제15부 AAM — UAM·RAM·화물의 기술과 운용

15.10 버티포트 입지 선정과 네트워크 계획

15.10.1 이 장에서 배우는 것 / 선수 지식 / 특히 중요한 독자

15.8는 한 버티포트의 기하를, 15.9은 그 안의 흐름과 용량을 다루었다. 이 장은 버티포트를 도시 어디에 몇 곳 두는가를 본다. 일차 자료는 NASA의 지원으로 Virginia Tech이 낸 UAM 수요 예측·시나리오 최종 보고서(Rimjha 외, 2020-04-25)다. 이 보고서는 모드 선택 모형으로 수요를 추정하고, 그 수요가 최대가 되는 버티포트 위치를 반복적으로 골라, 수요가 몰리는 지점은 분할하고 가까운 지점은 통합한다. 이 장은 그 방법과 수치를 읽고, 같은 질문을 접근 시간만으로 푸는 이 책의 단순 모형을 더한다. 15.2는 노선당 빈도와 점대점 대 허브를 다루었으므로 이 장은 입지와 개수에 집중한다. 이 책의 방침(BK-04)에 따라 군용 시설은 다루지 않는다.

배우는 것:

• 입지는 제약의 교집합이다 — 수요·접근, 공역(장애물 제한 표면), 지상 기하, 다른 비행장과의 이격, 전력, 사회 수용성이다(15.10.2.1).
• 수요 최대화 배치와 분할·통합 — 모든 블록 그룹에 하나씩 두고 수요가 낮은 절반을 반복해 버리며, 피크 시간 수요가 패드 6개를 넘으면 분할하고 0.5 mi 안의 지점은 통합한다(15.10.2.2).
• 버티포트가 늘수록 수요는 느리게 는다 — 75곳에서 200곳으로 늘리면 수요 탄력성이 0.5~0.9이고, 요금을 1달러에서 2달러/마일로 올리면 75곳에서 18~55배 줄어 요금이 수요를 더 크게 정한다(15.10.3.1).
• 접근 시간이 도달 범위를 정한다 — 900 mi² 도시에서 버티포트 9곳이면 평균 접근 11.5분, 손익분기 거리 15.5 mi이고 400곳이면 7.7 mi다. 시간 절감이 되는 이동의 비율은 0.49에서 0.84로 늘 뿐이다(15.10.3.2).
• 몰림과 상한 — 가장 붐비는 지점에 하루 7,500 운영이 몰리면 피크 비율 10 %에서 패드 15.6개가 필요해 6개 상한의 2.6배다. 상한을 적용하면 200곳 시나리오의 수요가 최대 14.5 % 줄어든다(15.10.3.3).

선수 지식: 15.2(수요·시간 가치·노선), 15.8(버티포트 기하), 15.9(용량·충전·도시 통합)을 읽었다고 가정한다.

특히 중요한 독자: 엔지니어는 15.10.3을, 인증 담당자는 15.10.2·15.10.4를, 정책 담당자는 15.10.2.1·15.10.4·15.10.9를, 운용 담당자는 15.10.3.3·15.10.5를 먼저 읽는다.

기준 시점과 정직성. 2026년 11월 기준이다. 원문을 읽은 것: Rimjha, Li, Hinze, Tarafdar, Hotle, Swingle, Trani, Demand Forecast Model Development and Scenarios Generation for Urban Air Mobility Concepts: Final Report(Virginia Tech, 2020-04-25, NTRS 20205005881 — 3장 모드 선택 모형과 적용, 4장 버티포트 분할·통합, 5·6장 결론·권고), FAA EB 105(2022)의 1.3·1.4·5장, EASA PTS-VPT-DSN(2022)의 B.160·C.340·C.350, EASA 사회 수용성 연구(2021, 15.9에서 읽은 부분). 읽지 못한 것: Rimjha의 학위논문(2022), Vascik·Hansman의 규모 제약 논문, 버티포트 위치 최적화 논문들(Rath·Chow, Volakakis·Mahmassani, Serhal 외, Khalife 외 — 검색 결과의 요약(2차)으로만 알고 본문은 읽지 못함), 한국의 버티포트 입지 기준(18.13). 보고서의 한계를 그대로 옮긴다. 남캘리포니아와 댈러스-포트워스는 대중교통 표본이 적어 북캘리포니아의 모형을 적용했고, UAM 선택 자료가 없어 Georgia Tech의 선택 설문(Garrow·German·Patterson, 2019)의 상수를 빌렸으며, 버티포트 승하차 시간은 5분을 임시값으로 두었고, 정밀 활주로가 있는 공항의 접근 표면은 전부 보호했다. 이 장의 접근 시간 모형은 이 책의 단순 모형이다(도시는 정사각형, 수요는 균등, 버티포트는 정사각 격자, 지상 속도 20 mph는 15.2의 가정). 이 장은 입지 선정 지침이 아니다.

15.10.2 개념·직관

15.10.2.1 입지의 여섯 제약

이격 거리의 두 값. 같은 설계 문서에서도 이격은 다르게 정해진다. EB 105 표 5-1은 FATO 중심에서 활주로 중심선까지 소형 비행기(12,500 lb 이하) 300 ft(91 m), 대형(12,500~300,000 lb) 500 ft(152 m), 초대형(300,000 lb 초과) 700 ft(213 m)(VFR 동시 같은 방향 운용), EASA PTS 표 C-2는 후류 난기류 위험을 줄이려는 값으로 FATO 가장자리에서 활주로·유도로 가장자리까지 비행기와 VTOL의 질량이 3,175 kg 미만이면 60 m, 3,175~5,760 kg이면 120 m, 5,760~100,000 kg이면 180 m, 100,000 kg 이상이면 250 m다. 기준점이 다르므로(중심 대 가장자리) 숫자를 바로 빼거나 맞출 수 없다. PTS는 두 FATO 사이에는 안전 평가를 요구하며 헬리콥터(3,175 kg 이하)의 동시 이착륙에 사용되는 60 m를 참고값으로 둔다. 안전구역끼리 포개지지 않아야 한다. 활주로·유도로 교차점이나 항공기 후류가 생기는 곳 근처에는 두지 않는다.

15.10.2.2 수요 최대화 배치와 분할·통합

Virginia Tech 보고서의 배치는 반복적이다. 모든 블록 그룹 중심에 버티포트를 하나씩 두고 모드 선택 모형으로 수요를 구한 뒤, 수요가 낮은 절반을 버리고 다시 수요를 구하는 일을 원하는 개수에 이를 때까지 반복한다(그림 6). 요금이 달라지면 위치도 달라진다. 남캘리포니아에서는 요금이 낮을수록 인구 밀도가 높은 곳에, 높을수록 고소득 가구가 사는 곳에 버티포트가 놓인다. 이 방식은 UAM 이동 시간 추정에 공항 접근 표면을 돌아가는 시간을 넣고 정밀 활주로의 접근 표면을 전부 보호한다. 뉴욕에서는 LGA와 JFK의 정밀 활주로 접근 표면이 퀸스의 넓은 부분에서 버티포트 배치를 막고, 표면을 피하는 우회로가 시간과 비용을 늘려 수요도 줄인다.

수요 중심의 배치는 가까운 지점이 생긴다. 그래서 4장은 후처리를 둔다.

• 분할. 피크 시간 수요가 필요로 하는 패드가 6개를 넘으면 그 버티포트를 k-medoids로 둘 이상으로 나눈다. 6개와 스탠드 38개는 보고서의 동반 연구(15.9의 NASA DF4)가 본 가장 큰 실용 규모다.
• 통합. 0.5 mi(약 0.8 km) 안의 지점은 합계 수요가 패드 상한을 넘지 않는 한 합친다.
• 상한. 그래도 상한을 넘는 지점은 수요를 자른다.

15.10.3 원리 — 수요·접근·몰림

15.10.3.1 버티포트 수에 대한 수요의 반응

보고서가 결론에 적은 하루 비행 수에서 75곳과 200곳(2.67배)의 같은 요금 값을 비교하면 수요 탄력성 $\varepsilon=\ln(D_{200}/D_{75})/\ln(200/75)$는 다음과 같다.

수요는 버티포트 수보다 느리게 늘고(탄력성 0.5~0.9), 요금이 그보다 훨씬 크게 정한다. 75곳에서 요금을 1달러에서 2달러/마일로 올리면 하루 비행 수가 북캘리포니아에서 18배(65,020→3,605), 남캘리포니아에서 55배, 댈러스-포트워스에서 29배 줄어든다. 보고서는 이유를 지역 특성에서 찾는다. 북캘리포니아는 고소득 가구가 밀집해 버티포트를 8배(50→400곳) 늘려도 수요가 2배에 그치고(탄력성 0.33), 남캘리포니아와 댈러스는 고소득 가구가 인구 밀도가 낮은 곳에 살아 버티포트를 늘릴수록 접근 가능한 사람이 늘어 남캘리포니아는 4배(0.67)가 되며, 뉴욕은 114 % 늘어난다(0.37). 이 값은 보고서 모형의 결과이며 예측이 아니다(모형의 한계는 15.10.1).

15.10.3.2 접근 시간이 도달 범위를 정한다

수요 모형 없이 버티포트 수가 시간 절감을 얼마나 가능하게 하는가만 본다. 면적 $A$인 도시에 버티포트 $N$개를 정사각 격자로 두면 칸의 한 변은 $s=\sqrt{A/N}$이고, 임의의 지점에서 가장 가까운 버티포트(칸 중심)까지의 평균 거리는 $a=c_0\,s$, $c_0=\big(\sqrt2+\ln(1+\sqrt2)\big)/6=0.3826$이다(몬테카를로 검산 0.3829). 15.2의 고정 시간 40분 가운데 접근·이동 24분(12분×2)을 빼면 나머지 고정 시간은 $T_o=16$분이다. 지상 속도 $v_g=20$ mph, UAM 순항 속도 $v_u=125$ mph로 두면 양 끝 접근을 포함한 고정 시간과 시간 절감이 되는 거리 하한은

$$T_f(N)=\frac{2a}{v_g}\cdot60+T_o\ \text{[min]},\qquad d^{*}(N)=\frac{T_f(N)/60}{1/v_g-1/v_u}$$

이다. 900 mi²(30×30 mi)에서 다음과 같다.

$N=9$이면 $T_f=39.0$분, $d^{*}=15.5$ mi로 15.2의 40분·15.9 mi와 맞는다. 곧 15.2의 접근 12분은 버티포트 한 곳이 100~110 mi²를 담당하는 밀도다. $N\to\infty$에서도 $d^{*}\to6.35$ mi로 내려갈 뿐 0이 되지 않는다. 대기·탑승·이착륙·하기의 16분이 남기 때문이다.

버티포트 수를 4배 늘릴 때마다 손익분기 거리가 줄지만 줄어드는 폭이 작아지고, 시간 절감이 되는 이동의 비율은 포화한다. 정사각형 한 변 30 mi에서 4곳이면 0.29, 9곳이면 0.49, 36곳이면 0.70, 100곳이면 0.78, 400곳이면 0.84다(도시 한 변 20 mi에서는 0.17→0.35→0.56→0.64→0.70, 40 mi에서는 0.36→0.57→0.77→0.84→0.89). 이 비율은 시간 측면의 도달 범위이며 요금·수요를 넣지 않았다. 보고서의 요금 효과(15.10.3.1)가 이 비율의 변화보다 훨씬 크다. 이 모형은 수요가 균등하고 지상 거리 보정이 없으며 위치를 격자로 두므로, 수요가 한 곳에 몰린 도시에서는 다르게 나타난다.

15.10.3.3 몰림과 상한

보고서는 수요가 한 점에 집중하는 문제를 직접 적는다. 요금이 1.20달러/마일 미만이면 샌프란시스코 금융지구의 버티포트 한 곳이 하루 7,500 운영을, 그 주변의 다른 지점이 약 3,000 운영을 받는다. 이는 항공 교통 관리에 어려운 문제라고 한다(보고서가 '운영'으로 센 것이 착륙과 이륙 각각인지는 원문에서 확인하지 못했고, 이 장은 패드 운영 한 건으로 읽었다, 확인 필요). 15.9의 용량 모형으로 환산하면 한 패드는 착륙·이륙이 각각 60 s이므로 시간당 60 운영을 받는다. 피크 시간 비율 $f_p$, 패드 사용률 $u$(15.9에서 NASA가 본 83 % 근처, 0.8로 둠)로 필요한 패드 수는

$$N_p=\frac{f_p\,Q_{\mathrm{day}}}{60\,u}$$

이다($Q_{\mathrm{day}}$ 하루 운영). $Q=7{,}500$이면 $f_p=8\cdot10\cdot12\ \%$에서 12.5·15.6·18.8개이고, $Q=3{,}000$, $f_p=10\ \%$이면 6.3개다. 6개 상한의 2.6배(7,500, 10 %)와 1.04배(3,000)다. 피크 비율은 가정이다. 이 값은 분할이 필요한 이유를 보인다.

보고서 표 9~12(버티포트 200곳 시나리오)는 분할·통합·상한 뒤의 결과를 준다.

수요가 몰리는 지역일수록 상한이 수요를 크게 자른다. 북캘리포니아는 14.5 %, 뉴욕은 10.6 %를 잃고, 수요가 흩어진 남캘리포니아는 잃지 않는다. 북캘리포니아에서 수요가 샌프란시스코 중심의 작은 구역에 크게 몰린다고 보고서가 적으므로 이 손실은 그 몰림에서 온 것으로 읽힌다(해석). 뉴욕은 분할로 지점이 200곳에서 273곳으로 늘고 수요가 다시 계산되어 비행 수가 오히려 7.3 % 늘었다(보고서는 분할·통합 뒤 전체 수요를 재계산한다고 적는다). 이 표는 한 시나리오 한 줄이며, 상한은 15.9의 패드 6개·스탠드 38개에 해당하는 용량 한계다. 보고서는 통근 수요가 한 방향으로 흐르므로 공(空) 비행이 크게 생길 것이라고 하며(북캘리포니아가 가장 한 방향적) 이것이 비용을 키운다고 지적한다. 보고서는 통근 시장만 보았고, 다른 시장(공항 접근 등)은 포함하지 않는다.

15.10.4 규제와의 연결

• FAA 절차. 연방 지원 공항 위의 버티포트는 공항 배치도와 Form 7460-1의 공역 검토를, 연방 지원이 없는 독립 부지는 Form 7480-1을 공사 시작 90일 전까지 제출한다. 공항 안 버티포트 가운데 연방 승인이 필요한 사업은 국가환경정책법(NEPA)의 환경 검토가 필요하다. 주·지방의 허가, 용도 지역, 건축·소방·소음 조례가 따로 적용된다(15.8, 17.9).
• EASA 보호(safeguarding). B.160은 운영자가 지방 당국과 협의해 장애물 제한 표면·장애물 자유 체적, 조명, 조류 위험, 공사 간섭을 점검하고 주변 학교·병원·주거 지역을 표시한 배치도를 준비하도록 한다. 비구속 지침이다.
• 공항 접근 표면. 보고서는 정밀 활주로 공항의 접근 표면을 전부 보호했고 그 결과 뉴욕에서 버티포트가 막히고 우회가 생긴다. 상용 항공과 UAM의 상호작용을 더 잘 알면 이 방식을 다듬을 수 있다고 적는다.
• 한국. 한국의 버티포트 입지와 인허가는 읽지 못했다(확인 필요, 18.13).

15.10.5 설계·운용의 선택

• ① 개수. 많을수록 접근은 짧아지나 수요는 느리게 늘고 지점당 운영이 줄어 경제성이 떨어진다. 보고서는 운영이 거의 없는 변두리 지점의 경제성을 우려한다.
• ② 허브 대 분산. 허브는 용량 상한과 공역 부담이 커지고, 분산은 지점당 규모가 작다.
• ③ 위치. 수요 중심이냐 제약(공역·전력·소방 접근) 중심이냐에 따라 후보 지점이 크게 달라진다.
• ④ 분할 규칙. 패드 상한과 통합 거리(0.5 mi)가 지점 수를 정한다.
• ⑤ 연결. 지상 접근과 버티포트 사이 이동(ground access)을 함께 설계한다(보고서는 승하차 5분을 임시값으로 둔다).

견해: 도시 네트워크는 접근 시간이 시간 절감 범위를 정하는 구간(900 mi²에서 수십 곳)까지는 지점 수를 늘리고, 그 뒤에는 새 지점보다 기존 허브의 용량(스탠드·충전·분할)을 늘리는 편이 낫다고 본다. 근거는 15.10.3이다. 이 장의 모형에서 36곳을 넘으면 시간 절감이 되는 이동의 비율이 0.70에서 0.84로 느리게 늘고(400곳), 보고서의 탄력성은 0.5~0.9이며, 수요가 몰리는 지점은 상한 때문에 4~15 %를 잃는다. 반론은 두 가지다. 입지는 수요만이 아니라 공역·소음·전력의 제약이 정하므로 좋은 지점을 얻는 일 자체가 병목이고, 보고서의 모형은 요금을 크게 낮춰야 의미가 있는 수요를 가정한다. 이 모형은 수요가 균등한 정사각형 도시와 격자 배치를 가정했으므로, 이 견해는 투자 순서에 대한 판단이며 특정 도시의 적정 개수를 말하지 않는다.

15.10.6 세 축 비교

15.10.7 관련 규격·프로토콜

15.10.8 관련 규제·인증 요구와의 연결

15.10.9 함정과 한계

15.10.10 체크포인트·연구 질문

체크포인트

1. 입지의 여섯 제약과 EB 105·PTS의 이격 기준이 서로 다른 기준점을 사용한다는 점을 설명할 수 있는가?
2. 수요 중심 배치(절반 제거 반복)와 분할·통합 규칙을 설명할 수 있는가?
3. 두 지점의 수요로 탄력성 $\varepsilon$을 계산하고 의미를 말할 수 있는가?
4. 도시 면적과 버티포트 수에서 평균 접근 거리·고정 시간·손익분기 거리를 계산할 수 있는가?
5. 하루 운영과 피크 비율에서 필요한 패드 수를 구하고 상한과 비교할 수 있는가?

연구 질문(25.7에 모은다)

• 접근 표면과 공항 상호작용을 모형에 넣으면 뉴욕의 버티포트 수요는 얼마나 달라지는가?
• 수요가 몰리는 도시 중심의 분할 규칙(패드 6개, 0.5 mi)은 공역 용량에 맞는가?
• 한 방향으로 흐르는 통근 수요의 공 비행을 줄이는 네트워크 구조는 무엇인가?
• 한국 도심의 버티포트 후보 지점이 장애물 표면과 전력 연결을 만족하는 비율은 얼마인가?

1차 출처(이 장)

• Rimjha, M., Li, M., Hinze, N., Tarafdar, S., Hotle, S., Swingle, H., Trani, A., Demand Forecast Model Development and Scenarios Generation for Urban Air Mobility Concepts: Final Report, Virginia Tech (2020-04-25, NTRS 20205005881)
• FAA, Engineering Brief No. 105, Vertiport Design (2022-09-21) 1.3·1.4·5장
• EASA, PTS-VPT-DSN (2022-03-24) B.160·C.340·C.350

다음 장: 15.11 버티포트 비상대응: 배터리 화재 진압·구조소방·비상 착륙지 — 버티포트에서 화재와 사고가 났을 때의 대응을 다룬다.