河北省棉花產(chǎn)業(yè)航空植?？尚行匝芯?/h1>

2017-08-07 15:01:04王建合楊欣李建平吳鵬坤郭龍

河北農(nóng)機訂閱 2017年7期 收藏

關(guān)鍵詞：農(nóng)用植保飛行器

王建合楊欣李建平吳鵬坤郭龍

1、河北省農(nóng)機化技術(shù)推廣服務(wù)總站2、河北農(nóng)業(yè)大學機電工程學院3、石家莊市農(nóng)業(yè)機械化推廣站

棉花航空植保研究

河北省棉花產(chǎn)業(yè)航空植?？尚行匝芯?/p>

王建合1楊欣2李建平2吳鵬坤3郭龍3

1、河北省農(nóng)機化技術(shù)推廣服務(wù)總站2、河北農(nóng)業(yè)大學機電工程學院3、石家莊市農(nóng)業(yè)機械化推廣站

河北省棉花種植面積達500多萬畝，每年需要進行8～10次的噴藥作業(yè)，任務(wù)繁重，特別是土地流轉(zhuǎn)形成的耕作規(guī)模日益擴大，城鎮(zhèn)化人口流動造成的結(jié)構(gòu)性農(nóng)業(yè)人力短缺，人力成本日益上升。目前，大面積棉田農(nóng)藥噴施、化肥噴施作業(yè)效率低，傳統(tǒng)人力背負和地面機械作業(yè)已不能滿足病蟲害防治時效性強的農(nóng)藝要求。隨著河北省棉花產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團隊的建設(shè)和發(fā)展，開展棉花航空植保噴霧技術(shù)研究和作業(yè)示范已經(jīng)具備基礎(chǔ)條件，但棉田不同時期和不同飛行參數(shù)對霧滴粒徑及霧滴漂移的影響規(guī)律，無人機飛行器精確施藥及噴幅精確切換對接等問題尚需進一步研究。

棉花產(chǎn)業(yè)；植保機械；航空噴藥

引言

農(nóng)業(yè)航空作業(yè)突出優(yōu)點主要表現(xiàn)在速度快、效率高、質(zhì)量好，在對大面積集約型作物進行航空作業(yè)時更具優(yōu)勢。農(nóng)用飛機的空中作業(yè)效率較高，大田作業(yè)比地面機械效率高5～7倍，相當于人工噴霧的200～250倍。飛機噴霧突擊能力強，利于消滅爆發(fā)性病蟲害，且不受作物長勢的限制，利于作物生長后期作業(yè)。靜電噴霧技術(shù)在地面機械噴霧作業(yè)中的應(yīng)用已趨于成熟。采用無人駕駛農(nóng)用飛行器進行靜電噴霧是目前國際上農(nóng)業(yè)植保剛剛起步的熱點技術(shù)。為了比較深入地了解農(nóng)業(yè)航空植保的發(fā)展現(xiàn)狀，河北省棉花產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團隊農(nóng)用飛機調(diào)研組自2014年3月中旬開始進行專題調(diào)研和田間航空植保試驗，以期掌握國內(nèi)農(nóng)用飛機發(fā)展動態(tài)，探討河北省棉花實施航空植保的新途徑。

1 國外農(nóng)業(yè)植保發(fā)展現(xiàn)狀

美國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高度規(guī)?；鞘澜缟限r(nóng)業(yè)航空技術(shù)最發(fā)達的國家之一。美國在1918年就第一次用飛機噴撒農(nóng)藥殺滅棉蟲，開創(chuàng)了農(nóng)業(yè)航空的歷史。隨后加拿大、前蘇聯(lián)、德國和新西蘭等國也將飛機用于農(nóng)業(yè)，第二次世界大戰(zhàn)以后，化學殺蟲劑、除草劑等農(nóng)藥相繼出現(xiàn)，迫切需要一種高效率的噴灑機具。同時戰(zhàn)后大量小型飛機過剩，紛紛轉(zhuǎn)用到農(nóng)業(yè)上來，農(nóng)業(yè)航空得到迅速發(fā)展。20世紀50年代以來，為農(nóng)業(yè)而設(shè)計的專用和多用途農(nóng)業(yè)飛機相繼出現(xiàn)。50年代末，直升機也加入到農(nóng)業(yè)航空行列，在農(nóng)業(yè)航空的發(fā)展中還曾少量使用過熱氣球和飛艇。美國現(xiàn)有農(nóng)業(yè)航空公司2000多家，在用農(nóng)用飛機約4000架左右，注冊農(nóng)用飛機駕駛員3000多名，年處理耕地面積近3400萬hm2，占美國年處理耕地面積的50%，森林植保100%采用航空作業(yè)[薛新宇,2013]。美國農(nóng)用飛機約有20多個品種，機型有固定翼飛機和直升飛機兩種，大部分機型是有人駕駛的固定翼飛機。農(nóng)用固定翼飛機基本上都使用活塞型發(fā)動機，且多為后三點式。根據(jù)載荷分大型（載重1.5t）和中小型（載重0.5～1t）兩類，飛機價格通常在100～140萬美元之間。美國生產(chǎn)農(nóng)用飛機、農(nóng)用航空作業(yè)設(shè)備和相關(guān)器材的廠家有500多家，大型農(nóng)用飛機制造企業(yè)有4家，其中位于德克薩斯州的空中拖拉機公司（AirTractor）的產(chǎn)品在農(nóng)用飛機市場中占較大份額[楊林,2013]（見圖1）。

圖1 美國AirTractor的農(nóng)用飛機

20世紀40年代末，新西蘭空軍專門成立了一個部門，將道格拉斯DC-3、Grumman“復(fù)仇者”等中大型飛機應(yīng)用到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域開發(fā)。后來許多新西蘭空軍飛行員退役后購買前置料斗的小型飛機投入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域（見圖3）。

圖2 新西蘭的農(nóng)用飛機

日本由于種植規(guī)模較小，其施藥裝備以小型機動噴霧機和直升飛機航空噴霧設(shè)備為主。近幾年來，具有作業(yè)效率高、單位面積施藥液量小、農(nóng)藥飄移少等優(yōu)點的無人駕駛超低空作業(yè)農(nóng)用輕型直升機在日本發(fā)展迅猛，目前，有超過1000架的農(nóng)用飛機在使用[張亦馳,2013]。日本無人直升機主要用于播種、施肥、噴灑農(nóng)藥等作業(yè)，每小時可噴灑農(nóng)藥7～10hm2。目前，日本擁有無人直升機2346架，操作人員14163名（每個機組2人），噴灑面積的總和達到963Mhm2（約合1450萬畝），超過了有人駕駛農(nóng)用直升飛機的防治面積[王輝,2014]。1990年，日本雅馬哈公司率先推出世界上第一架農(nóng)用無人機，主要用于噴灑農(nóng)藥。我國南方地區(qū)首先引進，主要用于水稻噴藥，單價為160萬元人民幣左右。

該機型配置噴頭3個，90%裝配扇形霧噴頭，離心式噴頭較少。載藥液量為16L，兩邊各一個8L插入式藥箱（裝卸方便）。每架飛機每天作業(yè)面積約為約20～30公頃，約300～450畝/天，飛機的滯空作業(yè)時間5小時。日本幾乎100%進行育苗，插秧后每季大約噴灑1～2次。飛機壽命達1000小時，使用年限為6～9年。

圖3 日本的農(nóng)用無人機

2 國內(nèi)農(nóng)業(yè)植保發(fā)展現(xiàn)狀

我國手動植保機具約35個品種，社會保有量約5807.99萬架，擔負著全國農(nóng)作物病、蟲、草害防治面積的70%以上。其中，背負式機動噴霧機及背負式機動噴霧噴粉機約8個品種，社會保有量約261.73萬臺；擔架式機動噴霧機社會保有量約16.82萬臺；小型機動及電動噴霧機社會保有量約25.35萬臺；拖拉機懸掛式或牽引的噴桿式噴霧機及風送式噴霧機的社會保有量約4.16萬臺，我國航空植保作業(yè)裝備保有量僅400架（2013）。

中國從1951年開始用飛機參加防治東亞飛蝗、護林防火和播種造林等工作。1956年中國民用航空局設(shè)立專業(yè)航空機構(gòu)開展多種農(nóng)業(yè)航空業(yè)務(wù)。目前，已有6個機種400多架飛機在大面積的墾區(qū)和農(nóng)場從事農(nóng)業(yè)航空工作，主要機型包括“農(nóng)業(yè)5”、“Y5B”、“Y1l”、“海燕650B”等固定翼飛機（見圖4）。目前，我國已有多家專門農(nóng)用飛機制造企業(yè)從事植保飛機的研制與改造。

中國東北的龍墾通用航空公司是1985年5月在中澳兩國援助項目的基礎(chǔ)上建立起來的，位于黑龍江省三江腹地的佳木斯市，隸屬于黑龍江省農(nóng)墾總局，是目前世界上最大的農(nóng)林專業(yè)航空公司，2010年更名為北大荒通用航空公司。

圖4 中國民用航空局的農(nóng)用飛機主要機型

北大荒通用航空公司主要經(jīng)營業(yè)務(wù)包括農(nóng)林超低空噴灑農(nóng)藥、播種、勘探測量、人工增雨、森林滅火作業(yè)以及搶險救災(zāi)、公務(wù)飛行、飛行員培訓等。經(jīng)過近30年的發(fā)展，飛機保有量從最初的5架“空中農(nóng)夫”發(fā)展到現(xiàn)在的13種機型85架飛機[黑龍江日報,2014.7]，其中有8種類型飛行教練機12架，年飛行能力超過1萬小時，作業(yè)能力2000萬畝。

圖5 北大荒通用航空公司的農(nóng)用飛機

重慶金泰航空工業(yè)有限公司是一家以科研開發(fā)、加工制造、產(chǎn)業(yè)集成的綜合型通用航空器研發(fā)生產(chǎn)機構(gòu)，主要生產(chǎn)并銷售通用多軸無人飛行器，產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域到農(nóng)業(yè)保植、資源勘探、設(shè)備維修、搶險救急等各行業(yè)。重慶金泰航空工業(yè)有限公司農(nóng)用飛機產(chǎn)品主要包括10公斤植保無人機和30公斤植保無人機兩種類型（見圖6）[2014.4調(diào)研]。

圖6 重慶金泰航空工業(yè)有限公司農(nóng)用飛機產(chǎn)品

2010年，西安韋德沃德航空科技有限公司與中航工業(yè)自控所合作開發(fā)了自動導航無人機施藥技術(shù)并合作開發(fā)了AF811型農(nóng)用無人直升機（見圖7）[2014.4調(diào)研]。

圖7 西安韋德沃德航空科技有限公司農(nóng)用飛機產(chǎn)品

荊門航空科技有限公司（荊門605研究所）2003年10月8日由中國特種飛行器研究所發(fā)起組建成立，公司主要從事水上飛機、超輕型飛機、地效飛機、浮空飛行器等民用特種飛行器的研究、制造及對外服務(wù)，該公司生產(chǎn)的A2C固定翼飛機為有人駕駛的小型植保飛機（見圖8）。

圖8 A2C飛機在山東開展小麥病蟲害防治[2014.04.09]

珠海銀通航空器材有限公司是銀通集團旗下的控股企業(yè)。該公司的銀通一號是國內(nèi)首臺電動無人直升機（見圖9a），機身總長1510mm，主旋翼長度1820mm，功率3.5kw，載荷5kg，采用銀通高效儲能電池作為電源，可通過飛控師操控或自主飛行25分鐘，具備起飛調(diào)校時間短、機身震動小、工作效率高、使用維護成本低、低噪音、隱蔽性強等特點。

2013年1月，珠海羽人飛行器有限公司應(yīng)羅錫文院士邀請參加“農(nóng)業(yè)航空應(yīng)用技術(shù)研討會暨863計劃課題啟動會”羅院士提出建立“農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”，并由該公司擔任聯(lián)盟首任副理事長。2013年3月，該公司“水?！憋w行器研發(fā)成功并正式上市；2013年8月，四旋翼農(nóng)用飛行器“谷上飛”試飛成功（見圖9b）。

圖9 珠海兩家農(nóng)用飛機企業(yè)的產(chǎn)品

2014年4月19～21日第五屆中國國際現(xiàn)代農(nóng)業(yè)博覽會在北京舉辦，參加的農(nóng)用飛機廠商包括：中航工業(yè)集團旗下荊門航空、西安飛行自動化控制研究所、貴州飛機、安陽全豐、無錫漢和、中航天宇、珠海銀通、山東新晨、高科新農(nóng)、韋德沃德等共計40多家企業(yè)。

2014年5月24日～26日，由安陽全豐航空植?？萍加邢薰竞腿A南農(nóng)業(yè)大學共同承辦的“農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟2014年第一次全體會議”在安陽隆重召開。會議由農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟主辦，來自科技部農(nóng)村技術(shù)開發(fā)中心、農(nóng)業(yè)部農(nóng)機推廣總站、民航二所通用航空研究所、中國農(nóng)大、中國航空航天大學、浙江大學、北斗重大專項組等60余家國家科研單位和院校的專家、學者、用戶共百余人參加了這次盛會。會上針對無人機飛行控制中的關(guān)鍵技術(shù)導航控制問題，特別邀請了我國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)專家組的4位領(lǐng)導和專家做了關(guān)于北斗衛(wèi)星導航的主題報告，針對無人機在市場上的實際應(yīng)用情況邀請了多家飛防公司做了主題報告。

綜上所述，我國農(nóng)林牧業(yè)在治蟲除草、飛播施肥、催熟矮化、綠化荒山、防火巡護、抗旱增雨和防汛瀉洪等作業(yè)項目上對農(nóng)用飛機的要求非常迫切，農(nóng)用飛機科研和產(chǎn)業(yè)化示范應(yīng)用已經(jīng)具備發(fā)展機遇。我國十二五期間設(shè)立了農(nóng)業(yè)航空補貼項目，將農(nóng)用飛機購置、油料保障納入農(nóng)機補貼范圍。根據(jù)專家預(yù)測，未來10年，我國農(nóng)用飛機的需求量約為7500架，潛在市場規(guī)模超過500億元，到2018年需要的無人機操作維護等人員可達20萬[中國通用航空網(wǎng)，2013]。在如此巨大的市場需求和良好的政策環(huán)境下，我國農(nóng)用飛機將迎來快速發(fā)展的黃金時期。河北省棉花產(chǎn)業(yè)體系也必將借此東風開展農(nóng)業(yè)航空植保技術(shù)，為解決日益增長的棉花產(chǎn)業(yè)需求和人力成本增加的矛盾提供一種有效途徑。

3 農(nóng)用飛機研發(fā)和應(yīng)用技術(shù)關(guān)鍵

從目前技術(shù)發(fā)展看，農(nóng)業(yè)植保技術(shù)的發(fā)展依然是以化學防治為主，為避免或減輕農(nóng)藥對非靶標生物的影響和對環(huán)境的污染，航空施藥作業(yè)必須考慮以下因素：（1）作業(yè)條件：如作業(yè)時的氣象條件，特別是風向、風速，溫度。（2）飛行參數(shù)：飛行高度和飛行速度需根據(jù)作業(yè)條件、氣象條件、田塊大小、噴液量的要求進行調(diào)整。（3）影響飛機噴霧的因素：正確的噴霧時間、飛機的高度和導航、霧滴的大小（涉及到噴頭霧形與流場、霧滴大小與覆蓋密度）等。（4）安全性問題：監(jiān)管、技術(shù)、生產(chǎn)、作業(yè)四個層面。

其中，安全性問題中監(jiān)管層面包括建立行業(yè)標準：無人機標準、人員培訓考核標準、安全生產(chǎn)標準等；建立無人機分級管理：依據(jù)最大起飛重量、載重量、飛行半徑、智能化程度等；建立不同的監(jiān)管標準；建立作業(yè)人員資格分級、認定、備案機制；建立無人機準入機制：如鑒定、身份呼號備案（借鑒飛行器、車輛管理）；積極融入通用航空發(fā)展監(jiān)管：代表行業(yè)推動與國家航空管理部門溝通，推進低空農(nóng)業(yè)作業(yè)的有序開放和監(jiān)管；空域分級設(shè)立禁飛區(qū)管理、引入飛行器、作業(yè)人員、第三者商業(yè)保險，監(jiān)督相關(guān)農(nóng)藥、藥械的管理等。

安全性問題中技術(shù)層面包括高可靠性的飛行控制設(shè)備、高可靠性的飛行器、優(yōu)秀的人機安全工程設(shè)計、將北斗系統(tǒng)作為主定位系統(tǒng)；推廣非作業(yè)區(qū)域禁飛功能、推廣無人機身份識別、跟蹤、應(yīng)答、控制、航程、高度限制功能，失控保護功能與安全性設(shè)計；流量與飛行速度匹配功能、斷點續(xù)接功能等。

在生產(chǎn)和質(zhì)量控制層面，還需要建立完整的質(zhì)量管理體系，建設(shè)完善的測試、試驗環(huán)境，開展測試試驗與統(tǒng)計方法研究。在作業(yè)層面，建立作業(yè)報備機制：時間、地點、無人機呼號、作物品種、作業(yè)面積、使用藥物等；建立后臺管理：電話報備、網(wǎng)絡(luò)報備；建立從業(yè)人員培訓制度和機構(gòu)、作業(yè)現(xiàn)場的警示和隔離：聽得到、看得到、控得到（通訊暢通）。

4 已開展的工作和進一步研究重點

農(nóng)用飛機研發(fā)和應(yīng)用諸多技術(shù)關(guān)鍵均可作為科研單位的技術(shù)切入點開展相關(guān)項目預(yù)研工作。河北農(nóng)業(yè)大學研究了多向射流分裂霧化機理及性能[崔瑾，2015]，從噴霧單一射流方向的液化霧化進行研究，然后進行了單、雙噴頭噴灑工況的CFD模擬計算，得出了霧化場中霧滴的軌跡、速度、密度以及湍流動能等數(shù)據(jù)云圖。在此基礎(chǔ)上建立了多向射噴霧射流CFD模型，基于噴霧作業(yè)調(diào)節(jié)噴頭位置與靶標間距的實際作業(yè)工況，模擬計算了多噴頭仿形噴桿在0～40°范圍內(nèi)霧滴分裂霧化過程和霧滴沉降漂移行為，為仿形噴霧工作裝置的設(shè)計提供了理論依據(jù)。河北農(nóng)業(yè)大學在無人駕駛飛行器靜電噴霧關(guān)鍵技術(shù)研究中，建立了農(nóng)用飛行器噴霧的霧滴分布仿真數(shù)學模型，通過模型分析霧滴沉降規(guī)律、不同飛行參數(shù)對霧滴粒徑及霧滴漂移的影響規(guī)律等，試制了樣機。2016年7月中旬，在河北省邯鄲市成安縣棉花試驗站進行了航空植保試驗（見圖10），結(jié)果表明，目前河北省棉花種植模式在棉花生長早期可以實施航空植保，但在中后期棉花植株茂密之后，航空植保對病蟲害防控尚存在一些不足，雖然旋翼氣流對棉花枝葉有一定吹動作用，但藥液霧滴在枝葉背面和下面仍存在附著情況。

圖10 棉花無人機植保田間試驗

河北省開展棉花航空植保還需要進一步開展如下研究：（1）研究棉花中后期，噴施高度、風速、不同飛行參數(shù)對霧滴粒徑及霧滴漂移的影響和無人機旋翼下沉氣流提高藥液的穿透性和沉積率的效果；（2）研究無人駕駛飛行器精確施藥及噴幅精確切換對接的方法。

王建合，研究員，研究方向：農(nóng)業(yè)機械化工程與推廣應(yīng)用。通訊作者：楊欣，博士，副教授，碩士生導師，研究方向：農(nóng)業(yè)機械性能設(shè)計。

河北省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系棉花配套農(nóng)機具研發(fā)與農(nóng)機農(nóng)藝結(jié)合崗專項（HBCT2013030204）；河北農(nóng)業(yè)大學理工基金項目（LG20140101）無人駕駛飛行器靜電噴霧關(guān)鍵技術(shù)研究。

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