航空靜電噴霧技術(shù)裝備研究現(xiàn)狀

鐘鋼

摘要：簡(jiǎn)述靜電噴霧技術(shù)的工作原理及優(yōu)點(diǎn)，論述航空靜電噴霧技術(shù)發(fā)展歷程及國外主要成果。從機(jī)具研制與設(shè)計(jì)、影響噴霧效果因素2個(gè)方面，介紹我國航空靜電噴霧技術(shù)及裝置研究現(xiàn)狀，為航空靜電噴霧技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：靜電噴霧；無人機(jī)；綜述；噴霧裝置

中圖分類號(hào)：S224.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2017）07-0069-02

使用大容量和大霧滴的傳統(tǒng)噴霧技術(shù)，農(nóng)藥大部分流淌或散落到地面上，農(nóng)藥有效利用率僅為20%～30%，農(nóng)藥不僅未發(fā)揮殺病蟲作用，反而染污環(huán)境。靜電噴霧技術(shù)能很好地解決上述問題，是現(xiàn)代植保施藥機(jī)械的主攻方向之一。為達(dá)到更好的病蟲害防治效果，國內(nèi)外科研工作者對(duì)航空靜電噴霧技術(shù)進(jìn)行深入研究，研制許多航空靜電噴霧系統(tǒng)，并將其廣泛應(yīng)用于大田、果園和溫室作物植保作業(yè)。

1 靜電噴藥技術(shù)工作原理

靜電噴藥技術(shù)用靜電發(fā)生器在噴頭和大地之間形成高壓靜電場(chǎng)，使霧滴表面帶有電荷，藥液更易附著在植株葉片尤其是植株背面，有效增加藥液沉積。靜電霧化形成的霧滴細(xì)微、分布均勻。藥液荷電后可提高藥劑活性，提高防治效果，節(jié)省農(nóng)藥用量50%以上。同時(shí)，靜電噴霧裝備的用水量?jī)H為傳統(tǒng)噴霧裝備的一半，不用頻繁加水加藥，大幅提高噴灑效率。

靜電噴頭的充電電極被充上正或負(fù)的高壓后，藥液霧滴流經(jīng)電場(chǎng)感應(yīng)區(qū)時(shí)會(huì)被充上電荷，處在電場(chǎng)區(qū)內(nèi)的靶標(biāo)作物表面感應(yīng)與電極極性相反的電荷，荷電霧滴在充電電極排斥力的作用下，沿電場(chǎng)線向靶標(biāo)作物做定向運(yùn)動(dòng)。因電場(chǎng)線分布于目標(biāo)的各個(gè)部位且呈環(huán)抱式分布，因此霧滴會(huì)在各個(gè)位置沉降。這樣不僅使作物葉片正面藥液吸附霧滴，背面和隱蔽部位也可附著藥液霧滴。靜電噴霧裝置的工作原理見圖1。

2 航空靜電噴霧技術(shù)發(fā)展歷程

自20世紀(jì)40年代，法國的Hampe首次將靜電技術(shù)應(yīng)用于噴撒農(nóng)藥后，英國、加拿大、美國等相繼展開相關(guān)試驗(yàn)。20世紀(jì)60年代，為達(dá)到更好的病蟲害防治效果，各國深入研究農(nóng)業(yè)航空靜電噴霧技術(shù)。美國農(nóng)業(yè)部（USDA-ARS）Calton 博士和Isler 博士最早研制了一種電動(dòng)旋轉(zhuǎn)噴嘴，利用高壓充電環(huán)為噴霧霧滴充電。2003年，Kirk等采用飛機(jī)搭載航空靜電噴霧系統(tǒng)進(jìn)行噴霧作業(yè)，施藥量明顯減少，藥液霧滴沉降速度及沉積率明顯提高，但病蟲害防治效果和下風(fēng)處噴霧飄移沒有得到明顯改善。

在航天靜電噴霧技術(shù)及系統(tǒng)方面，國內(nèi)外學(xué)者做了大量試驗(yàn)，并提出了相應(yīng)理論。目前，美國將DSDAARS 的DropKirk 模型作為航空施藥作業(yè)條件選擇的重要依據(jù)。該模型為航空靜電噴頭的研究設(shè)計(jì)提供技術(shù)基礎(chǔ)，為解決航空靜電噴頭靜電霧化、荷電特性和噴頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化等問題提供了理論依據(jù)，也為后期研究適用于植保無人機(jī)的靜電噴頭提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

3 我國航空靜電噴霧系統(tǒng)研發(fā)現(xiàn)狀

3.1 機(jī)具研制與設(shè)計(jì)

某些昆蟲如棉鈴蟲易隱藏在植物的隱蔽側(cè)，需要使用精準(zhǔn)定位的施藥手段。加之大型農(nóng)場(chǎng)、草原、森林等大面積地塊的病蟲草害逐年加重，使航空噴霧技術(shù)得到空前發(fā)展。農(nóng)用飛機(jī)通常用于大范圍連片土地，而小范圍地塊采用無人機(jī)方式。與其他植保機(jī)械相比，航空無人機(jī)噴霧技術(shù)具有全地形均可使用、作業(yè)時(shí)間短、作業(yè)面積大、降低中毒風(fēng)險(xiǎn)性等優(yōu)勢(shì)。針對(duì)航空植保作業(yè)過程中存在的霧滴漂移量高、沉積量少等問題，國內(nèi)外學(xué)者將靜電噴霧技術(shù)與航空植保技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)航空靜電噴霧設(shè)備，以提高霧滴在作物表面的沉積量。

廉琦等以多旋翼無人機(jī)為載體，設(shè)計(jì)與無人機(jī)相配套的靜電噴霧系統(tǒng)，其有效噴幅為2.5 m，霧滴在采集裝置上的平均沉積密度為上部133.8個(gè)/cm2、中部113.8個(gè)/cm2；相比于非靜電噴霧，霧滴在上方的平均沉積密度提高13.6%，中部提高32.6%。

針對(duì)南方丘陵地區(qū)果園種植模式，牛萌萌設(shè)計(jì)一種果園在線混藥型靜電噴霧機(jī)并進(jìn)行噴頭類型與噴霧角度試驗(yàn)、在線混藥系統(tǒng)性能試驗(yàn)和噴霧飄移試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：靜電噴霧適合在無風(fēng)或低風(fēng)速環(huán)境下作業(yè)。施藥區(qū)環(huán)境風(fēng)速較大時(shí)，應(yīng)采用低電壓噴霧或非靜電式噴霧；仿真柑橘樹冠層內(nèi)部葉片正面的霧滴附著率為48個(gè)/cm2左右，葉片反面為37個(gè)/cm2；風(fēng)輔靜電方式可顯著提高噴桿式噴霧機(jī)的霧滴吸附能力和穿透能力，并抑制霧滴飄移。

茹煜等以固定翼Y5B農(nóng)用飛機(jī)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)由航空噴嘴、高壓直流電源、內(nèi)嵌式圓柱電極感應(yīng)充電裝置組成的航空靜電噴霧系統(tǒng)。有效噴幅、霧滴沉積、霧滴飄移試驗(yàn)結(jié)果表明：與常規(guī)噴霧相比，靜電噴霧使霧滴沉積提高14個(gè)/cm2，有效噴幅42 m，霧滴飄移明顯減少。

田源等基于無人機(jī)設(shè)計(jì)一種靜電離心霧化裝置，在靜電噴霧的基礎(chǔ)上，噴頭部分采用靜電霧化和離心霧化結(jié)合的方法，使得霧化后的液滴粒徑更小，為植保噴霧低量化提供了思路。

3.2 參數(shù)優(yōu)化研究

楊洲等在研究不同側(cè)風(fēng)和靜電電壓對(duì)靜電噴霧霧滴飄移的影響規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著靜電電壓的增大，霧滴粒徑減小，霧滴荷質(zhì)比增大，0～8 kV電壓下電極干燥和電極打濕的霧滴荷質(zhì)比沒有顯著影響；相同靜電電壓下，2 m/s恒速風(fēng)和0～4 m/s模擬自然風(fēng)的霧滴飄失率無顯著差異。

周良富等針對(duì)農(nóng)藥霧滴難以穿透果樹冠層、霧滴在葉背面附著率低的問題，采用4 因素3 水平的中心組合設(shè)計(jì)與響應(yīng)面分析方法，研究感應(yīng)電壓、風(fēng)機(jī)頻率、噴霧距離和噴霧壓力對(duì)霧滴覆蓋率的影響，提出風(fēng)送噴霧與靜電噴霧技術(shù)相結(jié)合的方法；荷電霧滴主要受氣流曳力和靜電力作用，合理匹配工作參數(shù)有利于提高反面的霧滴覆蓋率。

除適用性和廣泛性外，我國在噴施基礎(chǔ)理論、藥液霧滴沉積特性、霧滴荷電原理、變量控制施藥、精準(zhǔn)施藥等方面的試驗(yàn)研究進(jìn)程稍顯緩慢，需要進(jìn)一步進(jìn)行大量試驗(yàn)及測(cè)試，為航空靜電噴霧技術(shù)提供理論依據(jù)和技術(shù)保障。

4 結(jié)語endprint

在農(nóng)業(yè)環(huán)境污染備受關(guān)注的當(dāng)今，具有藥液覆蓋均勻、霧滴沉降快、飄移損失少等優(yōu)勢(shì)的航空靜電噴霧技術(shù)成為研究熱點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展空間和良好的應(yīng)用前景。科研工作者應(yīng)結(jié)合不同農(nóng)業(yè)區(qū)域的特點(diǎn)，研制適用性強(qiáng)的航空靜電噴霧噴霧機(jī)械，再根據(jù)試用結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)，促使農(nóng)藥利用率不斷提高。

參考文獻(xiàn)

[1] 廉琦.多旋翼無人機(jī)靜電噴霧系統(tǒng)的試驗(yàn)研究[D].大慶：黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，2016.

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[3] 茹煜，金蘭，賈志成，等.無人機(jī)靜電噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（8）：42-47.

[4] 田源，鄒凡，楊金星，等.基于無人機(jī)的靜電離心噴霧裝置的設(shè)計(jì)[J].科研課題，2017（6）：9.

Abstract： This paper summarized in brief the working principle and advantages of electrostatic spraying technology， discussed development history and main achievements abroad of aviation electrostatic spraying technology and device. From 2 aspects of research and design of machine and factors influencing spraying effect， it introduced research status of aviation electrostatic spraying technology and device in China， in order to provide theoretical basis for the development and application of aviation electrostatic spraying technology.

Key words： electrostatic spraying； UAV； summarization； spraying deviceendprint