1. 연구 배경

현대사회는 급격한 도시화로 인해 인구 과밀화 현상과 교통체증 문제가 발생하고, 문제를 해결하기 위한 사회적 비용이 점차 증대되고 있다. 또한 내연기관 교통수단의 탄소배출로 인한 이상기후 문제도 대두되고 있다.

이를 해결할 대안으로 각 국가에서는 도심항공교통(urban air mobility, UAM)을 최적의 대안으로 제시하고 있다. UAM은 2020년 국토교통부에서 발표한 한국형 도심항공교통(K-UAM) 로드맵[1]에 따라 2025년부터 UAM 상용화 초기 단계로 조종사가 탑승한 상업 운항을 준비하고 있다. 2024년에는 여의도-김포공항-고양 킨텍스, 수서역-잠실 헬기장의 수도권 도심 노선 실증사업을 시작으로 상용화를 위한 첫발을 내딛게 된다. 하지만 UAM 기체개발 및 감항인증 등 여러 가지 기술적·법적 제한으로 상용화는 더디게 진행되고 있다. 유럽에서는 2024년 개최될 프랑스 파리 올림픽에서 볼로콥터사의 멀티콥터 방식 UAM을 상용화하여 선보일 예정이기에 관심을 가지고 지켜봐야 할 것이다.

2 연구 목적

전 세계 국가 및 지방자치단체는 미래 4차 산업 선도를 위해 UAM 산업에 적극적으로 참여하고 있다. UAM이 꽉 막힌 도심의 교통환경을 획기적으로 해결해 줄 최고의 대안이라는 청사진을 걸고 대중에게 홍보하고 있다.

하지만 UAM 상용화를 위해 거쳐야 할 많은 제한적인 운항환경 및 위험성에 대해서는 자세하게 설명하고 있지 않다. 따라서 UAM 항공기가 안정적인 상용화 운항을 위해서 요구되는 저고도 공역 운항환경 및 vertical take-off landing (VTOL) 항공역학적 제한사항에 대하여 고찰하고자 한다.

우리나라에서는 국토교통부 및 산·학·연의 UAM Team Korea를 구축하여 안전하고 효율적인 UAM 상용화를 위해 노력하고 있다[2].

최근 세계 최대 IT·가전박람회인 CES (consumer technology association) 2024에서 현대차 그룹이 현재 개발 단계인 UAM 기체 SA2의 실물을 공개하였다. 더불어 2028년 상용화를 목표로 노력하고 있다고 전해 머지않은 시기에 UAM이 상용화될 것이라는 기대감이 커지고 있다.

UAM 상용화를 이룬다면 어릴 적 상상 속의 도심에 날아다니는 자동차 세상이 곧 펼쳐질 것이다. 또한 전기가 교통수단의 동력원이 되어 탄소배출이 줄고 소음은 최소화될 것이다. 결정적으로 활주로 없이 수직 이착륙이 가능한 친환경 미래 이동수단이 새롭게 등장하여 자리잡을 것으로 예상된다. 그러나 미래 교통수단의 패러다임을 바꿀 수 있는 UAM의 긍정적 측면 뒤에는 극복해야 하는 여러 가지 문제가 산재해 있다. 본 논문에서는 UAM 운항 간 예측되는 몇 가지 문제점에 대해 고찰해 보고자 한다.

1. UAM 저고도 공역의 운항환경

아직 상용화되지 않은 UAM의 저고도 공역의 운항환경을 100% 예측하기는 쉽지 않다.

그리고 상용화된 기체가 없다 보니 항공기 성능판단 및 항로설계, 버티포트(vertiport) 설계, 기타 UAM 이착륙 안전과 관련된 부분도 판단하기 쉽지 않다. 이처럼 불확실성이 가득한 내외부 환경에서 저고도 공역의 안전성에 대해 연구하고자 한다.

UAM 항공기가 운항하게 될 저고도 공역의 항공교통 안정성을 간과하고 있는 부분이 있다. 현재 저고도 공역에서 운항하고 있는 항공기 및 초경량 비행장치로는 헬기, 경비행기, 드론(초경량 무인장치), 패러글라이딩, 행글라이딩, 열기구 등 다양하다.

저고도 공역의 고도 사용 구분을 보면, 지표면으로부터 150 m (약 500 ft)까지는 초경량 무인장치인 드론을 사용하고, 300–600 m (약 1,000–2,000 ft) 공간은 UAM이 사용하게 될 공역이다. 그리고 150–300 m 공간은 안전을 보장받기 위한 완충공역으로 운용된다. 해당 공역은 기존의 헬기 및 특별비행승인을 받은 초경량 비행장치들이 운항하고 있다[3].

저고도 공역의 교통량이 많아지면서 공중 충돌 위험도가 증가하고 있다. 초경량 비행장치 등록 의무가 있는 최대이륙중량 25 kg 이상 150 kg 이하 비행체(멀티콥터 및 무인비행기 등) 등록 현황은 2023년 12월 기준 사용사업체는 6,216개이며, 기체는 52,387대가 등록되어 있다. 현재 초경량 비행장치는 가시권 내에서 조종자가 수동 비행을 통해 비행체를 통제하고 있다. 초경량 비행장치 사고의 원인을 분석하면 가장 많은 부분을 차지하고 있는 것이 조종자 조작미숙(인적요소)에 의한 추락사고가 70% 이상을 차지하고 있다. 조종자에 의한 컨트롤이 쉽지 않다는 것을 증명하는 데이터이다. 하지만 실시간 비행체 식별 및 모니터링, 관제 통제시스템은 아직 구축되어 있지 않다. 결국 불특정 장소에서 언제든지 비행할 수 있는 초경량 비행장치에 대한 위험도 예측이 어렵다. 그로 인해 우리나라에서는 안전한 저고도 공역통제를 위해 UTM (unmanned aircraft traffic management)과 UATM (UAM traffic management)의 항공교통관리에 대한 연구를 활발하게 진행하고 있다. 또한 신개념의 공역통제 모델 제시 및 새로운 통신모뎀 개발을 통한 비행체 상호 식별·감시, 충돌·회피기동까지 가능한 시스템을 R&D (research and development) 개발하고 있다. 향후 드론(초경량 무인장치)의 비가시권 비행이 가능해지면 도심에서 드론을 활용한 물류 이동량 및 운항 대수가 증가하게 될 것이고 그로 인한 유인기인 UAM 운항 안전에도 영향을 미치게 될 것이다. 당연히 UAM은 운항 회랑 설정을 통하여 드론의 접근을 통제하고 관리하겠지만, UTM/UATM의 통제 밖의 현행 법적 등록 의무가 없는 2 kg 이하의 개인용 초경량 비행장치로부터 안전을 보장받기에는 제한이 있다(Table 1).

또한 도심의 한정된 공역에서 충돌 및 기상으로 인한 회피기동에도 제한이 생길 수 있다. 그러므로 저고도 공역의 모든 비행체에 대한 식별 및 감시가 될 수 있는 시스템상 안전대책을 강구하여야 할 것이다.

2. UAM 항공기 VTOL 운항 특성

UAM 항공기는 VTOL 항공기로 수직 이착륙이 가능한 형태로 개발되어 복잡한 도심의 빌딩 사이 또는 협소한 공간에서도 항공기가 수직으로 이착륙하기에 활용도가 높다고 설명하고 있다. 하지만 여기에는 많은 항공역학적 제한사항은 밝히지 않은 채 VTOL 항공기의 장점만 극대화하여 이야기하는 것이다. 일반적으로 대중은 VTOL 항공기는 수직으로 이륙하고 비행 중 장애물이 있거나 잠시 멈추어야 할 때 3차원 공간인 하늘에서 제자리 비행을 쉽게 할 수 있을 거라 생각한다.

UAM 항공기가 이런 제자리 비행이 불가능하다는 것은 아니다. 항공기 성능에 따라 가능은 하다. VTOL 항공기가 양력을 받는 원리는 헬리콥터와 동일하게 앞에서 불어오는 상대풍과 항공기의 블레이드가 만들어내는 받음각을 통해 양력을 생성하여 항공기를 부양한다. 하지만 전진비행을 했을 때 앞에서 불어오는 상대풍이 커지기 때문에 보다 많은 양력을 적은 동력으로 발생시킬 수 있다.

또한 지면과 가까이 붙어서 앞으로 전진비행 이륙을 하면 지면과 블레이드에서 발생하는 와류가 지면과 부딪히며(지면효과) 상쇄되면서 유도항력이 줄어들어 보다 많은 양력을 발생할 수 있다.

해군의 작전헬기 운용교범 제6절[4]을 보면 함상 이착륙에 대한 설명이 있다. 군함에 헬기가 안전하게 착함을 하기 위해서 군함은 바람이 불어오는 방향으로 전진하면서 헬기가 정풍을 받을 수 있도록 여건을 만들어 준다. 그리고 함정을 이탈할 시 11시 방향으로 이함을 하는데 그 이유는 갑판에서 받는 지면효과를 최대로 하고 함정구조물에 의한 요란 기류를 최소화하기 위함이다. 또한 함정의 갑판을 이탈 시 지면효과가 약해지기 때문에 수직이륙보다는 전진비행을 통한 속도를 우선하여 안전을 확보한다.

즉 우리가 생각하는 방식으로 버티포트에서 바람의 방향을 고려하지 않고 장애물 회피 고도까지 수직으로 상승 후 비행을 시작하는 방식은 MTOW (maximum take-off weight)을 줄어들게 하며, 많은 동력 사용이 필요하므로 배터리 소모가 클 뿐만 아니라, 동력을 생성하는 모터 및 블레이드의 교체·정비 주기를 단축시키고, 결정적으로 안전을 위하여 탑승 승객과 화물 중량을 줄이는 제한사항이 발생할 것이다.

또한 도심 빌딩 숲 사이라면 빌딩풍으로 인한 강한 하강풍이 이륙하는 UAM 항공기에 영향을 미칠 경우, 항공기 동력은 정상 작동되고 있으나 순간적인 양력 손실을 야기하는 유동력 침하 현상에 들어갈 수 있어 안전을 보장받지 못한다. 그래서 회전익 조종사들은 최대한 여유 동력을 확보하기 위해 제자리 비행보다는 공간적 여유가 있다면 조금이라 앞으로 전진할 수 있는 선회비행을 실시하고 이륙 시에는 고정익처럼 활주를 통한 지면효과를 받으면서 이륙하기 위해 노력한다.

회전익 조종사들은 주변 장애물 극복을 위해 불가피한 환경에서만 OGE hover (out of ground effect hover) 이륙을 실시하고 있다. OGE hover 이륙 시에는 조종사들이 가용 동력(torque)을 초과하지 않기 위해 주의를 기울이며 이륙조작을 실시한다. 또한 UAM 항공기의 연료가 전기에너지이므로 배터리 소모를 최소화하여야 예상치 못한 비상상황에 대비할 수 있는 연료를 확보할 수 있다.

UAM 운항 사업자들은 경제적 이윤추구 극대화를 위하여 최대한 많은 승객과 화물 탑재 및 연료 비용 절약을 통한 경제적 운항 방법을 모색할 것이다. 그래서 주변 장애물로 인해 과도한 수직이륙을 하여야 하는 지역의 버티포트 운항을 안전 및 경제적 이유로 제한할 수도 있을 것이다.

상기 내용은 UAM 항공기의 VTOL 운항 시 항공역학적 요소를 고려한 안전성·경제성을 바탕으로 운용 제한사항을 짚어본 것이지 수직 이착륙을 하면 안 된다고 말하는 것이 아니다. 시민들은 수직 이착륙이 될 수 있기에 좁은 도심 속 빌딩 사이로도 UAM을 이용할 수 있다는 기대감이 클 수도 있다. 허나 UAM 성능과 안전성·경제성을 고려하여 운항하지 못한다면 시민들이 생각하는 기대치에 못 미치는 결과를 초래해 UAM의 관심 및 이용이 줄어들 것이다. 그로 인해 UAM 시장 성장성은 떨어지고 과거 한강 수상택시의 사례와 같이 대중의 관심에서 멀어질 수 있다.

3. UAM 버티포트 설계에 대한 고찰

모든 항공기는 양력이라는 힘을 받기 위해 바람이 불어오는 방향으로 정풍(head wind)을 받으며 이착륙을 실시한다. 공항 사용 활주로가 바뀌는 것도 바람 방향의 변화에 따라 항공기가 정풍을 받기 위함이다. 비행기만 정풍을 받으며 이착륙하는 것이 아니다. 제자리 비행이 가능한 회전익 및 UAM 항공기도 동일하게 정풍을 받으며 이착륙을 하면 적은 속도에서도 많은 양력을 확보할 수 있어 안정적인 이착륙을 할 수 있다.

UAM 항공기의 장점으로 활주로 없이 수직 이착륙할 수 있는 기체로 소개되고 있다. 이 말은 버티포트에 활주로 없이도 이착륙할 수 있다는 뜻으로, 이착륙 접근 방향이 버티포트의 한 방향으로만 이착륙이 가능하다는 의미는 아니다. 그래서 착륙지점은 최소 양방향 또는 전 방향 장애물이 없어야 안정적인 이착륙을 할 수 있다. 앞에서도 설명하였듯 수직으로 이착륙을 하지 못한다는 뜻이 아니다. 가능성은 존재하지만 불가피한 제한사항들 때문에 안전 및 경제성을 확보하기 위해서 정풍을 받으며 접근하여야 한다는 의미이다.

UAM Team Korea에 컨소시엄으로 참여하는 기업들이 앞으로 건설될 버티포트의 조감도를 훌륭하게 제시하고 있다. 버티포트 설계 조감도를 살펴보면 UAM 항공기는 VTOL 항공기이기에 대부분 접근 방향의 바람(head wind)은 고려하지 않고 설계되어 있다.

Fig. 1은 한화 시스템에서 제시한 김포공항 버티포트 조감도이다. 버티포트 조감도를 살펴보면 마치 버스터미널과 같이 언제나 동일한 방향으로 접근하도록 설계되어 있다. 만약 민간 항공기가 계류되어 있는 공항 방향으로 바람이 분다면, UAM 항공기 이착륙 시 바람은 배풍이 된다. 그러므로 안전한 이착륙에 제한을 받게 될 것이다. 결론적으로 VTOL 항공기 역시 버티포트에 안전하게 이착륙하기 위해서는 정풍을 받아야 하기에 바람의 방향에 따라 접근하는 방향도 달라지게 된다. 그래서 버티포트 설계 시 전 방향 접근 또는 최소한 양방향 접근이 가능한, 즉 장애물이 제거된 UAM 착륙장 설계가 요구된다.

대중은 언론과 매체 보도를 통해 도심 속 하늘을 나는 자동차 세상, 즉 UAM 시대가 열린다는 소식을 접하게 되고 언제 어디서든 비행으로 빠르게 이동할 수 있을 것이라는 기대를 품게 될 것이다. UAM 시대를 준비하는 기관에서는 대중의 관심을 끌기 위해 제한사항보다는 긍정적인 부분만 부각시키고 있다. 많은 항공 전문가는 UAM 상용화에 거듭 의문을 제기한다. 과연 도심 속을 운항하는 UAM의 성능 및 환경적 요소, 항로안정성, 보안문제 등 수많은 제한사항을 극복할 수 있을지 우려하고 있다. UAM 운항환경은 도심이라는 인구 밀집지역 상공을 비행하기에 추락 시 대중이 받아들이는 충격과 공포는 예상보다 더 클 수 있다. 그러므로 UAM 운항 안전에 대해 아무리 강조해도 지나치지 않을 것이다.

UAM 실증사업을 통한 운항 및 운용 제한사항 요소를 철저히 분석하고 안전한 UAM 운항이 될 수 있도록 시스템을 구축하여야 한다. 이 시스템 구축을 위해서는 저고도 공역의 항공교통관제가 철저히 이루어져야 하며, 충돌방지 및 비상상황 대책 등 다방면의 조건을 고려하며 안전대책을 강구하여야 한다[5].

또한 버티포트 설계에서 실용성과 디자인도 중요하지만, UAM의 안전한 운항을 위한 접근 장애물 제거 및 안전관련시설 확충이 우선되어야 한다. 마지막으로 UAM은 도심이라는 인구 밀집지역에서 운항하기 때문에 종합적인 안전·비상 절차 및 사회적 협의·대책을 강구해야 한다.

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Conceptualization: SYK. Data curation: SYK. Analysis and interpretation: SYK. Writing the original draft: SYK. Critical revision of the article: SYK. Final approval of the article: HDK. Overall responsibility: HDK.