UAM 운항 준비를 위한 기상 UAM의 주로 항로는 300m~600m의 대기경계층 내에 위치한다. 그러나 해당 고도의 기상은 지형과 건물 등 지상 조건에 크게 영향을 받기 때문에 바람의 변화가 심하고, 안개와 강우(설)등 비행 안전을 저해하는 요소들로 가득하다. 또한 기체의 크기가 작을수록 기상조건에 따른 민감도가 급격히 증가하기 때문에 UAM 안전 확보를 위해서는 정확한 기상정보가 필수적이다.
그러나 UAM이 운항하는 고도는 기상정보의 관측이 거의 실시되지 않는 지역이다. 또한 UAM과 밀접한 학문은 도시기상기후학, 중규모 및 미기상학이지만, 이 분야는 아직 많은 이론이 정립되어 있지 않다. 이는 기존 항공기의 기상안전 체계로는 UAM의 안전운항을 보장할 수 없다는 뜻이다. 따라서 UAM의 안전한 운항을 위해선 기상과 관련하여 어떠한 연구가 필요한지 알아보고자 했다. |
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전통적인 항공교통은 광활한 평지에 공항을 설치하여 주위환경에 의한 제한을 최소화하고, 이러한 특수한 조건의 공항과 공항을 높은 고도의 항로로 연결함으로써 기상에 의한 영향을 최소화한다. 또한 큰 기체는 항공교통이 특수한 기상 상황을 제외하고는 기상으로부터 비교적 자유로울 수 있게 한다.
한편 UAM의 주요 항로는 기상학에서 정의된 대기경계층 내 위치하고 있다. 해당 고도는 지상에 의한 영향을 크게 받을 뿐만 아니라, 구름이 형성되는 고도에 가깝고 강수가 내리는 지역으로 짧은 시간에 시야의 급격한 변화가 존재할 수 있다. 따라서 전통 항공교통에서 항로상의 위협요소가 아니었던 하층 난류, 강수/실링/착빙, 그리고 고층건물이나 산악에 의한 강풍 및 난류가 UAM에서는 매우 중요한 안전 위협요소가 된다. 또한 UAM에서는 대부분 빌딩 옥상, 건물 사이 개활지등에 버티포트를 구축하게 되므로 기존의 공항과 달리 빌딩, 지형 등에 의한 영향을 심각하게 받게 된다.
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FAA 위험분류(risk classification)에 따르면, 비행기의 크기가 작아짐에 따라 항공기 결함 및 사고 확률이 높아지며 기상재해에 따른 항공 민감도도 급격히 증가한다. UAM의 경우 비행체의 크기가 작기 때문에, 기상에 의한 안전 위협요소가 급격히 증가하며 운항의 효율성에 직접적인 영향을 받는다고 할 수 있다.
현재 예상되는 UAM 항로는 고도 300m-600m 이다. 이 고도는 대기경계층 내 외층 또는 에크만 층(Ekman layer)으로 분류되며, 풍속이 자유대기에 근접하고 여전히 지표면의 영향이 남아 있는 층이다. 그리고 대기경계층 내에서 가장 바람이 강한 곳이며, 구름의 기저가 주로 위치하거나 강수가 내리고, 온도가 지표면 보다 낮다. 따라서, 강한 바람의 직접적인 영향을 받으며, 운항 고도에서 빈번하게 실링(ceiling)이 발생하면서 시계비행(visual flight rule, VFR)이 어렵고, 강수시 낮아진 온도에 의하여 착빙 가능성이 급격히 증가할 수 있다.
운항항로부터 지상인프라 시설로의 전이가 이루어지는 고도는 대기경계층 내 관성아층(inertial sublayer)과 거칠기아층 (roughness sublayer)으로서 지표면의 영향을 가장 많이 받는 영역이다. 따라서 UAM 지상인프라(vertiport)에서의 이·착륙시에는 강한 돌풍, 시어, 난류가 나타날 수 있다. 따라서, 지상인프라 지역에서 이·착륙에 영향을 미치는 기상변수에 대한 직접적인 관측이 반드시 이루어져야한다.
그러나 기상관측 측면에서는 “data void”로 불릴 만큼 가용한 관측 자료가 적은 것이 현실이다. 대부분의 자동기상관측은 지표면에서 이루어지며, 이를 보조하기 위한 수직측풍기등은 지표면에서 하층 200m~300m까지의 관측에 한계가 존재한다. 따라서 UAM에서 기상정보는 예측과 가공의 문제에 앞서 정보 생산을 위한 관측이 우선되어야 함을 알 수 있다. |
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UAM 항로 및 지상인프라 지역에서 관측이 필요한 기상요소는 3가지로 분류할 수 있다.
첫째는 바람 및 난류 정보이다. 하층에서 발생하는 난류와 빌딩풍은 특히 중요한 관측요소이다.
둘째는 정확한 안개, 구름, 강수(눈, 착빙, 및 약한 비)의 정량 정보이다. 강한 강수 시의 UAM 비행 가능성은 배제되었다. 약한 강수시 또는 실링이 비행고도 보다 낮을 때 1)시정 악화, 2)강한 난류, 3)착빙으로 인한 비행능력 저하는 안전과 직결된다.
셋째, 중형, 대형 항공기와 마찬가지로 위험기상에 대한 정보는 필수이다. 낙뢰, 뇌우, 우박, 호우, 다운버스트/마이크로버스트 등의 상황에서는 UAM 운항이 어려울 것이다. 이러한 위험기상의 시종에 대한 정보는 UAM 운영의 효율성과 연계된다. |
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1. 지점관측망
조밀한 지상관측망이 지상에서 상세한 정보를 제공하지만, 고도에 따른 기상정보는 절대적으로 부족하다. 특히 버티포트 주위는 고해상도의 수평정보뿐만 아니라, 지표에서 UAM 항로까지 고도에 따른 고해상도(20m-50m) 정보가 요구된다. 따라서 버티포트에서는 고도에 따라 정확도가 높은 고해상도의 기상정보를 획득하기 위한 지점관측이 필요하며 이를 위해 기상관측 드론을 활용할 수 있다. 지상과 UAM 항로 사이를 반복적으로 이동하면서 고도에 따른 기상정보를 샘플링할 수 있다. 이 방법의 장점은 고도에 따라 해상도와 정확도가 높은 기상정보를 획득하는 데 있다. 그러나 강한 바람이나 위험기상의 조건에서 기상드론 자체도 운항이 어려울 수 있어 제한된 기상 상황에서만 정보 획득이 가능할 것이다.
2. 원격탐사 관측망
원격탐사 관측망은 지점관측의 한계를 극복할 수 있는 유일한 대안이며 지점관측 대비 넓은 영역 및 다양한 고도에서 관측이 가능하다. 그러나 원격탐사 장비별, 특히 파장대별 특성을 명확히 파악하고 기상환경에 적절하게 활용하는 것이 중요하다.
위험기상의 경우, 특히 강수와 연관된 위험기상의 경우에는 현존하는 기상레이더망의 정보를 융합한 원격탐사관측망을 선택하여야 한다. 그러나 현존하는 현업용 대향레이더(기상 청, 홍수 통제소)의 경우 대부분 산꼭대기에 위치하고 있어 UAM 운항 고도에 대한 정보 제공이 어렵다.
UAM 운항에 가장 큰 영향을 미칠 것으로 예상되는 바람 및 난류에 대한 정보는 청천에서 강수시까지 전천후 관측이 필요하다. 전천후 바람 관측이 가능한 장비는 수직측풍기가 유일하다. 수직측풍기는 청천시 대기굴절률의 변동성을 관측하여 고도에 따른 바람정보를 제공한다.
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항공에서 가장 중요한 것은 안전이다. 더군다나 UAM은 도심 상공을 날으는 항공기인 만큼 한번의 항공사고가 큰 인명피해로 이어질 수 있다. 아무리 시간을 절약한들, 자신의 안전을 위협하면서까지 UAM을 이용하는 사람은 없을 것이다. UAM은 항공기에 비해 기체의 크기도 줄고 또 비교적 낮은 고도에서 운용되기 때문에 전통적인 항공교통과는 다른 기상 관련 안전 위험에 노출될 수 있으며, 이에 대한 대비가 필요할 것이다. |
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도심항공교통을 위한 기상관측 제언, 이규원, 기상기술정책, 기상청
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발행 KUTAM
작성 이시윤
검수 AAM Open Space |
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