農(nóng)用無人機噴頭類型及其在農(nóng)業(yè)航空中的應(yīng)用*

秦維彩 ，陳盼陽

（1.蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215008；2.南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

1 噴頭的分類和特點

噴嘴是農(nóng)業(yè)航空施藥的關(guān)鍵部件之一，是植保機械中最重要的霧化零件，霧滴大小直接影響農(nóng)藥霧滴的附著、滑落或飄移效果[1-4]。良好的噴嘴能夠提升霧滴沉積的均勻性，增加藥物沉積量，減少藥液飄移，提高防治效果。植保無人機是農(nóng)業(yè)航空中重要的噴灑機具，其噴灑系統(tǒng)由噴嘴和噴頭主體組成，其中，噴頭主體與塑料軟管相連接，用于接收藥液泵傳輸過來的藥液，通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用，藥液最終流向安裝在其底部的噴嘴[5]。按霧化方式和霧流形狀分，噴嘴可分為錐形液力霧化噴嘴、扇形液力霧化噴嘴和旋轉(zhuǎn)離心霧化噴嘴。其中，錐形液力霧化噴嘴的噴霧霧滴粒徑較小，不會發(fā)生堵塞，依據(jù)牛頓流體特性，使得藥液沿切向流入噴嘴腔體內(nèi)部，然后霧化出圓環(huán)狀霧滴[6]。扇形噴嘴在植保無人機施藥作業(yè)中的應(yīng)用最為廣泛，其又可分為常規(guī)扇形噴嘴、防飄移噴嘴、氣吸型扇形噴嘴等。傳統(tǒng)的扇形噴嘴噴出的霧流會與較穩(wěn)定的氣流產(chǎn)生摩擦，可以將霧流進一步粉碎為細(xì)小的霧滴，并以橢圓形的樣式均勻地散布于作物表面。防飄移式噴嘴在進液口處增設(shè)了一個孔板，該孔板的進液口較窄、噴管較寬，可以使藥液在噴管腔內(nèi)形成漩渦，從而縮小噴霧頻譜，讓易漂移的霧滴比重大大降低，同時也顯著增大了霧滴的直徑，提高了霧滴的穿透能力和抗漂移能力。氣吸型扇形噴嘴基于文丘里效應(yīng)，在噴嘴的側(cè)向有兩個對稱的入風(fēng)口，使藥液與空氣充分混合，增大霧滴粒徑，降低噴施過程中霧滴飄移的可能性，并且使得霧滴到達(dá)靶區(qū)后還能破裂成更小的霧滴。扇形噴嘴能夠霧化出沖擊力較大的扇形噴霧，霧滴橫向沉積呈現(xiàn)出正態(tài)分布特征[7-8]。不同類型噴頭及其特點如表1所示。

表1 噴頭分類及特點

在外力作用下，液體的表面張力會發(fā)生變化而分散，稱為“霧化”。目前，國內(nèi)的農(nóng)藥施用技術(shù)相對落后，對噴霧霧化機理的研究也十分匱乏。反映液滴霧化特性的因素包括：液滴的速度分布和大小、液滴中的氣體流入液流中心、液滴與霧化區(qū)等。液力式霧化要求有一定的壓強，霧化量大，能耗低，經(jīng)濟性好。它的結(jié)構(gòu)比較簡單，但是它的霧滴顆粒很大（通常是150 μm～500 μm），而且流速也很快（1 L/min～2 L/min），很難達(dá)到低濃度的噴射。離心式霧化所得到的霧滴尺寸較均勻，易于調(diào)節(jié)，所需要的噴霧壓力較低，對生物殺蟲劑的活性影響較小。雖然可以得到更小的霧滴直徑（40 μm～150 μm），但影響其霧化效果的因素較多，參數(shù)調(diào)整變換較困難。

目前最常見的霧化方法是液力式霧化，它可以讓液體霧化的形狀更加均勻；藥液在經(jīng)過特殊構(gòu)造的噴嘴時，會產(chǎn)生一種霧氣，它的作用是讓藥液表面在一定的壓力下形成一層薄膜，在不穩(wěn)定的液體中，液膜會與空氣產(chǎn)生摩擦，從而產(chǎn)生微小的水滴。離心噴霧技術(shù)是目前國際上公認(rèn)的一種能夠獲得均勻性更好、更狹窄的霧滴的霧滴技術(shù)。在高速工作狀態(tài)下，離心力會使液體沿著噴嘴的切向方向噴射，通過與空氣的碰撞，將液體粉碎為具有高度集中顆粒尺寸的霧滴。在不同的旋轉(zhuǎn)速度下，離心噴霧頭可以得到相應(yīng)的噴霧粒徑，這使它在可控噴霧技術(shù)中得到了快速發(fā)展。藥液噴霧時噴灑均勻，不僅可以提高防治效果，還能節(jié)約大量的農(nóng)藥資源，降低農(nóng)藥使用量。同時，可控霧滴噴霧技術(shù)的高效性還可以減少人為噴藥對農(nóng)作物造成的各種危害或污染，具有良好的環(huán)境效益。綜上所述，離心式噴頭和液力式噴頭各有優(yōu)缺點，需要根據(jù)實際作業(yè)的氣象條件、作物特點、防治對象、藥液理論性質(zhì)和無人機旋翼下洗氣流場性能等因素綜合考慮，選擇合適的噴頭進行田間施藥作業(yè)。

2 噴頭類型對農(nóng)業(yè)航空噴施的影響

植保無人機具有操作靈活、自動控制能力強、霧滴漂動少、藥水在旋轉(zhuǎn)作用下能夠穿過作物頂部等特點，特別適用于小面積的田間害蟲控制和精確施藥。對于無人機來說，由于其承載能力的限制，需要進行新型噴頭的設(shè)計與優(yōu)化。噴頭參數(shù)優(yōu)化技術(shù)是目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍采用的一種實用技術(shù)。由于噴頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)、噴射壓力與霧化性能之間存在一定關(guān)系，可以幫助我們更好地了解影響噴頭性能的各種因素。目前，基于其理論的不斷改進，開發(fā)了各種類型的噴頭。噴口直徑越小，霧化效果越好。隨著噴口直徑的減小，噴頭霧化后的霧滴顆粒尺寸也相應(yīng)減小，液核區(qū)域變得更細(xì)，能夠在噴口外1 mm處形成薄薄的霧氣。而當(dāng)噴口直徑越大時，其液核區(qū)越粗，霧化效果越差。噴頭的孔徑、長徑比、入口角、切向孔的總面積、切向槽的位置、傾角等結(jié)構(gòu)參數(shù)都會對噴嘴的霧化性能產(chǎn)生影響。因此，必須結(jié)合噴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)，才能合理地解釋不同結(jié)構(gòu)噴頭的霧化現(xiàn)象。但是，由于噴霧機制具有復(fù)雜性，所以需要對噴頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行深入的研究，才能了解總體的情況。在不同的工作壓力條件下，噴頭所形成的霧滴大小存在一定的差異。噴頭的流量和液體進口壓力的變化規(guī)律被稱作噴頭的流量特征，它是噴頭霧化的一個重要參數(shù)，其流量和壓力之間有一一對應(yīng)的關(guān)系。

噴頭類型的不同直接影響了霧滴的大小、運動軌跡和霧化效果[9-10]。霧滴的大小和運動軌跡直接影響到?jīng)Q定噴霧質(zhì)量的3個主要指標(biāo)——覆蓋率、飄移率、均勻性，進而影響到作物的病蟲害防治效果。一般來說，小霧滴的覆蓋率要高于大霧滴（相同噴霧量），穿透力強于大霧滴，但抗飄移性能不如大霧滴。在給定壓力下，所有的噴嘴都會產(chǎn)生一系列尺寸的霧滴，只有了解了霧滴從噴嘴到目標(biāo)作物的運動軌跡受哪些因素影響，才能科學(xué)合理地選擇施藥設(shè)備和施藥方法。霧滴一般是按直徑大小分類的，分類方法也多種多樣。根據(jù)美國農(nóng)業(yè)生物工程總會（ASABE）的標(biāo)準(zhǔn)ANSI/ASAE S572.1，依據(jù)噴頭霧化的霧滴體積中徑，將噴頭噴霧分為若干組別[11]，并且用不同的顏色標(biāo)識，如表2所示。這些尺寸通常被稱為噴霧質(zhì)量，是在使用國際認(rèn)可的特殊噴頭進行比較的基礎(chǔ)上得出的[12]。

表2 噴霧質(zhì)量分級表

對于噴霧施藥應(yīng)用，霧滴尺寸譜起著關(guān)鍵作用，因為它會影響植物檢疫處理的生物學(xué)功效、環(huán)境污染和操作員安全。噴霧作業(yè)目標(biāo)種類和農(nóng)藥種類繁多，對噴霧作業(yè)的要求也不一樣。使用某一種農(nóng)藥對某種作物進行噴霧作業(yè)時，選擇大小合適的霧滴是極為重要的，需要綜合考慮霧滴從噴嘴到靶標(biāo)的運動狀態(tài)，并同時注意各種外部因素的影響[13]，從而選擇最合適的噴霧作業(yè)參數(shù)。選擇合適的藥劑，對防治農(nóng)作物病蟲害、提高農(nóng)作物產(chǎn)量有著非常重要的作用。隨著科技的不斷進步，農(nóng)藥種類也越來越多。因此，要充分考慮到農(nóng)藥對環(huán)境和農(nóng)作物的影響，選擇高效、低毒、低殘留的農(nóng)藥。使用噴霧技術(shù)來控制霧滴的大小是一項非常重要且實用的技術(shù)，并且可以在一定程度上提高農(nóng)藥的利用率和防治效果?，F(xiàn)在的植保施藥作業(yè)提倡減少農(nóng)藥用量，這就更要求噴霧時盡量使用小霧滴噴霧，在節(jié)省農(nóng)藥的同時還可以提高噴霧作業(yè)的覆蓋率。但是，目前農(nóng)藥霧滴的粒徑都比較大，霧滴分布范圍也不是很廣，在施藥過程中如果使用大霧滴噴霧，由于霧滴粒徑較大容易導(dǎo)致農(nóng)藥噴施不到位或漏噴。所以在進行植保作業(yè)時應(yīng)盡量使用小霧滴噴霧，可以使藥液更均勻地分布于作物表面，有利于提高防治效果。小霧滴粒徑較小且呈線狀均勻地分布于葉片表面上，有利于藥液均勻分布在植物各組織上，從而達(dá)到防病、治病的目的。經(jīng)試驗，當(dāng)1 L藥液平均噴灑在1 hm2面積上時，霧滴的理論密度如表3所示。

由表3可知，在不考慮霧滴因外界環(huán)境條件影響而產(chǎn)生飄移的情況下，霧滴的大小很大程度上決定了霧滴對噴霧目標(biāo)的覆蓋率。霧滴大小是農(nóng)藥施用程序中最重要的參數(shù)之一，可能會影響靶標(biāo)上的沉積物和噴霧覆蓋率。Derksen等用不同的噴霧技術(shù)評估了密集的大豆冠層中的噴霧滲透性，驗證了在相同的施用率下，使用扁平扇形噴嘴的中等霧滴比精細(xì)和粗大的霧滴性能更好[14]。Costa等的研究顯示，用雙平扇噴嘴（細(xì)霧滴）、雙平扇砧形噴嘴（中霧滴）和空氣感應(yīng)平扇噴嘴（中霧滴）在相同的噴灑量下噴灑殺蟲劑時，在大豆植株底部的葉片上有類似的噴霧沉積結(jié)果[15]。

表3 1 L藥液平均噴灑在1 hm2面積上時霧滴的理論密度

最好的施藥技術(shù)必須提供足夠數(shù)量且能夠覆蓋目標(biāo)的藥液，以達(dá)到令人滿意的生物功效。提高噴霧的覆蓋率不僅有助于控制作物的病蟲害情況，還可以減少整體的農(nóng)藥使用量，同時減少環(huán)境污染和農(nóng)藥與旁觀者的接觸。許多農(nóng)戶對使用新的噴頭類型，特別是產(chǎn)生粗大霧滴的噴頭類型來施用殺蟲劑和殺菌劑持懷疑態(tài)度。因為產(chǎn)生粗大或非常粗大尺寸霧滴的噴嘴一般用于系統(tǒng)性除草劑和環(huán)繞操作中。此外，由于不同類型的害蟲對不同大小霧滴的吸收能力不同，通常體積中值粒徑在100 μm以下的霧滴能夠很好地被昆蟲吸收；不同種類、同一種類不同生長時期的作物對霧滴保持在其葉面上的要求不同。因葉面絨毛的作用，霧滴在葉面上的附著性降低，霧滴粒徑300 μm以上的大霧滴會從葉面上向下滾落，藥液不僅沒有起到作用，還會造成浪費。航空低量噴灑施藥量少且飛行高度高，容易產(chǎn)生飄移。粒徑在100 μm以下的霧滴在高溫、高濕環(huán)境的空氣流擾動下，容易蒸發(fā)和飄移。因此，植保無人機航空施藥要求霧滴粒徑在100 μm～300 μm之間，可以配合旋翼下旋氣流將霧滴盡快地沉積到靶標(biāo)上，減少飄移[16-17]。

3 農(nóng)業(yè)航空噴頭發(fā)展趨勢

目前，發(fā)達(dá)國家發(fā)展較快的低污染、低容量、低飄移的噴霧技術(shù)是可控霧滴施藥技術(shù)[18]。可控霧滴施藥技術(shù)以離心霧化為核心技術(shù)，主要通過調(diào)節(jié)離心霧化器的轉(zhuǎn)速來控制霧滴直徑，可以滿足不同作業(yè)目標(biāo)和氣象條件對霧滴的要求，同時提高霧滴在靶標(biāo)作物上的附著率、分布均勻性并減少無效霧滴數(shù)量，最終實現(xiàn)提高農(nóng)藥有效利用率、病蟲害防治效果以及減少環(huán)境污染的目的。國內(nèi)有關(guān)可控霧滴漂移和沉積的部件、農(nóng)藥漂移與生物靶標(biāo)的關(guān)系等方面的研究還很少。針對目前中國可控噴霧技術(shù)及機械裝備的問題和特點，借鑒國外先進技術(shù)，加大研發(fā)力度，努力設(shè)計并開發(fā)適合中國植保施藥的技術(shù)和關(guān)鍵施藥組件[19]。

國內(nèi)對可控霧滴噴頭的制造工藝落后且精度較低，導(dǎo)致實際噴霧質(zhì)量達(dá)不到農(nóng)藥噴施要求。目前我國還沒有制定專門的標(biāo)準(zhǔn)用于植保專用噴頭，因此各個噴頭生產(chǎn)廠家都采用自己企業(yè)內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)，未形成標(biāo)準(zhǔn)化的格局。在噴霧壓力、噴嘴類型、施藥高度等方面對可控霧滴施藥技術(shù)的研究較多，但在試驗分析單因素對可控霧滴的影響時，很少從噴頭終端特點的角度來分析?？蓪⑿虏牧?、新工藝以及新技術(shù)應(yīng)用在可控霧滴噴頭的研發(fā)上，以達(dá)到延長噴頭使用壽命、提升噴頭可靠性、優(yōu)化噴頭霧化特性的目的。研究并開發(fā)植保施藥專用噴頭，設(shè)計研制出與具體噴霧技術(shù)相配套的噴頭，使噴頭實現(xiàn)專用化、標(biāo)準(zhǔn)化以及配套化[20]。

此外，由于計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，用數(shù)值模擬技術(shù)來研究可控霧滴噴頭的霧化性能是一種行之有效的方法。通過數(shù)值仿真，可以有效地減少試驗時間，快速地對噴頭的霧化性能進行分析，以便更好地了解噴頭的霧化性能和霧化機制，對噴頭的工作性能和幾何參數(shù)進行優(yōu)化。可控霧滴施藥技術(shù)可以在未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的多個環(huán)節(jié)中發(fā)揮作用，將對中國乃至世界智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生促進作用。目前，在農(nóng)藥噴灑技術(shù)中，霧滴直徑是最容易控制的因素，它的大小對噴灑的品質(zhì)和病蟲害的防治效果有很大的影響。另外，為了減少環(huán)境污染，達(dá)到最好的病蟲害防治效果，還應(yīng)對噴霧顆粒尺寸進行適當(dāng)?shù)目刂啤?/p>