제14부 민간 UAS — 기술·운용·응용

14.3 응용 I: 농업·방제·산림

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

농업은 민간 드론 응용에서 물질을 살포하는 임무의 대표다(14.1.2.1). 방제 드론은 낮은 고도에서 느리게 날며 액체를 뿌리고, 그 결과는 비행 성능이 아니라 살포 기하, 풍속 한계, 비산, 시즌의 첨두 수요가 정한다. 이 장은 방제를 중심으로 네 가지 계산을 하고, 한국·미국·EU가 항공 살포를 어떻게 규율하는지 원문으로 읽는다. 생육 모니터링 센싱과 산림은 마지막 절에서 범위와 이어지는 장만 밝힌다.

배우는 것:

• 방제 드론의 작업 능력 — 유량·살포 폭·속도·출격당 면적으로 ha/h를 구하고, 지상 처리(급수·배터리 교체)가 능력을 31 % 낮추는 과정(14.3.3.1).
• 풍속 한계와 비행 가능 비율 — 풍속 3 m/s 이하라는 살포 기준이 평균 풍속에 따라 비행 가능 비율을 어떻게 바꾸는가(14.3.3.2).
• 액적 크기와 비산 거리 — 종단속도로 구한 수평 이동 거리, 고도·풍속·액적 지름의 민감도(14.3.3.3).
• 첨두 기간의 필요 팀 수 — 면적과 방제 가능 기간으로 구하는 팀 수(14.3.3.4).
• ha 단위 자가 운용 대 위탁 — 손익분기 면적과 한 팀의 시즌 용량의 관계(14.3.4).
• 세 관할의 규율 — 한국 농림축산식품부 안내, 미국 Part 137, EU 지속가능한 농약 사용 지침 제9조(14.3.5).

선수 지식: 14.1(응용 지형과 운용 모델), 1.7(멀티콥터)을 읽었다고 가정한다. 규제 상세는 18.3·18.6(한국), 17.5(미국), 17.11(EU)에 있다.

특히 중요한 독자: 사업 담당자는 14.3.3.4·14.3.4를, 엔지니어는 14.3.3을, 정책·법무 담당자는 14.3.5·14.3.10을, 인증 담당자는 14.3.5·14.3.9를 먼저 읽는다.

기준 시점과 정직성. 2026년 11월 기준이다. 원문을 읽은 것: EU 지침 2009/128/EC 제3조 5호·제9조(관보 원문), 14 CFR 137.1·137.3·137.19·137.37·137.53과 107.23·107.36(eCFR, 2026-11-01 판 요청), 농림축산식품부 PLS 사이트의 드론 방제사 안내 쪽(웹 요약 도구로 읽음, 게시일 없음). 2차 출처로만 읽은 것: 한국 농약관리법의 항공방제업 신고 의무(2023년 1월 개정 시행이라는 기사 요약), 농촌진흥청 2024년 5월 안전사용 매뉴얼의 존재, 미국의 Part 107·Part 137·44807 면제 조합(대학 확장 서비스와 사업자 게시물). 읽지 못한 것: 한국 농약관리법 조문과 시행규칙, 방제 단가와 시장 통계, 제품 제원. 계산의 살포 폭·살포량·시간·금액은 모두 설명용 가정이며 제품·업체·시장의 실제 값이 아니다. 농약 사용 방법은 제품 라벨과 관할 기관 지침을 따라야 하며 이 장은 지침이 아니다.

14.3.2 개념·직관

14.3.2.1 농업·산림 응용의 세 묶음

살포는 물질이 목표 밖으로 나갈 수 있다는 점에서 센싱과 규제가 다르다. 항공기에서 살포하는 농약은 대부분의 관할에서 별도 승인·인증을 요구한다(14.3.5).

14.3.2.2 운용 모델

방제는 세 모델이 공존한다. 농가가 직접 운용하는 자가 운용, 영농조합·공동방제단이 여러 농가를 맡는 공동 운용, 사업자가 대가를 받고 맡는 위탁이다(저자의 분류, 견해). 위탁은 한국에서 항공사업법의 초경량비행장치사용사업 등록 대상이며, 그 정의가 업무의 예로 농약살포를 명시한다(2016년 제정본, 14.1.3.1). 농약 살포에는 농약관리법상 항공방제업 신고가 더해진다는 보도가 있다((2차), 조문은 읽지 못했다). 수요가 몇 주에 몰리는 계절 응용이라는 점이 운용 모델의 선택을 좌우한다(14.3.3.4).

14.3.3 원리 — 살포를 계산한다

14.3.3.1 살포 기하와 작업 능력

살포량 $Q$[L/ha], 유효 살포 폭 $W$[m], 비행 속도 $V$[m/s]이면 유량과 순수 살포 능력은 다음과 같다.

$$q=\frac{Q\,W\,V}{166.67}\ [\text{L/min}],\qquad C_0=0.36\,W\,V\ [\text{ha/h}]$$

한 출격의 면적은 배터리가 허용하는 살포 시간 $t_s$[분]에서 $a=C_0\,t_s/60$이고, 필요한 탱크는 $Q\,a$다. 실제 작업 능력은 이동·선회 시간 $t_o$와 지상 처리 시간 $t_g$를 더한 사이클로 나눈 값이다.

$$C=\frac{a}{t_s+t_o+t_g}\times 60\ [\text{ha/h}]$$

가정: $Q=10$ L/ha, $W=6$ m, $V=4.0$ m/s(농림축산식품부 PLS 안내의 속도 한계 시속 15 km=4.17 m/s 안), $t_o=1.5$분. 이때 $q=1.44$ L/min, $C_0=8.64$ ha/h다.

출격당 살포 10분·지상 처리 3분이면 작업 능력은 5.96 ha/h로, 순수 살포 능력의 31 % 아래다. 지상 처리를 1분으로 줄이면 6.91 ha/h, 5분이면 5.24 ha/h, 10분이면 4.02 ha/h다. 아래 그림은 이 민감도를 보인다. 이 구조는 14.1.5의 가동률 식과 같고, 급수·충전 장비는 14.27에서 다룬다.

14.3.3.2 풍속 한계와 비행 가능 비율

농림축산식품부 PLS 안내는 무인 멀티콥터 살포의 한계를 풍속 3 m/s 이하, 비행고도 2~3 m, 비행속도 시속 15 km 이하로 제시하고, 정지 비행과 선회 중에는 살포를 멈추라고 한다(웹 요약 도구로 읽음). 풍속 한계는 하루 중 비행할 수 있는 시간의 비율을 줄인다. 풍속이 레일리 분포를 따른다고 가정하면(가정) 풍속 $U$가 한계 $u$ 이하일 확률은 평균 풍속 $\bar U$에서 다음과 같다.

$$P(U\le u)=1-\exp\!\left(-\frac{u^{2}}{2\sigma^{2}}\right),\qquad \sigma=\frac{\bar U}{\sqrt{\pi/2}}$$

평균 풍속이 1 m/s 오르면 비행 가능 비율이 크게 떨어진다. 2 m/s에서 3 m/s로 오르면 0.829에서 0.544로 34 % 줄어든다. 실제 풍속 분포는 시간대·지형에 따라 레일리와 다르며, 이 장은 현장 풍속 자료를 읽지 못했다.

14.3.3.3 액적 크기와 비산 거리

살포 비산(drift)은 액적이 지면에 닿기 전에 바람에 실려 목표 밖으로 나가는 현상이다. 가장 단순한 근사는 액적이 고도 $h$에서 종단속도 $v_t$로 낙하하는 동안 풍속 $U$로 수평 이동한다는 것이다.

$$x\approx\frac{U\,h}{v_t}$$

종단속도는 Schiller-Naumann 항력 계수 $C_D=\tfrac{24}{Re}\left(1+0.15\,Re^{0.687}\right)$로 풀었다. 이 근사는 상한에 가까운 단순 모형이며 증발, 난류, 로터 하강풍, 액적이 풍속에 도달하는 데 걸리는 시간을 넣지 않았다.

이동 거리는 액적 지름에 급격히 반응한다. 지름이 절반(100 µm에서 50 µm)이 되면 거리는 약 3.5배(36 m에서 127 m)가 된다. 고도를 3 m에서 2 m로 낮추면 거리가 2/3로 줄고, 풍속이 절반이면 거리도 절반이다. PLS 안내가 "살포 압력이 높으면 입자가 작아져 비산 위험이 커진다"고 주의하고 비산이 적은 제형을 우선 고려하라고 하는 이유가 이 계산과 일치한다. 이 모형은 안전거리를 정하는 도구가 아니다. 이웃 농가·시설과의 이격은 관할 기관의 기준을 따른다.

14.3.3.4 첨두 기간의 필요 팀 수

한 팀의 하루 처리 면적은 작업 능력, 하루 비행 시간, 비행 가능 비율의 곱이다. 가정: 하루 6시간(바람이 약한 시간대), 평균 풍속 2 m/s(비행 가능 비율 0.829), 작업 능력 5.96 ha/h이면 하루 29.6 ha다. 면적 $A$를 $D$일 안에 방제하는 데 필요한 팀은 $N=\lceil A/(D\times 29.6)\rceil$다.

방제 가능 기간이 절반이 되면 필요한 팀 수는 약 두 배가 된다. 3,000 ha를 30일에서 15일로 줄이면 4팀에서 7팀으로 늘고, 10일이면 11팀이다. 한 팀의 30일 시즌 용량은 889 ha다. 첨두에 맞춰 팀을 갖추면 나머지 기간에 놀게 되므로 방제는 위탁·공동 운용과 시즌 외 용도 확보가 경제성을 좌우한다(14.1.5의 첨두 계산과 같은 구조).

14.3.4 경제 — ha 단위 손익분기

14.1.4의 식을 ha 단위로 옮기면 손익분기 면적은 $a^{*}=F/(p-v)$다. 연간 고정비 $F$, ha당 변동비 $v$, 위탁 단가 $p$[만원/ha]를 사용한다.

손익분기는 $700/(3-1.543)=480$ ha/년이다. 이는 한 팀의 30일 시즌 용량 889 ha의 54 %이므로, 이 가정에서는 자가 운용이 시즌 용량의 절반 넘게 일해야 위탁보다 싸다. 14.1.4에서는 임계 시간이 한 팀의 연 용량의 4.5 %였다. 방제는 수요가 몰려 한 팀의 연 용량이 시즌에 갇혀 있어서 고정비를 나눌 면적이 훨씬 빠듯하다.

단가를 읽지 못했으므로 표의 어느 열이 현실에 가까운지는 판단하지 않는다. 이 모형은 농약 비용(고객 부담으로 두었다), 이동 비용, 사고·보험, 인력의 시즌 고용 형태를 넣지 않았다.

14.3.5 규제 경로 — 항공 살포는 별도 규율이다

14.3.5.1 한국 — 항공안전법에 농약 규율이 더해진다

농림축산식품부 PLS 안내는 드론 방제의 살포 한계(풍속 3 m/s 이하, 고도 2~3 m, 속도 시속 15 km 이하), 정지·선회 중 살포 중단, 포장 경계와 나란한 비행, 인접 작물 피복, 이웃에 사전 통보, 살포 기록과 장비 세척을 정한다(웹 요약 도구로 읽음). 농사로의 설명 영상은 드론을 항공안전법상 무인멀티콥터로 보고 신고·비행 승인·안전성 인증을 거치라고 한다는 보도가 있다((2차), 18.3·18.6). 농촌진흥청은 2024년 5월 농약살포용 무인항공기 안전사용 매뉴얼을 발간했고((2차)), 2023년 1월 시행된 농약관리법 개정으로 항공방제업 신고가 의무화되었다고 한다((2차)). 농약관리법 조문은 읽지 못했다(확인 필요).

14.3.5.2 미국 — Part 137과 Part 107의 조합

14 CFR 137.3은 농업 항공기 운용을 경제독(농약)·식물 영양·토양 처리·해충 방제 물질의 살포 등을 목적으로 하는 항공기 운용으로 정의하고, 137.1은 이 부가 농업 항공기 운용과 그 운용자 증명 발급을 규율한다고 정한다. 137.37은 지표의 사람·재산에 위험을 만드는 방식의 살포를 금지한다. 한편 107.36은 소형 무인기가 위험물을 운반하지 못하게 하고(정의는 49 CFR 171.8), 107.23(b)는 물체를 투하해 지표의 사람·재산에 부당한 위험을 만드는 것을 금지한다. 따라서 농약을 싣고 살포하려면 Part 107만으로 부족하고, 실무에서는 Part 107 원격조종사 증명, Part 137 농업 항공기 운용자 증명, 55파운드 초과 기체는 44807 면제를 조합한다고 한다((2차), 주 확장 서비스·사업자 게시물이며 FAA 원문은 읽지 못했다). 2024년 11월 FAA가 처음으로 제한적 비가시권 살포 면제를 부여했다는 보도도 있다((2차), 확인 필요).

14.3.5.3 EU — 항공 살포는 원칙적으로 금지다

지속가능한 농약 사용 지침 2009/128/EC 제9조 1항은 "회원국은 항공 살포가 금지되도록 보장해야 한다"고 정한다. 2항은 특별한 경우에 예외를 허용하되 다음 조건을 모두 요구한다. (a) 실행 가능한 대안이 없거나 지상 살포보다 건강·환경 영향이 분명히 적을 것, (b) 사용 농약이 항공 살포용으로 명시 승인될 것, (c) 운용자가 인증을 가질 것, (d) 항공 살포 사업체가 인증을 받을 것, (e) 공중이 접근하는 구역 가까이에서는 위험 관리 조치를 승인에 포함하고 주거 지역 가까이는 안 될 것, (f) 2013년부터 비산 저감 최선 기술을 장착할 것. 3·4항은 관할 당국이 구체 조건을 정하고 사업자가 적용 계획의 승인을 신청하도록 한다.

제3조 5호는 항공 살포를 "항공기(비행기 또는 헬리콥터)에서의 농약 살포"로 정의한다. 이 문언만으로는 무인기가 포함되는지 정해지지 않는다. 회원국별 해석과 최근 개정 여부는 읽지 못했다(확인 필요, 17.11). 이 장의 EU 서술은 지침 2009/128/EC 원문의 범위에 한정된다.

14.3.6 센싱과 산림 — 범위와 이어지는 장

생육 모니터링의 센서 원리(다중분광·열화상)는 6.7·6.4이, 측량·매핑 워크플로는 14.9이 맡는다. 산림의 병해충 예찰·산불 감시·종자 살포는 이 장에서 계산하지 않았다. 한국의 산림 병해충 방제 제도와 해외 사례는 읽지 못했다(확인 필요). 같은 살포 물리(작업 능력·비산·첨두)는 산림 살포에도 적용되지만, 임상의 장애물과 지형 때문에 살포 고도와 폭의 가정이 달라진다.

14.3.7 설계·선택의 트레이드오프

• ① 살포 압력·노즐. 압력을 낮추고 큰 액적을 만들면 비산이 줄지만 부착 균일도가 떨어질 수 있다(확인 필요, 제품·작물별). 이 장은 부착 효율을 계산하지 않았다.
• ② 탱크 크기. 탱크가 크면 출격당 면적과 작업 능력이 늘지만 이륙 중량이 늘어 호버 동력과 배터리 소모가 커지고, 같은 배터리로는 살포 시간이 줄어 출격당 면적이 오히려 감소할 수 있다(1.26.4의 탑재량–항속 구조).
• ③ 운용 모델. 자가 운용은 시기를 정할 수 있으나 연간 면적이 손익분기를 넘어야 한다. 공동 운용과 위탁은 첨두를 나눌 수 있으나 가용성과 방제 적기 확보가 계약 문제가 된다.

견해: 방제 사업의 병목은 기체 성능이 아니라 방제 가능 기간과 시즌 가동률이다. 근거는 14.3.3.4와 14.3.4의 계산으로, 면적 3,000 ha를 10일에 방제하려면 11팀이 필요하고 손익분기가 한 팀 시즌 용량의 54 %다. 반론은 이 계산이 설명용 가정이며 풍속 분포·단가를 읽지 못했다는 점, 그리고 현장에서는 야간·새벽 비행 승인과 병행해 방제 가능 시간을 늘릴 수 있다는 점이다(14.17). 그래도 방제 적기라는 시간 제약은 장비 증설만으로 풀리지 않으므로, 공동 운용 조직과 시즌 외 용도를 확보하는 편이 낫다고 본다.

14.3.8 세 축 비교

14.3.9 관련 규격·프로토콜

14.3.10 관련 규제·인증 요구와의 연결

14.3.11 함정과 한계

14.3.12 체크포인트·연구 질문

체크포인트

1. 유량 $q=QWV/166.67$과 능력 $0.36WV$를 유도하고 단위를 확인할 수 있는가?
2. 출격당 살포 시간과 지상 처리 시간이 작업 능력에 주는 영향을 설명할 수 있는가?
3. 평균 풍속이 오를 때 비행 가능 비율이 급감하는 이유를 레일리 분포로 설명할 수 있는가?
4. 액적 지름·고도·풍속에 따른 비산 거리의 비례 관계를 말할 수 있는가?
5. EU 지침 제9조가 항공 살포를 금지하는 원칙과 예외 조건을 설명할 수 있는가?

연구 질문(25.7에 모은다)

• 한국 방제 현장의 실제 풍속 분포와 방제 가능 시간은 레일리 가정과 얼마나 다른가?
• 드론 살포의 부착 효율과 비산을 현장 시험으로 정량화한 한국 연구는 어떤 조건을 사용했는가?
• EU 회원국은 무인기 살포를 항공 살포 금지의 예외로 다루는가, 별도 규율로 다루는가?
• 방제 위탁 시장에서 첨두 가용 용량은 어떻게 배분되는가?

1차 출처(이 장)

• Directive 2009/128/EC (관보 원문 — 제3조 5호, 제9조)
• 14 CFR Part 137(137.1·137.3·137.19·137.37·137.53), Part 107(107.23·107.36) (eCFR)
• 농림축산식품부 PLS 사이트 드론 방제사 안내(웹 요약 도구로 읽음, 게시일 없음)

다음 장: 14.4 응용 II: 점검·건설·에너지·인프라 — 순항과 센서가 지배하는 응용으로, 이 장의 살포 물리와 대비해 읽는다.