBUS社 Aircraft Energy management in descent phase using FMS, 2013, p.5)

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경제적인 운항 측면에서 강하시작시점은 연료 소모량에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. Fig. 5는 조기 강하와 지연된 강하가 연료 소모에 미치는 영향을 보여주고 있다. 강하 시점이 빨라지게 되면 낮은 고도에서 수평비행을 하게 되고 소모되는 연료가 동일 시간 고도에서 순항하는 것보다 많게 되고, 강하 시점이 늦어지면 반대의 결과가 되어 경제적 운항에 부정적인 영향을 주는 것으로 분석되고 있다.

Fig. 5. TOD and fuel consumption (AIRBUS社, Aircraft energy management in descent phase using FMS, 2013, pp.16-17)

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일단 초기 강하를 시작하면 항공기와 엔진 종류, 중량, 강하 방법 그리고 바람 및 외기 온도 등의 많은 요소가 강하성능에 영향을 미치게 되며, 표준계기도착절차 및 계기접근절차의 제한사항도 강하성능과 운항 경제성에 많은 영향을 미치게 된다. FMS에 입력되는 CI(cost index) 값에 따라 항공기의 강하성능도 변화한다. Fig. 6과 같이 낮은 CI 수치는 “Minimum Fuel” 개념으로 강하 시점이 빨라지게 되어 추력 사용을 줄이고 연료 소모량을 절감하게 된다. 강하는 “Idle Power Descent” 개념으로 계획되기에 순항 비행을 적게 하고 강하를 많이 할수록 연료 소모량이 줄게 된다. 반대로, CI 수치가 커질수록 “Minimum Time” 개념으로 반대의 경우가 되어 강하시작지점(TOD)이 멀어지게 된다. CI 값이 작을수록 조기에 강하가 시작되어야 반대의 경우와 같은 강하 결과를 이룰 수 있다.

Fig. 6. Correlation between CI and TOD (AIRBUS社, “Flight Operations Support & Line Assistance: Getting to grips with the COST INDEX, 1998, p.51)

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Fig. 7은 위에서 언급한 여러 요인으로 깊은 강하각으로 접근하게 될 경우, 불안정한 접근이 될 가능성을 설명하고 있다. 적정 강하각인 파란색 실선보다 깊은 강하각으로 접근을 하는 경우는 강하각이 깊어질수록 불안정한 접근이 될 가능성이 상승하는데, 50% 이상 깊은 강하각으로 접근하게 되면(붉은색 실선 참고) 저고도에서 불안정한 접근이 될 확률이 2.3배 높아진다. 따라서 이러한 요소들과 감속 구간의 설치 여부 및 강하성능 등을 종합적으로 고려하면, 터미널 지역 내에 진입하면 활주로 말단으로부터 대략 잔여 거리 30 NM에 9,000 FT, 15 NM에 3,000 FT 정도의 최저고도제한을 접근 절차에 반영하는 것을 추천하고 있다.³⁾

Fig. 7. Descent rate and stable approach (FAA Aviation Safety, “Stabilized Approach and Landing”, 2022, p.2)

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오늘날 세계의 주요 공항들은 증가하는 항공 수요에 대한 공역의 항적 처리와 혼잡문제를 해결하기 위해 대부분의 터미널 공역에서는 개방형 루프(open loop) 형태의 레이더 벡터 관제 기법을 가장 많이 사용하고 있다. 개방형 루프 형태의 레이더 벡터 관제 기법은 좁은 공간에서 많은 교통량을 유연하게 처리해야 할 때 공역을 가장 효과적으로 이용할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 숙련된 관제사의 빠른 판단과 운항승무원의 즉각적인 이행이 요구되며, 관제사가 운항승무원에게 필요한 순간마다 항공기의 침로(heading), 속도, 고도 지시의 발부에 따른 업무량을 증가시키고 항공관제용 무선 주파수 혼잡을 유발한다는 단점이 있다.⁴⁾

이러한 관제상의 문제점들을 해결하기 위해 새롭게 등장한 개념이 바로 Fig. 8의 포인트 머지 기법(point merge procedure)이다. 이 관제 기법은 Eurocontrol Experimental Centre(EEC)에서 개발한 기법으로 좁고 제한된 공역에서 효과적인 항공기 분리와 흐름관리를 가능케 한다. 그뿐만 아니라, 항공기에 대한 관제 지시를 최소화함과 동시에 FMS 장비를 활용한 연속강하접근(CDO)을 실현하는 것을 목적으로 하고 있다.

Fig. 8. Concept of point merge procedure (Point Merge Integration of Arrival Flows Enabling Extensive RNAV Application and Continuous Descent: Opertional Services and Environment Definition Ver2.0, EEC, 2010, p.20)

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트롬본 기법은 다중의 waypoint로 되어 있는 병렬 구간의 트롬본 모양 RNAV 접근 절차이다. 기법의 적용이 가능한 공역 내에서는 항공기 수용량을 최대한 확장 시킬 수 있고, Fig. 9와 같이 미리 설정된 waypoint와 경로를 통하여 간격과 방향을 예상할 수 있게 한다. 그리고 교통 사정에 따라 효율적인 흐름관리를 위해 다음 구간까지의 지름길(short cut)을 제공할 수 있다.

Fig. 9. Concept of trombone vectoriing (ICAO CDO Manual, Doc 9931, 2011, p.A-1-6)

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Fig. 10은 간소화된 트롬본 기법의 예를 보여주고 있다. 두 개의 서로 다른 트래픽(traffic) 흐름에 대하여 각 진입 지점(entry point : EPa, EPb)으로 접근하는 절차를 표현한 것으로 설정된 전체 경로(흑색 선)를 비행해야 한다. 만약 관제 지시에 따라 임의의 waypoint에서 지름길을 제공받게 되면 적색 점선으로 비행할 수 있게 되며, 이 경우는 기준 경로 대비 비행거리의 감소를 의미한다.⁵⁾

Fig. 10. Concept of trombone procedure

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그러나 이러한 장점에 비해, 트롬본 형태의 벡터 기법은 미리 설정된 많은 waypoint로 인하여 항적의 횡적 변화가 어렵고, 특히 교통량이 많은 경우에 필요한 관제사의 분리 조절이 어렵다. 관제 지시에 따라 운항승무원의 복잡한 경로 조작이 필요할 수 있어 운항승무원의 혼란과 실수 가능성도 존재한다. 무엇보다 과도한 경로와 제한사항의 설정으로 FMS가 제공하는 최적화된 강하 수행이 어렵다.

현재 인천국제공항과 제주국제공항에 수용량 증대를 위해 트롬본 및 포인트 머지 방식의 선진형 항공기 분리 기법이 도입되어 RNAV 방식의 연속강하접근절차와 병행하여 적용하고 있다. 그러나 협소한 공역 및 인접 공항 등의 문제로 인하여 고도 및 속도 등의 제한사항이 많이 설정되어 있어 연속강하접근이 제한적으로 운영될 수밖에 없는 구조적 한계점을 내포하고 있다. 신개념 절차의 많은 waypoint와 경로는 교통량이 적은 시간대에도 FMS가 잔여 거리를 실제보다 과다하게 계산하게 되어 최초 강하시작지점(TOD)을 부정확하게 제공하게 된다. 결과적으로 접근 운항편의 순항 구간이 길어지고 연료 소모가 증가하게 되고, 지속적인 연속강하접근의 실현이 어려운 구조로 되어 있는 단점이 존재한다.

연구는 Fig. 11과 같이 Flight Radar24 항적자료를 활용하여 인천국제공항의 표준계기도착절차(STAR)의 활용도 분석과 함께 연속강하접근의 실적분석을 진행하였다. 인천국제공항 AIP 절차에 수록된 연속강하접근절차(CDO)의 운영시간(23:00-04:00 KST) 대의 활용 실적을 별도로 분석하였다. 제주국제공항의 포인트 머지(point merge) 절차의 활용도를 분석하고 연속강하접근(CDO)의 실현 가능성을 연구하였다.

Fig. 11. Flight Radar24 information table

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활용도 분석을 위하여 먼저 인천국제공항은 표준계기도착절차(STAR)의 entry point(KARBU, GUKDO, OLMEN, REBIT)를, 제주국제공항은 Entry Point (DOTOL, MAKET, TAMNA, SOSDO, TOLIS)를 절차의 설정 거리와 실제 항적의 운항 거리를 비교하기 위한 기준 지점으로 설정하였다. 이들 지점으로부터 시작하는 표준계기도착절차와 개별 계기접근절차의 최종접근지점(final approach fix)까지의 거리를 계산하여 기준으로 하고, 실제 항적의 운항실적 거리와 비교하며, 이를 백분율로 표시하여 절차의 활용도를 분석하였다. 그리고 항적의 강하접근을 분석하여 연속강하접근의 실현도를 연구하였다. 항적의 강하 접근을 Fig. 12, 13과 같이 파란색 원으로 표시된 부분과 같이 수평비행을 수행한 Step-Down 접근과 지속적인 강하의 CDO를 수행한 항적으로 구분하여 분석하였다. 항공기 운항 및 위치 정보를 이용하여 대상 항공기를 식별 및 판단하였고 EURO CONTROL European CCO/CDO Action Plan 기준⁷⁾을 적용하였다. 세부 기준은 300ft/min 이하의 강하 또는 비행이 20초 이상 지속된 경우는 수평비행으로, 그 외의 경우를 연속강하접근(CDO)비행으로 분류하였다.

Fig. 12. Step-down flight 예시

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Fig. 13. CDO flight 예시

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인천국제공항과 제주국제공항의 표준계기도착절차 활용도 및 연속강하접근(CDO) 운항실적 분석의 기준인 절차의 거리는 설정된 각각의 entry point로부터 개별접근절차의 최종접근지점(FAF)까지의 거리로 아래 Table 1-2와 같다. Table 3-6은 실제 활용도를 분석한 결과로, Table 1-2의 기준 거리와 실제 항적의 운항거리를 비교하여 기준 대비 그 아래 표에 병행하여 그 결과를 백분율로 표시하여 개별 entry point의 해당 표준계기도착절차의 활용도를 분석하였다.

인천국제공항 활주로 33L/R, 34에 첫접근지점(IAF) ENPIL을 기점으로 트롬본(trombone) 기법을 적용한 절차가 최초로 설치 운영된 2020년 10월을 기준으로 3개월간의 절차 활용도를 조사하였다. 활용도 분석의 기준인 절차의 설정 거리는 Table 7과 같이 각각의 entry point로부터 개별 계기착륙장치(ILS)를 이용한 정밀계기접근절차의 최종접근지점(FAF)까지 거리를 기준으로 하였다. 실제 항적의 운항거리와 비교하여 분석 결과는 Table 8과 같이 정리하였다. COVID-19 사태로 인한 항적 감소 상황에 따라 정확한 경향성을 분석하기는 어렵지만 OLMEN을 기점으로 하는 항적의 활용도는 양극화 경향을 보여주었고 그 밖의 지점에서는 대다수의 항적이 80%를 밑도는 활용도를 보여주었다.

인천국제공항에 입항하기 위한 실질적인 강하 접근이 시작되는 entry point의 전 지점(BIKSI, CUN, MAKSA, GONAV)을 기점으로 하여 EURO Control의 연속강하접근 기준을 충족하는 강하접근비행을 분석하였다. 2018-19년 2년간의 비행 항적 분석을 통하여 아래 Table 7-12와 같이 연속강하접근이 10% 내외의 매우 낮은 비율로 이루어지고 있었음을 발견할 수 있었으며, 잦은 수평비행으로 인하여 운항 경제성을 확보하기 어려움이 있었음을 알 수 있다.