제14부 민간 UAS — 기술·운용·응용
14.19 위험물·투하·외부 하중 운송
14.19.1 이 장에서 배우는 것 / 선수 지식 / 특히 중요한 독자
드론이 기체 안에 싣지 않고 밖에 매달거나 떨어뜨리는 물건, 그리고 위험한 물질을 다루는 일은 기체의 설계 한계를 넘어 규제의 별도 조항에 걸린다. 방제(14.3)의 액체 살포, 배송(14.2)의 낙하·윈치 인도, 소방(14.7)의 물자 투하, 건설·인프라의 외부 하중 운송이 모두 이 장의 주제다. 이 장은 세 가지를 계산한다. 투하 물체의 접지 에너지, 투하 뒤 앞으로 떨어지는 거리, 줄에 매단 하중의 진자 운동이다. 그리고 미국 14 CFR 107.23(b)·107.36·107.49(e)와 Part 133, EU 이행규칙 제4조 1항 (f)·제6조 1항 (b) iii와 위험물 정의를 원문으로 읽는다. 이 책의 안전·범위 방침(BK-04)에 따라 무기·탄약·폭발물의 운반·투하 운용은 다루지 않고 민간 물자와 일반 위험물의 규제 구조만 다룬다.
배우는 것:
- 투하 에너지 — 항력 면적 0.02 m²의 1 kg 물체는 10 m에서 87 J, 30 m에서 208 J로 접지한다(14.19.3.1).
- 전진 거리 — 속도 10 m/s로 날며 30 m에서 놓으면 21.9 m 앞에 떨어진다(14.19.3.2).
- 외부 하중의 진자 운동 — 줄 5 m의 주기는 4.5 s이고 가속 2 m/s²에서 하중이 1.02 m 벗어난다(14.19.3.3).
- 미국 규정 — 107.36의 위험물 운반 금지, 107.23(b)의 '부당한 위험을 만드는 투하' 금지, 107.49(e)의 부착물 확인, Part 133의 비적용(14.19.4.1).
- EU 규정 — 개방 범주의 위험물·투하 금지, 위험물 8종, 인증 범주(14.19.4.2).
선수 지식: 1.30(비상 회수·충돌 에너지), 14.18(사람 위 운용), 14.2(드론 배송)을 읽었다고 가정한다.
특히 중요한 독자: 정책·법무 담당자는 14.19.4·14.19.9를, 엔지니어는 14.19.3을, 사업 담당자는 14.19.5를, 인증 담당자는 14.19.4·14.19.8을 먼저 읽는다.
기준 시점과 정직성. 2026년 11월 기준이다. 원문을 읽은 것: 14 CFR 107.19(c)·107.23·107.36·107.49(e)와 Part 107 전체에 대한 키워드 검색, 14 CFR 133.1(eCFR, 2026-11-01 판 요청), EU 이행규칙 2019/947 제2조 11호(위험물)·제4조 1항 (f)·제6조 1항 (a)(b)(관보 원문, 14.1에서 받은 판). 읽지 못한 것: 49 CFR 171.8(위험물 정의)과 위험물 운송 규정, ICAO 기술지침(위험물 분류), Part 133의 133.1 이외 조문, Part 107 외 FAA 면제 문서, 한국의 투하·위험물 규정(항공안전법 시행규칙, 약사법). 투하 물체의 질량·항력 면적(1 kg·0.02 m²)·방출 속도·바람·줄 길이·질량비는 설명용 가정이다. 이 장은 운용 승인 지침이 아니다.
14.19.2 개념·직관
14.19.2.1 세 가지 대상
| 대상 | 예 | 규제가 보는 것 | 지배 변수 |
|---|---|---|---|
| 위험물 | 연료·농약·배터리 등 | 운반 자체 | 분류, 포장, 사고 시 위험 |
| 투하(살포 포함) | 낙하 인도, 소화 물자, 액체 살포 | 지표의 사람·재산에 미치는 위험 | 높이, 속도, 질량, 바람 |
| 외부 하중 | 줄·후크에 매단 하중 | 기체의 안정성과 하중 낙하 | 줄 길이, 질량비, 가속 |
14.19.2.2 규제 구조
이 대상들은 비행 능력(기체가 들 수 있는가)이 아니라 사고가 났을 때 제3자에게 미치는 위험으로 규율된다. 위험물은 위험의 종류, 투하는 낙하 에너지와 낙하 지점, 외부 하중은 하중이 떨어지거나 기체를 불안정하게 하는 위험이 문제다.
14.19.3 원리 — 에너지·거리·진동을 계산한다
14.19.3.1 투하 물체의 접지 에너지
수직으로 놓은 물체가 이차 항력으로 낙하하면 접지 속도는 $v^{2}=v_t^{2}\left(1-e^{-2gh/v_t^{2}}\right)$, 종단 속도는 $v_t=\sqrt{2mg/(\rho C_DA)}$다. 항력 면적 0.02 m²(가정)에서 종단 속도는 1 kg에서 28.3 m/s이고 접지 에너지는 다음과 같다.
| 방출 높이 [m] | 5 | 10 | 30 | 60 |
|---|---|---|---|---|
| 0.5 kg [J] | 21.8 | 38.8 | 77.1 | 94.8 |
| 1 kg [J] | 46.2 | 87.0 | 208.4 | 308.3 |
| 2 kg [J] | 95.2 | 184.7 | 492.6 | 833.6 |
1 kg 물체는 10 m에서 이미 87 J(13.2 m/s)로 접지한다. 14 CFR 107.120·107.130이 사람 위 운용의 범주 2·3에 정한 충격 에너지 기준 14.9 J·33.9 J(14.18)보다 크다. 다만 이 기준은 사람 위를 비행하는 기체의 상해 기준이며 투하 허용 기준이 아니다. 낙하 에너지는 높이에 거의 비례하다가 종단 속도에 가까워지면서 완만해지고, 질량이 두 배가 되면 접지 에너지도 두 배 이상이다. 그래서 투하 높이를 낮추는 것이 낙하 에너지를 줄이는 가장 직접적인 방법이고(윈치 인도, 14.2.2.2), 낙하산 등 감속 장치(1.30)가 에너지를 크게 줄인다.
14.19.3.2 투하 뒤 앞으로 떨어지는 거리
기체가 속도 $v_0$로 날며 물체를 놓으면 물체는 앞으로 이동하며 떨어진다. 이차 항력 2차원 시뮬레이션에서 1 kg·0.02 m²의 결과는 다음과 같다.
| 방출 속도 | 높이 10 m [m(s)] | 30 m | 60 m |
|---|---|---|---|
| 0 m/s | 0(1.5 s) | 0(2.6 s) | 0(3.9 s) |
| 5 m/s | 6.9(1.5 s) | 11.4(2.6 s) | 15.0(4.0 s) |
| 10 m/s | 13.4(1.5 s) | 21.9(2.7 s) | 28.8(4.0 s) |
| 15 m/s | 19.6(1.5 s) | 31.6(2.7 s) | 41.2(4.0 s) |
속도 10 m/s로 날며 30 m에서 놓으면 21.9 m 앞에 떨어진다. 투하 지점은 기체 바로 아래가 아니므로 조준점을 앞에 잡아야 하고, 속도·높이·질량의 오차가 낙하 지점 오차로 이어진다. 바람 5 m/s에서 정지 방출한 같은 물체는 30 m에서 1.8 m 이동하지만 질량 0.25 kg은 6.8 m 이동한다. 가벼운 물체일수록 바람에 민감하다. 투하 지점의 사람·재산에 대한 안전 구역은 이 이동을 포함해야 한다(8.6의 완충).
14.19.3.3 외부 하중의 진자 운동
줄 길이 $L$에 매단 하중은 평면 진자로 근사된다. 기체 위치가 제어로 고정되면 주기는 $T=2\pi\sqrt{L/g}$이고, 기체가 자유롭게 움직일 때(하중/기체 질량비 $\mu$) 주기는 $T=2\pi\sqrt{L/(g(1+\mu))}$다.
| 줄 길이 [m] | 1 | 3 | 5 | 10 | 30 |
|---|---|---|---|---|---|
| 기체 고정 [s] | 2.0 | 3.5 | 4.5 | 6.3 | 11.0 |
| $\mu=0.5$ [s] | 1.6 | 2.8 | 3.7 | 5.2 | 9.0 |
| $\mu=1.0$ [s] | 1.4 | 2.5 | 3.2 | 4.5 | 7.8 |
줄이 길수록 주기가 길어지고 질량비가 크면 짧아진다. 기체가 가속도 $a$로 움직이면 정상 흔들림 각은 $\arctan(a/g)$다. 가속 1·2·4 m/s²에서 5.8·11.5·22.2°이고, 줄 5 m에서 하중이 1·2·4 m/s²에서 각각 0.51·1.02·2.04 m 벗어난다. 줄 5 m의 고유 각진동수 $\sqrt{g/L}$는 1.4 rad/s이므로, 위치 제어 루프의 대역이 이와 가까우면 제어가 하중의 진동을 키울 수 있다(해석, 위치 루프 대역은 기체마다 다르다 — 확인 필요, 2.2). 하중은 매달린 점의 힘 방향을 바꾸어 추력 배분에도 영향을 준다(1.7). 이 모형은 평면 단진자 근사이며 공기 저항과 줄의 탄성을 포함하지 않았다.
14.19.4 규제
14.19.4.1 미국
14 CFR 107.36은 소형 무인기가 위험물을 운반하지 못한다고 정하고 위험물은 49 CFR 171.8로 정의한다. 107.23(b)는 물체가 투하되도록 두어 사람·재산에 부당한 위험(undue hazard)을 만드는 것을 금지한다. 투하 자체를 금지하는 문구가 아니라 부당한 위험을 만드는 투하를 금지하는 문구다. 107.49(e)는 비행 전에 원격조종사가 기체에 부착하거나 운반하는 물체가 고정되어 있고 비행 특성·조종성을 해치지 않는지 확인하도록 한다. 107.19(c)는 어떤 이유로든 기체를 조종할 수 없게 되어도 다른 사람·항공기·재산에 부당한 위험이 없도록 보장할 책임을 원격조종사에 둔다. 외부 하중에 관한 Part 107의 별도 조항은 키워드 검색(external·payload·tether)에서 나오지 않았고, 지식시험 주제(107.73)에 '소형 무인기의 적재(loading)'가 있을 뿐이다. 이는 검색 결과이며 조문 전체의 정독은 아니다(확인 필요).
농약을 싣고 살포하는 운용은 Part 107만으로는 부족하고 Part 137과 면제를 조합한다는 서술이 있으나 2차이며 FAA 원문은 읽지 못했다(14.3.5.2).
Part 133(회전익 외부 하중 운용)은 "Part 107의 적용을 받는 항공기를 제외하고" 회전익의 외부 하중 운용에 관한 감항증명·운용 규칙을 정한다(133.1). 따라서 Part 107 소형 무인기는 Part 133의 대상이 아니다. 133.1(d)는 승무원이나 외부 하중 운용에 필수인 사람이 아닌 사람은 승인된 Class D 조합에서만 태울 수 있다고 정한다.
14.19.4.2 EU
이행규칙 제4조 1항 (f)는 개방 범주에서 무인기가 위험물을 운반하지 않고 어떤 물질도 투하하지 않을 것을 요구한다. 제2조 11호는 위험물을 무인기가 탑재물로 운반하는, 사고 시 건강·안전·재산·환경에 위해가 될 수 있는 물품·물질로 정의하고 다음 여덟 군을 특히 든다.
| 군 | 정의에 든 세부 항목(원문 순서) |
|---|---|
| (a) 폭발성 물질 | 분류 하위 항목은 생략 |
| (b) 기체 | 인화성·비인화성·독성·산소·흡입 위험 |
| (c) 인화성 액체 | 인화성 액체, 가연성, 연료유, 가솔린 |
| (d) 인화성 고체 | 인화성 고체, 자연 발화성, 물과 접촉 시 위험 |
| (e) 산화제·유기 과산화물 | — |
| (f) 독성·감염성 물질 | 독, 생물학적 위해 |
| (g) 방사성 물질 | — |
| (h) 부식성 물질 | — |
제6조 1항은 인증 범주 운용을 (a) 기체가 인증되어 있고 (b) 운용이 사람들의 집회 위, 사람의 수송, 또는 사고 시 제3자에게 높은 위험을 줄 수 있는 위험물 운반 중 하나의 조건일 때로 정한다(14.1.3.4). 즉 개방 범주에서는 위험물 운반과 물질 투하가 안 되고, 개방 범주의 요건을 벗어나면 제5조의 특정 범주로 간다. 제3자에게 높은 위험이 되는 위험물 운반은 인증 범주 조건이다. 농약 살포가 '물질 투하'에 해당하는지, 어떤 위험물이 '높은 위험'인지의 경계는 조문에 없고 해석이다(14.1.3.4, 확인 필요).
14.19.4.3 한국
한국의 투하·위험물·살포 규정과 외부 하중 운용 규정은 읽지 못했다(확인 필요, 18.6). 약사법 관련은 14.2.5.3·14.8.5(2차)다.
14.19.5 설계·선택의 트레이드오프
- ① 투하 높이. 높이를 낮추면 에너지와 이동이 줄지만 지상의 사람·장애물에 가깝고 로터 후류가 닿는다.
- ② 줄 길이. 줄이 길면 기체를 지상에서 멀리 두어 안전하지만 진자 주기가 길어져 흔들림이 잘 잡히지 않고 항력이 는다.
- ③ 질량비. 하중이 기체에 비해 무거우면(μ 큼) 기체의 거동을 크게 바꾼다. 하중 투하 장치(후크)와 하중 감지, 비상 투하 판단이 필요하다(2.6).
견해: 투하·외부 하중 운용의 안전 논거는 "낙하 에너지와 이동을 얼마로 제한했는가"로 먼저 정하는 편이 낫다. 근거는 14.19.3.1·14.19.3.2의 계산이다. 1 kg을 10 m에서 놓아도 87 J이고 30 m에서 놓으면 21.9 m 앞에 떨어지므로, 높이와 속도를 낮추거나 감속 장치를 사용하는 것이 낙하 에너지에 직접 작용하는 방법이다. 반론은 이 계산이 단순 모형이며 포장·충격 흡수가 에너지를 줄인다는 점이다. 그래도 안전 논거의 첫 항목은 최대 방출 높이·속도·질량의 제한으로 두는 편이 낫다고 본다.
14.19.6 세 축 비교
| 비교 축 | 군용 드론 | 민간 UAS(위험물·투하·외부 하중) | AAM(UAM·RAM·화물) |
|---|---|---|---|
| 목적 | 해당 없음(군사 투하·탄약은 다루지 않음) | 물자 인도, 살포, 건설 하중 | 화물은 15.26 |
| 핵심 변수 | — | 낙하 에너지, 이동, 위험물 분류 | — |
| 규제 | — | 107.36·107.23(b)·107.49(e), EU 제4조·제6조 | — |
| 병목 | — | 승인 범주, 투하 안전 구역, 위험물 인증 | — |
14.19.7 관련 규격·프로토콜
| 문서 | 발행 | 무엇을 정하나 | 상세 장 |
|---|---|---|---|
| 14 CFR 107.23·107.36·107.49(e) | 미국 연방항공청 | 부당한 위험의 투하 금지, 위험물 운반 금지, 부착물 고정·조종성 확인 | 17.5 |
| 14 CFR Part 133 | 미국 연방항공청 | 회전익 외부 하중 운용(Part 107 항공기는 제외) | 17.5 |
| 이행규칙 2019/947 제2조 11호·제4조 1항 (f)·제6조 1항 | EU | 위험물 정의, 개방 범주의 위험물·투하 조건, 인증 범주 조건 | 17.11 |
| ICAO 기술지침(위험물) | ICAO | 위험물 분류(본문 읽지 못함) | — |
| UN 38.3·IEC 62133 | UN·IEC | 배터리 운송·안전 | 9.20 |
14.19.8 관련 규제·인증 요구와의 연결
| 이 장의 내용 | 일으키는 규제·인증 요구 | 장 |
|---|---|---|
| 위험물 운반 | 분류·포장, 인증 범주 | 17.11 |
| 투하·살포 | 부당한 위험의 투하 금지(미국 107.23(b)), 개방 범주 밖(EU 제4조 1항 (f)) | 14.3·14.2 |
| 외부 하중 | 부착물 고정·조종성 확인(미국 107.49(e)), 기체 안정성 | 1.7·2.2 |
| 사람 근처 투하 | 사람 위 운용 | 14.18 |
| 배터리 | 리튬 배터리 운송·화재 | 9.20 |
| 사고·책임 | 보험, 민사책임 | 18.22·18.24 |
14.19.9 함정과 한계
| 오해 | 실제 | 더 볼 곳 |
|---|---|---|
| 투하는 아래로 떨어지면 된다 | 방출 속도에 따라 앞으로 이동하며 이동 거리가 안전 구역을 정한다 | 14.19.3.2 |
| 낙하 에너지는 작은 물체라 무시한다 | 1 kg을 10 m에서 놓아도 87 J이다(가정) | 14.19.3.1 |
| 줄을 길게 하면 흔들림이 줄어든다 | 주기가 길어져 제어하기 어렵다 | 14.19.3.3 |
| Part 133이 Part 107 기체의 외부 하중을 규율한다 | 133.1이 Part 107 항공기를 제외하고, 부착물은 107.49(e)가 확인을 요구한다 | 14.19.4.1 |
| EU에서 위험물 운반은 특정 범주면 된다 | 개방 범주는 불가이고, 제3자에게 높은 위험이면 인증 범주 조건이다(경계는 해석) | 14.19.4.2 |
| 한국 규정도 같다 | 읽지 못했다 | 14.19.4.3 |
14.19.10 체크포인트·연구 질문
체크포인트
- 투하 물체의 접지 속도와 에너지를 질량·높이·항력 면적에서 계산할 수 있는가?
- 방출 속도와 높이에서 투하 후 전진 거리를 설명할 수 있는가?
- 외부 하중의 진자 주기와 정상 흔들림 각을 계산할 수 있는가?
- 107.36·107.23(b)·107.49(e)와 Part 133의 범위를 설명할 수 있는가?
- EU 제4조 1항 (f)와 제6조 1항, 위험물 8군의 의미를 설명할 수 있는가?
연구 질문(25.7에 모은다)
- 외부 하중을 단 소형 멀티콥터의 진자 운동을 제어하는 실용 기법(입력 성형 등)의 성능은 어떠한가?
- 낙하산 없는 투하의 안전 구역을 정하는 데 공개된 시험 자료는 무엇이 있는가?
- 한국의 위험물·살포·투하 규정은 미국 107.36·EU 제4조와 어떻게 다른가?
- 배터리 자체가 위험물이 되는 조건은 기체 내장 배터리와 탑재물 배터리에서 어떻게 다른가?
1차 출처(이 장)
- 14 CFR 107.19·107.23·107.36·107.49·107.73, 133.1 (eCFR, 2026-11-01 판 요청)
- Commission Implementing Regulation (EU) 2019/947 (관보 원문 2019년 판 — 제2조 11호, 제4조 1항 (f), 제6조 1항)
다음 장: 14.20 유인 저고도 항공과의 공존: 닥터헬기·소방·농업 항공과 충돌 위험 — 투하·하중과 별개로 저고도 공역의 다른 사용자를 다룬다.