About the Influence of the Use of Geometric Altimetry on the Flight Efficiency in Climb and Descent

수십 년 동안 하늘은 기압 그 자체를 이용해 조종사에게 비행 고도를 알려주는 시스템을 통해 항행해 왔습니다. 항공기는 지면으로부터의 거리를 측정하는 대신, 대기압을 감지하는 기압 고도계를 사용합니다. 비행기가 상승함에 따라 공기는 희박해지고 압력은 낮아지며, 하강함에 따라 압력은 높아집니다. 조종사는 이 압력을 대기의 표준 모델에 맞춰 보정함으로써 고도를 결정할 수 있습니다. 이 방식은 견고하고 단순하지만 완벽하지는 않습니다. 기상과 위치에 따라 대기가 변하기 때문에 특정 높이에서의 압력은 달라질 수 있습니다. 이를 관리하기 위해 조종사들은 해면 기압인 QNH라고 알려진 설정을 통해 지역 기압에 맞춰 끊임없이 계기를 조정합니다. 높은 고도에서 비행할 때는 모든 항공기가 동일한 기준을 사용하도록 하여 항공기 간의 안전한 간격을 유지하기 위해 표준 기압 설정으로 전환합니다. 그러나 이 시스템은 조종사가 지역 설정과 표준 설정 사이를 전환해야 하는 전이 구역을 필요로 하며, 기상 조건에 따라 계기 수치가 동일하더라도 실제 항공기의 지면 대비 높이가 약간씩 달라질 수 있음을 의미합니다.

발밑의 지면이 끊임없이 위아래로 움직이는 상태에서 직선을 걸으려 노력한다고 상상해 보십시오. 그것이 바로 기압 기반 고도로 비행할 때 직면하는 도전 과제입니다. 독일 항공우주 센터(German Aerospace Center)의 연구진이 탐구 중인 새로운 접근 방식은 이러한 변화하는 기준을 고정된 기준인 '기하학적 고도(geometric altitude)'로 대체하는 것을 제안합니다. 이 방법은 글로벌 위성 항법 시스템(GNSS)의 위성 신호를 사용하여 항공기에서 지구 중심까지의 정확한 거리를 측정함으로써, 날씨와 관계없이 변하지 않는 정밀한 높이를 제공합니다. 최근의 연구를 이끄는 질문은 이 전환이 비행을 더 효율적으로 만들어, 공항을 이륙하여 상승하거나 착륙을 위해 하강하는 결정적인 단계에서 연료를 절감할 수 있는지 여부입니다. 완벽하게 정확한 높이 측정 장치를 사용하는 것이 당연히 개선된 것처럼 들리지만, 비행의 물리학은 복잡하며 답은 단순히 "정밀도가 높아지면 연료가 줄어든다"는 식의 간단한 문제가 아닙니다.

독일 항공우주 센터의 연구원 안드레 콜로쉰(André Koloschin)은 이 질문에 답하기 위해 일반적인 상업용 여객기인 에어버스 A320에 초점을 맞춘 상세한 연구를 수행했습니다. 그는 실제 비행기를 직접 조종한 것이 아니라, 실제 비행 테스트 데이터로 검증된 매우 정확한 컴퓨터 시뮬레이션 모델을 사용했습니다. 이 가상의 항공기는 런던 인근의 세 주요 공항인 히스로(Heathrow), 스탠스테드(Stansted), 루턴(Luton)에서의 상승 및 하강 시나리오를 포함하는 294개의 다양한 비행 시나리오를 통해 엄격한 테스트를 거쳤습니다. 목표는 전통적인 기압 기반 시스템과 새로운 위성 기반 기하학적 시스템을 사용할 때 가상 항공기가 연료를 얼마나 태우는지 비교하는 것이었습니다. 결정적으로, 연구는 이 새로운 시스템이 두 가지 방식으로 사용될 때를 조사했습니다. 첫째, 현재의 비행 경로를 그대로 유지한 채 단순히 고도 측정 도구만을 교체했을 때의 직접적인 효과를 테스트했습니다. 둘째, 간접적인 이점을 탐구했습니다. 즉, 새롭고 더 정밀한 시스템을 도입함으로써, 기존의 시스템이 너무 부정확하여 안전을 보장할 수 없었던 더 효율적인 비행 경로를 관제사가 설계할 수 있게 된다면 어떻게 될지를 조사했습니다.

시뮬레이션 결과는 미묘한 양상을 보여주었습니다. 연구진이 비행 경로를 변경하지 않고 단순히 고도 측정 도구만 바꿨을 때, 연료 소비량의 차이는 매우 미미했습니다. 많은 경우, 기하학적 고도를 사용하는 직접적인 이점은 무시할 수 있을 정도로 작았습니다. 연구는 연료 절감 또는 낭비되는 양이 당시의 기상 조건, 특히 대기압에 크게 좌l달린다는 것을 발견했습니다. 특정 압력 설정이 있는 날에는 기하학적 시스템이 아주 적은 양의 연료를 절약할 수도 있지만, 어떤 날에는 아주 조금 더 많이 사용할 수도 있습니다. 변화하는 날씨 속에서 장기간 관찰하면, 이러한 작은 이득과 손실은 서로 상쇄될 것입니다. 연구진은 고립된 상태에서 기하학적 고도로 전환하는 것의 직접적인 이점이 연료 절감을 위한 주요 동인이 아니라고 결론지었습니다.

그러나 연구진이 새 시스템에 맞춰 비행 경로 자체를 최적화하도록 허용했을 때 이야기는 달라집니다. 기하학적 고도는 매우 정밀하기 때문에, 기존의 기압 기반 측정을 사용할 때 요구되었던 넓은 안전 마진을 제거할 수 있습니다. 시뮬레이션에서 연구진은 현재의 '기준(baseline)' 경로보다 더 촘-하고 직접적인 '솔루션(solution)' 비행 경로를 설계했습니다. 이 새로운 경로들은 비행기가 다시 상승하기 위해 수평 비행을 해야 했던 불필요한 평탄 구간을 제거했으며, 항공기가 하강하는 동안 더 높고 효율적인 고도에 더 오래 머물 수 있도록 했습니다. 이러한 최적화된 경로를 비행했을 때, 연료 절감 효과는 상당했습니다. 테스트된 하강 시나리오에서 최적화된 경로는 비행당 약 23kg의 연료를 절감했으며, 이는 해당 비행 단계에서 사용된 총 연료의 약 6.6%에 해당했습니다. 이 절감은 위성 시스템 자체가 더 효율적이어서가 아니라, 시스템의 정밀함 덕분에 기존의 덜 정밀한 시스템으로는 위험해서 탈 수 없었던 더 스마트한 비행 경로를 운항할 수 있었기 때문입니다.

상승 시나리오는 약간 다른 이야기를 들려주었습니다. 여기서 최적화를 통한 연료 절감은 약 2kg, 즉 비행당 사용된 연료의 약 0.25% 정도로 훨씬 적었습니다. 연구진은 수평 비행 구간을 제거하는 것이 연료를 아끼는 데 도움이 되었지만, 새 시스템은 항공기가 지점 사이를 엄격하게 고정된 상승 각도로 비행하도록 요구한다는 점을 발견했습니다. 이 경직된 요구 사항은 실제로 비행기의 자연스러운 성능에 역행했습니다. 항공기는 고도가 높아지고 공기가 희박해짐에 따라 상승 각도를 조절함으로써 가장 효율적으로 상승하는데, 고정 각도 규칙은 비행기가 일부 구간에서 덜 효율적으로 비행하도록 강제했습니다. 이는 매끄러운 경로의 이점을 상쇄하여 아주 작은 순이익만을 남겼습니다. 일부 시뮬레이션 사례에서는 이러한 경직된 규칙이 오히려 비행기가 기존 시스템보다 더 많은 연료를 사용하게 만들기도 했습니다. 이는 기하학적 고도가 상승을 개선할 수는 있지만, 진정한 잠재력을 끌어내기 위해서는 상승을 규정하는 규칙들이 유연해야 함을 시사합니다.

또한 이 연구는 상승 단계와 하강 단계 사이의 결정적인 차이점을 강조했습니다. 하강 중에 항공기의 성능은 상대적으로 안정적이고 예측 가능하여, 기하학적 고도가 가능하게 하는 고정 각도 경로에 적합합니다. 반면 상승 중에는 항공기의 무게와 공기 밀도에 따라 성능이 크게 변하므로, 일률적인 고정 경로는 덜 효율적입니다. 연구진은 연구에서 얻은 가장 큰 연료 절감이 하강 최적화에서 왔다는 점에 주목했는데, 이는 기하학적 고도로 인해 가능한 연속적이고 매끄러운 경로를 따라 비행하는 것이 실질적인 차이를 만들었기 때문입니다. 또한 그들은 연구에 사용된 런던 공역이 매우 혼잡하고 복잡하며 많은 비행 경로가 서로 교차한다는 점을 언급했습니다. 이처럼 붐비는 하늘에서는, 그렇게 정밀하고 최적화된 경로를 사용할 필요성이 덜할 수 있으며, 그에 따라 연료 절감 효과도 작아질 수 있습니다.

Modest한 직접적 연료 절감에도 불구하고, 연구진은 연료 이외의 이유로 기하학적 고도의 필요성이 여전히 강력하다고 주장합니다. 현재의 시스템은 조종사가 지역 기압 보고에 따라 수동으로 계기를 조정해야 하며, 이 과정은 인적 오류의 위험을 수반합니다. 잘못된 설정으로 인해 항공기가 너무 낮게 비행하게 된 과거의 사례들이 있었으며, 기하학적 고도를 사용한다면 이러한 위험은 사라질 것입니다. 또한 현재 시스템은 조종사가 지역 설정과 표준 설정 사이를 전환해야 하는 전이층을 필요로 하며, 이 구역은 특정 지역에 얼마나 많은 비행기가 다닐 수 있는지를 제한합니다. 기하학적 고도를 도입하면 이러한 층을 제거하여 하늘의 수용 능력을 높일 수 있습니다. 연구진은 기하학적 고도가 정밀하지만 위성 신호에 의존하기 때문에, 기내의 독립적인 기압 센서에는 존재하지 않는 간섭이나 재밍(jamming)에 취가 될 수 있다는 점도 지적했습니다.

궁극적으로, 이 연구는 비행 효율의 미래가 단순히 고도 측정 도구 그 자체에 있는 것이 아니라, 그 도구가 우리로 하여금 무엇을 할 수 있게 하느냐에 달려 있음을 시사합니다. 기압에서 기하학적 고도로 직접 전환하는 것은 그 자체로는 즉각적인 연료 이득을 거의 주지 못합니다. 진짜 가치는 더 매끄럽고, 더 직접적이며, 더 안전한 비행 절차를 재설계할 수 있는 능력에 있습니다. 만약 항공 산업이 위성 신뢰성의 문제를 해결하고, 새로운 정밀함을 활용할 수 있는 유연한 비행 경로를 설계할 수 있다면, 간접적인 이점은 상당할 것입니다. 현재로서는, 상승 절차는 연료 페널티를 피하기 위해 신중한 재고가 필요하지만, 하강 절차는 이미 이러한 최적화를 수행할 준비가 되어 있다고 연구는 권고합니다. 나아갈 길은 단순히 계기의 숫자를 바꾸는 것이 아니라, 항공기가 주변의 공기를 최대한 활용하여 하늘을 이동하는 방식을 재구상하는 것입니다.