Introduction
농업 분야에서 드론의 활용성은 더욱 확대되고 있다. 일반적으로 액제 및 입제를 사용하는 방제용 드론의 분사/살포 시스템 이외에도 연무/연막기를 적용해 해충 방제에 사용하는 드론도 등장하고 있다. (Park, 2019; Choi et al., 2021). 연무/연막 살포 장치는 주로 엔진이나 가스 버너 등 가열기구를 이용해 기화 또는 무화된 약제를 일종의 노즐을 통해 살포하는 기구인데, 연막제(열을 받으면 쉽게 연막화 되는 액제)에 약제를 희석해 가열한 뒤 노즐을 통해 분출한다. 즉 연막에 약제를 함께 실어 보내는 원리는 적용한 것이다. 이때 연막에 실려 보내는 약제의 입자는 일반적인 농업용 드론의 압력분사 또는 원심불리형 노즐 등과 달리 매우 작고 가볍다. 상대적으로 미세한 약제 입자들은 공기 중으로 증발 또는 비산될 가능성도 높지만, 무화된 약제를 목표지점에 효과적으로 도달시킬 수 있다면 액제나 입제가 침투하기 어려운 곳의 해충방제에 활용할 수 있다는 장점을 갖고 있다. 실제로 멀티콥터 타입 드론에서 연막기를 적용하는데 있어 중요한 것은 살충제가 포함된 연막을 해충에 가까운 거리에서 살포할수록 효과가 있다는 점이다.(Kang et al., 2014). 또한 약제를 연막에 실린 상태로 해충 주변에서 오래 머물게 할수록 살충 효과도 향상될 것으로 판단된다.
본 연구에서는 연막 살포용 드론의 살포 효과 극대화를 위하여 프로펠러 회전 시 발생하는 하향풍의 최대효율구간을 측정하고, 프로펠러의 회전속도와 노즐의 수평/수직 위치에 따른 연막의 움직임을 통해 기류를 분석하여, 연막 노즐의 최적 위치를 선정하기 위한 기초 연구를 수행하였다.
Materials and Methods
프로펠러 ‘최대효율구간’ 측정을 위한 실험장치 구성
프로펠러의 크기와 형상에 따라 최대 효율이 발생되는 범위는 다르다. 프로펠러에서 전반적으로 하향풍의 세기가 고르고 높게 발생하는 범위가 있는데, 이를 통상 ‘최대효율구간’이라고 한다. 1단계로 실험에 사용하는 프로펠러의 최대효율구간을 찾기 위한 실험 장치를 만들어 모터와 연결된 프로펠러의 회전에 의해 발생하는 하향풍과 관련된 여러 특성들을 관찰했다. Fig.1은 본 연구에서 사용된 실험장치 개략도다. 단일 로터를 장착한 실험장치를 이용해 지면으로부터 3.1 m 위치에 프로펠러(모터)를 고정했다. 이 단일 로터 실험장치는 프로펠러와 모터 및 ESC (Electronic Speed Controller)가 포함된 파워 추진 시스템(X6 Power Propulsion System, Hobbywing, China)이다. 프로펠러의 최대효율구간은 프로펠러의 형상과 길이에 따라 다를 수 있는데, 실험에 적용된 프로펠러는 CCW 2388 (반시계방향 회전, 길이 58.42 cm, 피치 22.352 cm) 무게 91 g의 폴딩 타입이다.
이 실험장치를 이용해 먼저 프로펠러 하단의 위치별 풍속을 측정했다. 프로펠러 하단 풍속 측정지점의 기준 위치는 다음과 같다. 수평적 기준 위치는 프로펠러의 수평 중심선을, 수직적 기준 위치는 프로펠러(모터)의 중심축 기준해서 아래로 20 cm, 40 cm, 60 cm로 거리에 기준점을 두었다. 이 각각의 수직적 높이마다 수평으로 프로펠러의 하단부에는 5 cm, 프로펠러를 벗어난 지점부터는 10 cm 간격으로 측정지점을 정했다.
프로펠러 수평 중심선은 지면에서 3.1 m 높이에 있고, 모터의 회전 속도는 드론 운영에 주로 사용되는 중간 회전 속도인 2,400 rpm로 고정한 상태에서 풍속계(Testo 405i, Testo, Germany)를 기준으로 측정했고, 외부 환경적인 요인을 최대한 배제하기 위해 실내(가로 × 세로 × 높이 : 21 m × 40 m × 9.5 m, 무풍지대)에서 실험했다.
프로펠러의 최대효율구간 측정
Table 1과 Fig. 2에서도 알 수 있듯이 프로펠러 하단에서 수직 거리가 멀어질수록 풍속은 점차 줄어들지만, 이 프로펠러의 경우 중심에서부터 수평으로 10~25 cm 구간에서 프로펠러에 의한 하향풍이 상대적으로 고르고 강하게 나타났다. 2단계 실험에는 프로펠러 지름의 2배 이상에 해당되는 크기(가로 × 세로 : 90 cm × 130 cm)에 두께 0.02 mm 비닐 종이를 3.15 cm 간격으로 잘라 프로펠러의 회전에 의한 공기의 흐름을 가시적으로 관찰하는 용도로 사용했다.
Fig. 3에서 1번 정지상태에서 7번까지의 사진은 프로펠러(모터) 회전 후 1초 동안 프로펠러 하단부 및 주변부 공기가 어떻게 흐르는지를 단계적으로 보여준다. 이때 아래로 밀려 내려가는 공기에 의해 주변부 공기가 하향기류 쪽으로 함께 말리며 내려가는 것(공기 소용돌이:Vortexes)을 볼 수 있다. (Lei et al., 2020).
이 연구에서 중요한 부분은 저속과 중속 영역이다. 저속 영역은 세밀한 기류 분석에 의미가 있고, 중속 영역은 주로 방제 작업에 사용하며, 고속 영역은 방제가 아닌 신속한 이동 등 극히 일시적으로 쓰이고 있어서다. Fig. 4에서는 1초 이후 회전속도를 일정하게 유지하고 있는 경우다. 하향기류에 영향을 미치는 범위와 흐름의 정도를 확인할 수 있다. 저속(1,600 rpm)과 중속(2,400 rpm)에서는 프로펠러의 회전 범위 내에서 일정한 범위에서 하향기류가 형성되지만, 고속(3,200 rpm) 회전에서는 프로펠러의 회전 범위 내에 외부 공기가 훨씬 더 많이 유입되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 Fig. 5에서 보이는 것처럼 프로펠러의 회전방향에 따라 하향기류도 함께 회전한다. 즉 프로펠러 하단의 기류는 단순히 수직 하향하지 않고, 프로펠러가 회전하는 방향과 동일한 방향으로 나선형을 그리며 내려간다. 이러한 현상들은 이번 시험의 핵심 주제인 연막 노즐은 물론 액체 분사형 노즐을 사용하는 드론에서도 노즐 배치를 신중히 고려해야 한다는 것을 확인할 수 있는 부분이다.
연막 실험
3단계로 실제 연막기와 유사한 환경에서 연막의 양과 공기 흐름의 가시화를 고려해 연막탄(Smoke grenades for fire drills, Shina Firefighting, China)을 실험에 사용했다. 이 연막탄의 약량은 15 g, 연막 지속시간은 40~60초이다. 연막 실험 장소 역시 외부의 기상 영향이 최소화하기 위해 실내(가로 × 세로 × 높이 : 21 m × 40 m × 9.5 m, 무풍지대)의 중앙부에 실험장치를 배치하고 실시했다. 모터 회전수는 모터 회전수는 2단계 실험과 동일하게 저속(1,600 rpm), 중속(2,400 rpm), 고속(3,200 rpm)의 3단계로 구분했다. 연막 발생 지점은 1단계 실험에서 측정한 이 프로펠러의 최대효율구간을 기준으로 주변 기류를 입체적으로 확인할 수 있는 지점을 고려해 배치했다. 프로펠러의 중심인 모터의 수직축을 기준으로 하단 25 cm와 60 cm 지점에 각각의 측정 기준점을 잡았고, 이 모터의 수직축으로부터 수평으로 10 cm, 프로펠러의 끝지점에 해당되는 29 cm, 그리고 프로펠러를 벗어난 50 cm지점에 각각 연막탄을 배치해 기본적인 측정 기준점은 총 6개로 두었다.
프로펠러 상부로부터의 기류 관찰
프로펠러 하단 기류 분석에 앞서 상부로부터의 공기(연막) 흐름의 관찰하기 위한 실험을 선행했다. 연막 발생 위치를 프로펠러 상부 30 cm을 기준으로 프로펠러의 중앙 1개 지점, 그리고 프로펠러 끝지점 2개 지점에 두고 기류 변화를 관찰했다. 모터를 회전시키지 않는 상태에서 프로펠러 상부의 연막은 상승했다. 모터를 회전시키면 프로펠러 상부의 기류(연막)는 Fig. 6처럼 저속과 중속에서는 연막이 전반적으로 프로펠러의 중심부를 크게 벗어나지 않으면서 바닥까지 많은 양이 내려갔다. 연막의 형태는 모터 중심축 기준으로 지름 60 ~65 cm 정도의 원뿔을 형성했다.
하지만 고속 회전을 유지하고 있는 동안에는 풍속이 빠르고, 연막은 잘 보이지 않아 공기의 흐름을 정확히 파악하기 어려웠다. 이는 앞서 2단계 실험에서 확인한 것처럼 하향기류 내에 외부 공기가 많이 유입되어 연막이 다른 공기와 빨리 희석되어 나타난 현상으로 볼 수 있다.
Fig. 7의 경우 노란색과 적색 두 가지 연막을 프로펠러 양쪽 끝의 상부 30 cm 높이에 설치하고 실험한 장면이다. 이때 프로펠러 위쪽의 기류는 프로펠러의 ‘최대효율구간’을 향해 이동하는 현상을 확인했다. 또한 양쪽에 배치한 연막의 색과 이동 장면을 보면, 프로펠러의 회전방향을 따라 서서히 돌면서 하강하는데, 지면 가까이에서는 연막이 최초 발생지점으로부터 180° 이상 회전해 반대 지점에 도달했다. 또한 저속에서 보다는 중속 회전 시 동일 시간동안 더 많은 양의 연막이 지면까지 도달하는 것을 확인할 수 있었다.
프로펠러 하단부의 기류 관찰
Fig. 8과 같이 프로펠러의 수평 중심선 하단 25 cm, 모터 중심축에서 수평 10 cm 지점에서 발생된 연막은 나선형을 그리며 하향하는 동시에 아랫면이 좁은 원뿔 형태에 가까웠다. 저속(1,600 rpm) 회전 시에는 연막이 내려가는 속도가 느린 반면, 중속에서는 중속(2,400 rpm) 회전 시에는 지면까지 상대적으로 빨리 도달했고, 동일 시간에 연막이 퍼지는 영역도 상대적으로 넓었다. 이에 비해 고속 회전에서는 연막이 주변 공기와 빨리 희석되어 연막의 흔적을 찾기 힘들었다. 연막기는 실제로 연막에 얹혀 이동하는 미세한 약제 입자가 지면 위 작물 주변에 오래 머물도록 해야 해충 방제 효과가 있다고 판단되는데, 실제 약제를 사용했을 경우 감수지에 흔적이 남을 수는 있지만, 고속 회전이 방제 목적 달성에 큰 효과가 있다고 판단되지는 않았다.
레이싱 드론이 아닌 이상 드론에서 대부분 고속 회전은 사용하지 않고, 방제용 드론에서도 고속 회전은 이용되지 않는 영역이라 고속 회전은 유효 데이터로는 의미가 없다고 할 수 있다. 동일한 높이에서 프로펠러의 하단부 끝에 해당하는 수평 29 cm 지점에서 발생시킨 연막은 처음에는 프로펠러의 하향기류 외곽에서 약 15° 정도 사선으로 돌면서 하향 접근해 점차프로펠러의 최대 효율 구간 내려 들어오며 하향기류를 타고 내려왔다. 연막의 출발점이 프로펠러의 최대효율구간 내에 있을 때에 비해서는 상대적으로 연막의 직하 비율이 적었다. 모터 수직축 하단 25 cm 기준으로, 프로펠러의 지름을 벗어난 수평으로 50 cm 지점에서 연막을 발생시킨 경우, 연막의 흐름이 N자 형태를 그리며 일부는 프로펠러 끝지점의 윗부분으로 올라갔다가 내려오고, 나머지 대부분은 프로펠러 끝지점의 바로 아랫부분까지 상승했다가 내려갔다. 연막이 프로펠러 끝지점의 하단부에 들어오면서부터는 앞서 29 cm 지점과 유사한 흐름으로 진행되었다.
다음으로 Fig. 9처럼 연막 발생지점을 프로펠러 하단 60 ㎝ 위치로 내리고, 이 중심축에서 수평으로 10 cm, 29 cm, 50 cm 3개 지점에서 연막의 흐름을 관찰했다. 연막 발생지점이 프로펠러에서 훨씬 멀어진 만큼 기류의 차이도 컸다. 수평 10 cm 지점에서 출발한 연막은 나선형으로 내려오면서 고른 원뿔을 형성했다. 동일 위치의 수직 25 cm 지점에서 출발한 연막의 원뿔의 지름이 약 90 cm, 이었던 것에 비해 60 cm 지점에서 출발한 연막의 원뿔은 약 80 cm였다.
프로펠러 수평선에서 60 cm 하단, 모터 수직축에서 수평으로 29 cm 지점(프로펠러 끝의 하부에 해당)에서는 주로 하향기류의 바깥쪽으로 타고 나선형으로 내려와 상대적으로 외곽으로 퍼지는 비율이 많았다. 프로펠러의 지름을 벗어나 수평으로 50 cm 떨어진 지점에서의 연막은 프로펠러가 회전하는 방향을 따라 큰 외곽을 돌며 상승했다가 일부는 프로펠러의 하향기류를 타고 내려오는 커다란 N형을 보였지만, 외부로 흘러가는 경향이 심했다.
마지막으로 Fig. 10처럼 프로펠러 하단 60 cm를 기준으로, 모터 중심축 1개 지점과 수평으로 프로펠러 끝지점인 수평 29 cm 좌/우측 2개 지점에 연막 발생지점을 배치하고 동시에 기류를 관찰해보았다. 중앙부 연막은 상대적으로 지름이 작은 원뿔형으로 내려오는데 비해 양쪽 끝부분 연막은 프로펠러의 회전 방향에 반대방향의 나선형을 그리며 하향하는 것을 확인했다. 이 과정에서 프로펠러 지름의 범위 내에 있는 하향풍은 프로펠러의 회전방향대로 돌아 내려가고, 프로펠러의 지름을 벗어난 경계지점 부근의 기류는 미시적으로는 마치 기어가 맞물렸을 때처럼 프로펠러의 내부와 반대 방향으로 말리는 듯 하향하지만, 그 외부의 기류가 거시적으로는 프로펠러가 회전하는 방향을 따라 도는 것을 확인했다.
드론과 연막기 구조를 고려한 노즐의 배치
연막기는 약제를 가열해 연무 또는 연막상태로 해충이 많이 서식하는 곳에 살포하는 장치다. 대부분 가열된 연무·연막이 나오는 연통 같은 것이 있고, 그 연통의 끝부분이 공통적으로 노즐 역할을 하는 부분이다. Fig. 12와 같은 가스 버너 방식의 연막기에서도 볼 수 있듯이 연소장치가 포함된 연통 끝부분에 연막 노즐이 배치된다. 연통과 노즐에서는 열이 많이 발생해 주로 드론 본체의 외부에 배치한다. 이때 연막 살포에 의한 살충 효과를 높이기 위해서는 연막제를 목표 지점인 해충 주변에 가능한한 오래 머물도록 해야 하고, 이런 목표를 달성하기 위해서는 최적 노즐의 위치를 찾는 게 중요하다.
드론과 연막기를 구성하는 전체적인 구조물도 고려해야 한다. 통상적인 멀티콥터 드론의 구조가 4축~8축이고, 기체의 높이는 40~80 cm 이내다. 여기에 연막 제어부를 포함한 연막기 본체 및 가열부, 전원, 그리고 연통과 노즐 등의 구조적인 조건이 드론에 결합되어야 한다. 특히 이때 연통이나 노즐이 너무 낮게 배치되면 이륙과 착륙에 지장을 줄 수 있고, 프로펠러나 드론의 다른 구조물에 너무 가까우면 드론의 구조물이나 프로펠러를 손상시킬 수 있다. 연통과 노즐에서 발생하는 열로 인해 손상이 없는 거리까지는 구조물 간 간격을 벌리거나, 열을 분산 또는 차단하는 방안이나 위치를 고려해야 한다.
Results and Discussion
본 연구에서는 1단계 최대효율구간을 찾은 실험, 프로펠러 회전 시 프로펠러 하단부와 주변 기류를 가시화한 2단계, 그리고 실제 연막을 이용해 연막기의 노즐에서 발생하는 연막과 유사한 환경을 고려한 3단계 실험을 통해서 프로펠러 상부와 하부 및 주변부 연막의 흐름을 확인할 수 있었다. 프로펠러의 최대효율구간을 측정하기 위한 1단계 실험 과정에서 주목할 만한 것은 프로펠러의 끝부분인 29 cm 지점의 하단부에서는 최대효율구간 대비 풍속이 30 % 이하까지 떨어졌고, 프로펠러의 지름을 벗어난 지점 이후의 풍속은 0.8~0.04 m/s까지 급격히 떨어졌다. 프로펠러의 수평 중심선으로부터 하단 25 cm와 60 cm 위치 모두, 모터 중심축에서 각각 수평으로 10 ㎝ 지점에서 연막을 발생시켰을 때, 즉 프로펠러의 최대효율범위 내에 있는 하향풍을 이용했을 때 연막은 지름이 넓은 원뿔을 형성하면서 가장 균일하면서도 넓은 면적을 나타냈다. 연막 발생지점이 프로펠러 하단 25 cm에서 출발한 경우 지면에서 20 cm 위에서 원뿔 지름이 약 90 cm, 프로펠러 하단 60 cm에서 출발한 경우 원뿔 지름이 약 80 cm 정도로 프로펠러의 중앙부 기준의 연막 원뿔 지름(60 ~ 65 cm)보다 컸다. 프로펠러의 끝지점 또는 경계를 넘어선 지점에서 출발한 연막의 경우 상대적으로 외부에서 퍼지는 비율이 높아 연막을 목표지점으로 보내기 위한 목적으로는 적합하지 않았다.
기본적으로 프로펠러 하단에서 수직거리가 멀어질수록 풍속은 점차 줄어들게 된다. 이 프로펠러의 경우 수직거리가 40 cm 이후부터는 풍속이 약 2 % 정도 줄었지만, 전반적으로 수평으로 10~25 ㎝ 사이에서는 프로펠러에 의한 하향풍이 고르고 강하게 나타났다. 따라서 프로펠러의 최대효율구간은 노즐 위치를 결정짓는 데 있어 가장 중요한 변수라고 판단된다.
2단계 실험에서 결과인 Fig. 3의 모터 회전 후 1초 동안의 공기 흐름과 Fig. 4와 같이 회전 속도를 일정하게 유지하고 있는 경우, 그리고 Fig. 5처럼 프로펠러의 회전방향에 따른 하향풍의 회전방향이 결정된다. 이는 3단계 연막실험을 통해 프로펠러 지름 내와 주변의 기류를 종합적으로 분석할 수 있었다. 전체적으로 연막이 내려오는 형태를 요약하면, 연막의 진행은 전체적으로 프로펠러의 회전 방향을 따라 나선형으로 하향하는 동시에 프로펠러의 최대효율구간에서는 일정한 나선+원뿔형, 프로펠러 끝지점에서는 회전 반경을 따라 큰 나선형, 프로펠러 지름을 완전히 벗어난 50 cm 지점에서는 연막이 N형으로 상승했다가 하강하는 N+나선형으로 움직였다. 특히 프로펠러를 통해 연막 노즐의 수평적 위치는 프로펠러(모터)의 중심부에서부터 프로펠러의 최대효율구간 내에 배치했을 때 연막이 지면까지 가장 효과적으로 도달했고, 프로펠러와 노즐 사이의 거리에 따라 연막의 패턴이 다르고, 연막이 퍼지는 범위에도 차이가 있다는 것을 확인했다.
Conclusion
연막 살포용 드론에서 살포 효과 향상을 위한 기초연구로 연막 노즐의 최적 위치를 찾는 연구의 필요성이 있었다. 시판 제품 및 특허 등을 통해 기존에 공개된 제품에 적용된 노즐 위치 개선을 위해 풍속계와 연막을 이용해 공기의 세기와 회전 방향을 포함한 흐름을 분석하고 연막 노즐의 최적 위치를 선정하기 위한 연구를 수행하였다. 노즐에서 나온 연막을 목표로 하는 지점까지 효과적으로 보내기 위한 핵심 조건은 두 가지로 압축된다. 첫번째는 프로펠러의 최대효율구간을 이용하는 것으로 이를 통해 기본적으로 노즐의 수평적인 위치를 결정할 수 있다. 단일 프로펠러(모터)를 기준으로 풍속계를 이용해 프로펠러의 최대효율구간을 찾은 이유다. 두번째는 노즐의 수직적인 위치다. 프로펠러에 의해 발행하는 하향기류는 프로펠러의 회전방향대로 회전한다. 연막 발생 지점을 프로펠러 하단 어느 위치에 두는지에 따라 연막의 패턴과 범위도 달라지는 것을 확인했다. 프로펠러의 크기나 형상에 따라 차이가 날 수 있지만 노즐의 수직적인 위치는 연막이 확산되는 패턴에 영향을 준다.
드론마다 구조와 형식 및 중량이 달라 연막기와 노즐의 위치를 한 지점으로 규정할 수는 없지만, 지금까지의 실험 데이터를 기준 했을 때 축이 4개인 쿼드콥터 드론에서는 Fig. 12와 같이 드론의 중심부로부터 각 모터의 중심축(노란색)을 기준으로 녹색으로 표시한 구역, 또는 각 프로펠러의 최대효율구간에 해당되는 영역인 프로펠러 지름의 70~80 % 범위 내에 노즐의 수평적 위치를 두는 게 효과적이라는 것을 확인했다. 또한 각 프로펠러의 최대효율구간 범위 내에서 노즐의 수직적 위치는 프로펠러의 하단 20~60 cm 이내가 적정했다. 이는 기본적인 드론의 구조와 드론이 비행하는 동안 전후좌우 방향 전환 시 생길 수 있는 세류의 영향을 상대적으로 덜 받는 위치를 고려한 것이기도 하다.
향후 연구에서는 싱글 로터가 아닌 멀티 로터를 이용하고, 외부 환경적인 요인들을 포함하여 다양한 상황 하에 실험을 진행하여 드론용 연막기를 위한 최적 노즐 위치 및 적용 방법에 대한 연구를 계속 진행할 것이며, 이같은 연구는 드론을 활용한 연막 살포장치의 설계 및 개발 시 연막 노즐의 최적 위치와 살포효과를 높이는데 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
