植保無人機(jī)噴霧系統(tǒng)淺析

近年來，我國植保無人機(jī)農(nóng)藥噴灑作業(yè)量日益增長，應(yīng)用的農(nóng)作物范圍也越來越廣，植保無人機(jī)在地面噴桿噴霧機(jī)難以進(jìn)地作業(yè)的地區(qū)具有廣闊發(fā)展應(yīng)用前景。與傳統(tǒng)人力背負(fù)噴霧作業(yè)相比，植保無人機(jī)用于低空低量施藥作業(yè)具有作業(yè)效率高，勞動強(qiáng)度小等優(yōu)點(diǎn)；與有人駕駛大型航空飛機(jī)施藥相比則成本大大降低，并能夠滿足高效農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，特別是對于水稻、中后期玉米、丘陵中種植的農(nóng)經(jīng)作物等地面機(jī)械難以進(jìn)地進(jìn)行農(nóng)藥噴霧作業(yè)的情況。目前，我國研發(fā)了多種適合于不同地區(qū)小農(nóng)戶的植保無人機(jī)，以應(yīng)對日益嚴(yán)峻的病蟲害防治任務(wù)；同時(shí)，采用植保無人機(jī)進(jìn)行農(nóng)藥噴灑，人機(jī)分離、人藥分離、高效安全，并能實(shí)現(xiàn)生長期全程植保機(jī)械化噴霧作業(yè)。

從噴灑效果上看，無人機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）具有直升機(jī)的高效作業(yè)性能和良好噴灑效果；（2）植保無人機(jī)速度變化靈活，可以從零直接加速到正常速度，低速條件下作業(yè)有較好的霧滴覆蓋，特別是旋翼產(chǎn)生的下旋氣流，可減少霧粒的飄散，同時(shí)，由于下旋氣流而產(chǎn)生上升氣流可使農(nóng)藥霧滴直接沉積到植物葉片的正反面；（3）植保無人機(jī)空中懸停的功能使其具有單株噴灑能力。

從成本和安全性上看：（1）植保無人機(jī)的整體使用費(fèi)用相對較少，雖然購機(jī)費(fèi)用較高，但無需機(jī)場建設(shè)，與有人機(jī)相比性價(jià)比較高；（2）植保無人機(jī)的安全系數(shù)較高，特別是旋翼機(jī)，在發(fā)動機(jī)失效時(shí)，利用旋翼的自轉(zhuǎn)性，通過駕駛員正確的操作，其迫降著陸速度可接近于0，另外，植保無人機(jī)能通過減緩速度快速反應(yīng)來增加飛行安全性和可預(yù)見性。

我國通用輕小型農(nóng)用植保無人機(jī)主要有Z-3油動直升機(jī)、大疆MG-1、安陽全豐3WQF120-12型、無錫漢和“水星一號”、廣西田園3XY8D型、天鷹兄弟TY-R35，以及中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的單旋翼CAU-3WZN10A無人機(jī)與多旋翼3WSZ-15無人機(jī)等。據(jù)農(nóng)業(yè)部相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，截至2016年5月，全國在用的農(nóng)用植保無人機(jī)共178種，至2017年有關(guān)應(yīng)用部門不完全統(tǒng)計(jì)，全國各種型號的植保無人機(jī)裝機(jī)容量已經(jīng)接近上萬臺；可掛載5～20L的藥箱（近2年市場上也有大于30L的植保無人機(jī)出現(xiàn)，但應(yīng)用較少），噴幅在5～20m之間，可適用于不同的施藥條件，噴霧作業(yè)效率高達(dá)6ha/h，能有效及時(shí)防治水稻病蟲草害。至今，全國農(nóng)業(yè)航空技術(shù)95%以上用于航空植保作業(yè)，還有5%左右用于農(nóng)情信息獲取、航空拍攝、農(nóng)作物的輔助育種等。2015年，各種農(nóng)用有人駕駛與無人航空器植保噴霧作業(yè)48586h，主要用于黑龍江、內(nèi)蒙古、新疆、河南與南方水稻等糧食作物產(chǎn)區(qū)，但不足全部植保作業(yè)面積的2%。

在植保無人機(jī)快速發(fā)展的過程中，植保噴霧作業(yè)的效果與病蟲草害的防效受到廣大用戶的廣泛與深度的關(guān)注，植保無人機(jī)噴霧系統(tǒng)亟需改進(jìn)。

植保無人機(jī)的噴霧系統(tǒng)主要由藥箱、霧化裝置（噴桿與噴頭）、液泵及其附件（穩(wěn)壓調(diào)壓裝置）等部分組成，農(nóng)藥藥液在液泵的壓力作用下從藥箱通過管路到達(dá)噴頭，在噴頭處經(jīng)液力式噴頭或離心式噴頭霧化后噴灑到靶標(biāo)作物上。當(dāng)前，國內(nèi)植保無人機(jī)采用的噴霧系統(tǒng)的泵、霧化噴頭等部件大都與傳統(tǒng)地面機(jī)具噴霧裝備相同，但缺乏地面噴霧機(jī)械必配的穩(wěn)壓調(diào)壓裝置，無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓調(diào)壓，為植保無人機(jī)低空低量航空施藥設(shè)計(jì)的專用噴霧系統(tǒng)還未出現(xiàn)。而且，為了確保無人機(jī)飛行安全、降低能耗以及提升效率，無人機(jī)制造商都希望把飛機(jī)上除去藥箱以外的其他載荷設(shè)計(jì)得越輕越好。在這種情況下，作為植保機(jī)械噴霧系統(tǒng)中的一些必有的部件，如穩(wěn)壓與調(diào)壓裝置、回流與攪拌裝置等在植保無人機(jī)上均被省去，因此，造成這種噴霧系統(tǒng)很容易出現(xiàn)工作性能不穩(wěn)定、因噴霧壓力不穩(wěn)定使噴出的農(nóng)藥量時(shí)多時(shí)少、關(guān)鍵部件壽命縮短、噴灑出的霧滴不斷變化、霧滴譜極寬、沉積分布不均勻等嚴(yán)重影響施藥質(zhì)量與防效的問題，從而導(dǎo)致無人機(jī)作業(yè)效率下降、成本上升、防治效果不佳以及對非靶標(biāo)區(qū)域產(chǎn)生藥害等不良后果，這些問題在2017年的部分地區(qū)（如新疆和江西等地）對植保無人機(jī)造成負(fù)面影響。

藥箱

藥箱是植保無人機(jī)噴霧系統(tǒng)的一個(gè)重要部件。我國植保無人機(jī)藥箱大多采用工程塑料材質(zhì)，需耐酸堿、耐腐蝕，有桶狀、長方體狀、三棱柱狀和圓錐狀等不同形狀，容量大小依據(jù)無人機(jī)平臺起飛載荷而定，多為5～20L。目前，市場上幾乎所有多旋翼無人機(jī)的藥箱都直接固定于在機(jī)身下方，而大部分單旋翼植保無人機(jī)則效仿日本“雅馬哈”無人機(jī)，普遍使用雙藥箱的設(shè)計(jì)方式，即在主旋翼下方機(jī)身兩側(cè)對稱位置各放置1個(gè)藥箱，2個(gè)藥箱通過管路連通保持液面高度一致，使藥液形成一個(gè)整體。此外，一些單旋翼無人機(jī)采用的則是較獨(dú)特的U型藥箱，一種類似于將兩側(cè)的藥箱打通、將無人機(jī)機(jī)身下部嵌入藥箱U型槽內(nèi)的結(jié)構(gòu)。

目前，市場上除大疆、極飛、羽人等少數(shù)幾家企業(yè)的產(chǎn)品，大多數(shù)植保無人機(jī)藥箱均沒有防浪涌與防震蕩功能。由于植保無人機(jī)作業(yè)過程中一直在飛行運(yùn)動，加減速、轉(zhuǎn)彎、爬升和下降等情況下藥液震蕩會對無人機(jī)的飛行安全產(chǎn)生很大影響，同時(shí)使整個(gè)機(jī)身因飛行不平穩(wěn)從而造成噴霧過程中的重噴和漏噴，加上因受氣象條件如自然風(fēng)速的隨時(shí)隨意變化的影響無法實(shí)現(xiàn)等高飛行，從而導(dǎo)致噴幅的不斷變化，這使得目前測試過的數(shù)十種植保無人機(jī)的噴霧范圍內(nèi)農(nóng)藥霧滴的噴霧均勻性系數(shù)均在40%以上，而有的甚至超過60%。按照國家標(biāo)準(zhǔn)，地面噴桿噴霧機(jī)的均勻性系數(shù)必須小于15%，在目前技術(shù)條件下，植保無人機(jī)施藥均勻性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于地面噴桿噴霧機(jī)。因此，在藥箱中加設(shè)防浪涌與防震蕩裝置十分必要。同時(shí)，大部分無人機(jī)藥箱缺乏進(jìn)液過濾裝置，無論是在注入藥液的藥箱口還是在藥液進(jìn)入管路的出口位置，都需要安裝濾網(wǎng)等過濾裝置，過濾藥液中顆粒較大的固體顆粒，防止固體顆粒堵塞噴頭的同時(shí)損壞液泵、管路等部件。此外，應(yīng)研發(fā)適合于無人機(jī)噴霧系統(tǒng)的藥液攪拌裝置，以防不同理化性質(zhì)的農(nóng)藥藥液在藥箱中分層、凝絮、沉淀，降低藥效和霧化效果。

液泵

液泵產(chǎn)生的壓力是藥液進(jìn)入管路和霧化的動力來源，目前植保無人機(jī)噴霧系統(tǒng)絕大多數(shù)都采用早期研發(fā)的國產(chǎn)微型電動隔膜泵。微型電動隔膜泵是我國20世紀(jì)90年代初發(fā)明裝配于人力背負(fù)式電動噴霧器上的一個(gè)產(chǎn)品，生產(chǎn)應(yīng)用已有20余年的歷史，年產(chǎn)量達(dá)到5萬～10萬臺。微型電動隔膜泵用微型直流電動機(jī)（一般電壓為5V、12V、24V）做動力驅(qū)動裝置，驅(qū)動內(nèi)部機(jī)械偏心裝置做偏心運(yùn)動，由偏心運(yùn)動帶動內(nèi)部的隔膜做往復(fù)運(yùn)動。從而對固定容積的泵腔內(nèi)的空氣進(jìn)行壓縮（壓縮時(shí)抽氣口關(guān)閉，排氣口打開形成微正壓）、拉伸（壓縮時(shí)排氣口關(guān)閉，抽氣口打開形成負(fù)壓），在泵抽氣口處與外界大氣壓產(chǎn)生壓力差，在壓力差的作用下，將氣體吸入泵腔，再從排氣口排出。微型電動隔膜泵的優(yōu)勢在于耐腐蝕、壓力高、噪聲低，可以用于高粘度藥液的吸液和排液，但因其隔膜的脈動作用，導(dǎo)致噴霧壓力的脈動而不能實(shí)現(xiàn)均勻穩(wěn)壓的噴霧作業(yè)。在單旋翼無人機(jī)的雙藥箱設(shè)計(jì)中，多采用一側(cè)藥箱分別連接一個(gè)液泵的方式以保證兩側(cè)管路壓力相同。植保無人機(jī)噴霧系統(tǒng)中使用的電動隔膜泵的流量范圍在0.5～5.0 L之間，壓力不超過1MPa。

但是，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)藥械與施藥技術(shù)研究中心的大量高濃度連續(xù)長時(shí)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)電動隔膜泵工作壽命普遍在 50～60h范圍，在這個(gè)期間內(nèi)，其流量從開始最初的名義流量迅速下降，最后下降到額定工作流量的50%左右。加之植保無人機(jī)沒有裝配像地面噴桿噴霧機(jī)的隔膜泵必有的調(diào)壓穩(wěn)壓裝置，以實(shí)現(xiàn)均勻穩(wěn)壓噴霧。因此，對于植保無人機(jī)低容量與超低容量農(nóng)藥噴灑作業(yè)來講，目前的電動隔膜泵不是一個(gè)合適的關(guān)鍵工作部件，是不得以而為之。大量高濃度連續(xù)長時(shí)試驗(yàn)表明：除不能實(shí)現(xiàn)均勻穩(wěn)壓噴霧外，缺點(diǎn)還有高濃度液體環(huán)境下，膜片壽命短、極易損壞、維修更換頻繁，同時(shí)在夏季高溫高濕的作業(yè)條件下故障率較高，造成工作效率下降、成本上升；而且微型電動隔膜泵的流量和壓力通常不會太大，要求大流量噴霧作業(yè)時(shí)需要多個(gè)泵連用，在增大體積與載重量的同時(shí)，也增加了成本；此外，微型電動隔膜泵通過直流電驅(qū)動，只能通過改變電壓調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的方式來改變流量和壓力，而且流量和壓力是一起變化的，完全不能達(dá)到精準(zhǔn)控制流量和壓力的要求。因此，需要研發(fā)適合于植保無人機(jī)低空低量施藥的專用液泵，如采用微型離心渦旋泵，使用無刷電機(jī)驅(qū)動泵體并加裝流量和壓力傳感器來精準(zhǔn)調(diào)控流量和壓力，延長工作壽命，提升工作性能和作業(yè)效率。

霧化裝置

在植保無人機(jī)噴霧作業(yè)過程中，藥液經(jīng)過無人機(jī)霧化裝置——噴頭進(jìn)行霧化而分散，形成具有不同大小的細(xì)小的霧滴顆粒，并具有一定寬度的霧滴譜。不管是在各種地面噴霧機(jī)還是各種航空噴霧機(jī)成霧過程中，噴頭是農(nóng)藥霧化的核心部件。目前，植保無人機(jī)主要采用地面噴霧機(jī)裝配的液力式噴頭和離心霧化噴頭2種類型：液力式噴頭與傳統(tǒng)地面機(jī)具上安裝的噴頭相同，一般根據(jù)作物特點(diǎn)選用扇形霧噴頭或圓錐霧噴頭；而離心霧化噴頭大多則是采用20世紀(jì)80年代研發(fā)生產(chǎn)的手持電動離心噴霧器的離心噴頭，或在此基礎(chǔ)上由各無人機(jī)生產(chǎn)廠商根據(jù)自身機(jī)型特點(diǎn)開發(fā)而成。

液力式噴頭

液力式噴頭借助液泵產(chǎn)生的壓力，使藥液通過噴頭時(shí)在壓力的作用下與空氣高速撞擊破碎成細(xì)小的液滴，其霧化粒徑主要受噴頭壓力及孔徑的影響。液力式噴頭的優(yōu)點(diǎn)在于2個(gè)方面：一是噴霧壓力較大，范圍為1～8MPa，果園噴霧壓力有的甚至高達(dá)20～40MPa，霧滴在高壓下獲得極大的初速度（10～30m/s），能緩解因飛行和外界環(huán)境引起的漂移作用，同時(shí)，縮短運(yùn)移至靶標(biāo)物的時(shí)間，減少了因高溫、干旱等造成的蒸發(fā)流失；二是噴灑系統(tǒng)均采用技術(shù)較成熟的地面機(jī)具穩(wěn)壓噴霧系統(tǒng)部件，結(jié)構(gòu)相對簡單，成本較低。但它的缺點(diǎn)也很明顯，即：霧化產(chǎn)生的霧滴譜寬、霧滴直徑差異大、霧化均勻性不佳；植保無人機(jī)無法通過遠(yuǎn)程控制調(diào)節(jié)泵壓來改變噴霧粒徑，而只能通過更換不同孔徑型號的噴頭進(jìn)行調(diào)整；不適用于懸浮劑、可濕性粉劑等傳統(tǒng)農(nóng)藥劑型的噴施，易造成噴頭堵塞。目前，我國市場上使用的扇形霧噴頭包括德國Lechler LU和ST、Teejet XR等幾個(gè)系列，孔徑型號多為01、015、02和025號等小口徑噴頭，噴霧角110°或120°，大多在150～500kPa壓力下，單噴頭流量在0.28～1.28 L/min，霧滴體積中值中徑（VMD）在100～200μm范圍內(nèi)，霧滴較細(xì)，廣泛應(yīng)用于大田作物農(nóng)藥及生長調(diào)節(jié)劑噴灑作業(yè)。圓錐霧噴頭大多采用美國噴霧系統(tǒng)公司的Conjet TX-VK系列空心圓錐霧噴頭，孔徑型號為3、4、6號或德國Lechler公司的TR80-005、0067、01這3種類型的空心圓錐噴頭，噴霧角80°，在200～550kPa壓力下，單噴頭流量在0.16～0.52 L/min，霧滴同樣較細(xì)，霧滴粒徑在100～150μm范圍內(nèi)，適用于果園、葡萄園等冠層密度大且體積大的經(jīng)濟(jì)作物上的病蟲害防治。

離心式噴頭

離心式噴頭通過電機(jī)帶動霧化盤高速旋轉(zhuǎn)，通過離心力將藥液分散成細(xì)小的霧滴顆粒，霧化粒徑主要受電機(jī)電壓、供液流量、霧化盤特性的影響。離心式噴頭的優(yōu)點(diǎn)有：產(chǎn)生的霧滴粒徑更小，直徑相差也更小，霧滴譜窄，藥液霧化均勻、效果好；離心式噴頭可以容易通過電壓調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而精準(zhǔn)控制霧滴粒徑；噴灑中適用農(nóng)藥品類多，包括可粉劑、懸浮劑、乳油等水溶性較差的農(nóng)藥劑型。與此同時(shí)，它的劣勢則主要在于霧滴沒有液壓而產(chǎn)生的高速初速度，藥液相對容易受無人機(jī)旋翼風(fēng)場和環(huán)境大氣流場的影響，如果無人機(jī)下旋氣流風(fēng)場不足，霧滴就極容易產(chǎn)生飄移；另一方面，離心霧化噴頭霧化控制的成本相對較高，高轉(zhuǎn)速對噴頭電機(jī)軸承壽命影響也較大。市面上現(xiàn)有的離心式噴頭大多是各無人機(jī)廠商或配件廠商根據(jù)作業(yè)的需求在20世紀(jì)80年代早期離心噴頭的基礎(chǔ)上二次再開發(fā)而成，并沒有行業(yè)公認(rèn)的國際標(biāo)準(zhǔn)甚至國家標(biāo)準(zhǔn)，這就會導(dǎo)致噴頭質(zhì)量參差不齊，工作性能不佳，霧化效果差的等不良結(jié)果。

當(dāng)前，植保無人機(jī)常用的離心霧化噴頭主要是單霧化盤式，代表性的產(chǎn)品為山東衛(wèi)士植保機(jī)械公司開發(fā)的離心噴頭，這種噴頭在0.2～0.5 L/min流量、6000～12000rpm轉(zhuǎn)速的條件下，霧滴粒徑在80～100μm范圍內(nèi)，相對霧滴譜寬RSF（DV90與DV10的差與DV50的比值，數(shù)值越小表明霧滴粒徑越集中、霧滴譜越窄）為0.7～0.9，霧滴很細(xì)，霧滴譜窄，集中度高，霧化效果好。此外，還有一類多霧化盤式或柵格式離心霧化噴頭，代表型產(chǎn)品有極飛P20型多旋翼無人機(jī)上使用的柵格式離心噴頭和臨沂風(fēng)云航空植保公司生產(chǎn)的雙層離心噴頭。對這種雙層離心噴頭的測試表明，在0.2～0.8 L/min流量、5000～15000rpm轉(zhuǎn)速條件下，其霧滴粒徑在70～150μm，RSF在1.0～1.2之間，產(chǎn)生霧滴更細(xì)，霧滴粒徑分布集中度較好，霧化性能好。

綜上所述，液力式噴頭與離心式噴頭各有所長，各有所短。在目前條件下，需要根據(jù)實(shí)際作業(yè)氣象條件、作物特點(diǎn)、防治對象、藥液理化性質(zhì)和植保無人機(jī)旋翼下旋氣流場性能等因素綜合考慮，選擇合適的噴頭進(jìn)行田間施藥作業(yè)。

結(jié)束語

總之，我國植保無人機(jī)的噴霧系統(tǒng)的霧化裝置、液泵及其附件等大多借鑒現(xiàn)有裝備，缺乏專用的、專業(yè)的適合植保無人機(jī)低空低量高效均勻施藥的系統(tǒng)與部件，需要加大力度進(jìn)行關(guān)鍵部件與系統(tǒng)的研究、開發(fā)生產(chǎn)，以滿足我國日益增長的植保無人機(jī)廣泛應(yīng)用需求，真正實(shí)現(xiàn)植保無人機(jī)的高效低量精準(zhǔn)噴霧作業(yè)。

（責(zé)任編輯：黃貞靜）