美国航空静电喷雾系统的发展历史与中国应用现状

航空静电喷雾系统是传统静电喷雾技术在空中操作平台上的专门应用,是航空植保技术的重要内容。美国在上个世纪60年代开始开展航空静电喷雾的技术研究,本文着重介绍了美国航空静电喷雾系统近50a的发展历史和相关的测试工作,包括航空静电喷雾系统的早期研究和持续改进,以及最终的系统模型确定。航空静电喷雾系统可有效减少施药液量和提高药液沉积量,但是仍然存在如何提高病虫害防治效果和减少下风处的喷雾飘移等方面的问题,航空静电喷雾系统针对不同作物和病虫害的适用范围和最佳作业条件还需要进一步的研究和探索。然而,航空静电喷雾系统的巨大优势已经奠定了其在现代农业航空发展中的地位,随着不断的试验研究和评估,现代航空静电喷雾技术必将继续支持农业航空产业的发展。     

作物航空喷施作业质量评价及参数优选方法

农用飞机由于具有很好的机动性、灵活性和施药效率,近年来受到高度重视,成为植保产业的重要发展方向。影响航空喷施效果的因素有很多,机型、喷嘴型号、喷雾压力、喷施角度、环境因素、作业高度、作业速度、药剂配方、药剂浓度等因素等都会影响雾滴在植物表面的分布特性,从而影响航空喷雾作业效果。地面药液的雾滴分布特性是决定航空植保效果的主要因素,研究不同因素条件下的雾滴分布情况能为航空喷施作业时选择相对合适的喷嘴型号、喷雾压力、喷施角度、作业高度、作业速度、药剂配方及药剂浓度等提供参考,从而有利于保证航空施药效果。该文在对目前中国航空植保产业发展现状进行深入剖析的基础上,研究分析了目前中国航空植保存在的主要问题,同时提出了作物航空植保技术规程中作业参数的优选及评价方法。该研究为中国主要作物航空植保喷施作业技术规程的制定提供了参考。     

双极性接触式航空机载静电喷雾系统荷电与喷雾效果试验

该文针对航空施药植保无人机设计了双极性接触式航空机载静电喷雾系统,分别对该系统喷施静电油剂和水的荷电与雾化效果进行了测试。将该航空静电喷雾系统搭载于3WQF120-12型油动单旋翼植保无人机喷施静电油剂,并使用该植保无人机自带喷雾系统分别喷施静电油剂和常规水基化药剂,对比了3种施药方式的沉积分布均匀性和对小麦蚜虫、锈病的防治效果。试验结果表明:当喷雾液为水时,静电喷雾系统的静电电压和极性不会改变水的雾滴谱;当喷雾液为静电油剂时,正电荷使雾滴粒径减小,负电荷使雾滴粒径增大,且静电喷头的雾滴相对粒谱宽度随静电电压的增加而增大;喷雾液的荷质比与静电电压正相关,相同静电电压和输出电极下水的荷质比大于静电油剂,同一静电电压下负输出雾化喷头药液的荷质比高于正输出。小麦大田试验表明:使用静电喷雾系统喷施静电油剂的雾滴沉积分布均匀性最好,其单位面积沉积量为0.048 6?g/cm2,沉积量的标准偏差为0.015?g/cm2,变异系数为30.43%;使用无人机自带喷雾系统喷施静电油剂和常规水基化药剂的单位面积沉积量分别为0.051 3和0.035 6?g/cm2,标准偏差分别为0.019和0.016?g/cm2,变异系数分别为42.57%和45.54%;喷施静电油剂的2个处理对麦蚜和锈病的防治效果和药效期均明显高于水基化药剂,使用静电喷雾系统的测试在药后7 d对蚜虫防治效果为87.92%,明显高于无人机自带喷雾系统喷施静电油剂76.43%的防治效果。该静电喷雾系统配合喷施静电油剂可提高沉积分布均匀性,增加防治的持效期和效果。     

植保无人机旋翼风场模型与雾滴运动机理研究进展

近几年，植保无人机施药技术在中国获得广泛应用，并逐渐发展为国内主要植保技术之一。但由于对植保无人机施药技术基础理论研究不够深入，相关机理尚不明晰，且植保无人机作业平台的稳定性依然有待提高，导致国内植保无人机施药效果不够理想。深入研究植保无人机施药技术的基础理论，理论结合试验结果共同指导植保无人机田间施药是提高其施药效果的经典方法。该研究综述了植保无人机旋翼风场分布特性、雾滴与无人机旋翼风场交互机理、雾滴沉降与飘移机理、雾滴与叶片表面的交互机理及雾滴分散和蒸发特性等植保无人机施药技术基础理论及其模型构建情况的国内外研究现状，并结合其基础理论与模型构建的国内外研究现状，给出植保无人机施药技术的未来发展建议，以期为植保无人机施药技术的发展提供参考。     

无人机静电喷雾系统设计及试验

为了实现无人机低空低量喷雾,提高无人机施药后的雾滴沉积效果,该文针对XY8D型无人机进行了静电喷雾系统整体设计,重点对无人机静电喷头结构和高压静电的供给进行了描述,并就静态条件下静电喷雾雾滴的雾化、荷电性能开展了试验研究,确定了0.4 L/min流量、0.3 MPa喷雾压力、8 k V充电电压作为该无人机的田间试验作业参数。在水稻田中分别采用水敏纸和聚酯卡收集方法开展了不同飞行高度、静电喷雾和非静电喷雾条件下雾滴沉积和飘移试验。试验结果表明,非静电喷雾时,飞行高度为2 m时,雾滴沉积效果较好,水敏纸上雾滴沉积个数达到56个/cm2;而静电喷雾使得雾滴沉积明显增加,在靶标冠层、中层和下层的雾滴覆盖率平均增加了35.4、26、9个/cm2。当航高分别为1、2、3 m时,雾滴飘移距离分别为12.1、15.8和18.6 m,飘移量分别为5.88、10.31和14.98μg/cm2;静电喷雾方式对抑制雾滴飘移的作用不大,但是聚酯卡上单位面积的雾滴沉积量分别增加了2.36、2.91、1.56μg/cm2。该研究为基于无人机开展静电喷雾研究提供参考。     

基于仿真果园试验台的植保无人机施药雾滴飘移测试方法与试验

植保无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)果树飞防植保作业中飞行高度较高并且采用低容量细小雾滴喷雾,飘移风险极高。但是,无人机果园施药雾滴飘移特性研究尚处于初步开展阶段,缺乏全方位综合测试方法以及对不同无人机机型和喷头类型的评价。该研究在前期研究基础上,提出一种基于仿真果园试验台的植保无人机果园施药雾滴飘移测试方法,设计并制作仿真葡萄园试验台和空中飘移收集装置,结合地面飘移收集装置和冠层沉积收集带,首次通过雾滴空间飘移指数ADX定量分析评价不同机型的喷雾过程中农药雾滴空间飘移特性,并采用田间近地飘移测试平台进行无人机喷雾飘移试验,使用荧光示踪法探究4种典型植保无人机(油动单旋翼、电动6旋翼及2种电动8旋翼无人机)分别搭载IDK 120-015空气射流喷头和TR 80-0067空心圆锥喷头喷雾作业的雾滴冠层沉积分布、地面飘移、近地飘移及空中飘移特性,进而对不同喷雾飘移测试收集装置进行评估。结果表明:在侧风速2.2～3.6 m/s,温度29.8～34.3℃,相对湿度10.7%～30.6%的环境条件下,IDK空气射流喷头在作业高度1.5 m、速度2.0 m/s参数下可显著降低无人机喷雾下风向飘移水平,优化沉积分布均匀性,提高农药雾滴利用率;4种机型飘移特性无显著差异,旋翼下洗气流产生的卷扬涡流是影响无人机喷雾飘移的重要因素;葡萄园喷雾作业缓冲区至少应设置为15 m;冠层沉积率越小(P0.05,r0)、沉积分布变异系数越高(P0.01,r0)、田间飘移平台平均均值飘移率和90%累积飘移距离越大(P0.01,r0)以及ADX值越大(P0.01,r0)均表明雾滴飘移风险越高,3种收集装置及其评价指标均可有效评估下风向飘移特性;植保无人机喷雾飘移率与下风向距离满足指数函数关系。研究结果以期为新型果树专用植保无人机研发、植保无人机果园作业喷雾飘移测试方法的标准制定和田间作业参数选择提供参考和数据支持。     

中国农业航空植保产业技术创新发展战略

农业航空是现代农业的重要组成部分和反映农业现代化水平的重要标志之一。该文在分析中国农业现代化建设中对航空植保技术的需求及国内外航空植保发展现状的基础上,对中国航空植保产业体系进行了深入剖析。指出了制约中国农业航空植保产业发展的主要问题,包括现有农业航空政策法规体系不完善、配套核心科学技术研究不足、专业队伍人才匮乏、社会化服务体系不健全、与农业航空相适应的农田作业环境基础建设被忽略、制度上缺少支持农业航空发展的公益性安排等。并从提高航空植保作业适应性的多机型多作业方式、加大资金投入增强配套核心科学技术的攻关、以及出台有针对性的政策加强管理和规范等方面提出了大力推进中国农业航空植保产业快速健康发展的战略及对策建议。最后对未来3个五年计划内中国对航空植保技术的需求情况进行了预测。分析预测表明,中国农业航空产业是一个尚未真正启动的大产业,未来中国农业航空市场的需求将会有爆发性增长,拉动新增机型投入将达到465亿元以上。随着相关制度及配套核心技术的不断完善,中国农业航空产业必将得到健康、有序和高速发展,有利于实现农业病虫害统防统治,实现精准作业,极大地提速中国现代农业的进程。     

植保无人机施药喷嘴的发展现状及其施药决策

农药的低利用率是影响农业生态环境和农产品品质安全的重要原因之一,优化农药喷施技术是提高农药利用率的有效手段。无人机植保喷施作业作为航空施药领域的重要组成部分,因其应对突发灾害能力强、不受作业地点限制等优势,具有巨大的发展潜力。喷嘴作为植保无人机喷施系统中的关键部件,主要分为液力雾化喷嘴和离心雾化喷嘴两大类,良好的喷嘴性能能够大大提升航空施药喷洒的均匀性,提高农药的利用效率。该文总结了各类植保无人机常用喷嘴的原理、特点以及应用场合,提出了喷嘴性能评价指标并总结了三大类常用的雾滴粒径、沉积量、分布、速度等指标的测量手段,包括雾滴收集方法,雾滴沉积量测试方法以及仪器测量法。最后,针对目前无人机施药缺乏专业的指导,农药喷施效果有待提升的现状,该文提出合理的施药决策是结合靶标作物、喷药需求以及喷施环境三方面因素共同作用的结果,并从喷嘴喷雾角、防堵塞性、喷嘴压力与流量以及最佳作业粒径4个方面分析了喷嘴选型的思路,从专业喷嘴选型决策系统的建立以及无人机植保专用喷嘴的研发两方面对今后的研究进行展望。     

植保无人机飞行参数对施药雾滴沉积分布特性的影响

为探究植保无人机喷雾田间雾滴沉积分布特性和飞行参数及参数精准度对沉积分布影响,该文采用高精度北斗卫星定位系统获取无人机精准飞行参数,以柠檬黄示踪剂水溶液代替农药对4种典型国产植保无人机进行了小麦田间喷雾试验,并将其中2种单旋翼无人机的飞行参数与其变异系数、均方根误差相结合,对雾滴沉积分布特性的影响因素进行了研究。结果表明:4种无人机施药在航线两端区域内沉积量变化剧烈,航线中间区域沉积量较稳定;影响横向雾滴沉积分布主要因素是无人机相邻喷头或喷幅间的雾滴重合度;对于单旋翼无人机,在高度1.1~1.2 m、速度4.2~4.9 m/s的范围内,沉积量与速度均方根误差呈极显著线性正相关关系(P0.01,r=0.952),纵向沉积量变异系数与速度变异系数呈极显著线性正相关关系(P0.01,r=0.963),总体沉积量变异系数与高度呈显著线性负相关关系(P0.01,r=–0.888);使用速度均方根误差、速度变异系数和高度这3个飞行参数和参数精准度指标来分析和预测雾滴沉积量和分布均匀性的方法合理、有效、可行。根据试验结果,该文给出了相关合理建议以改善植保无人机施药效果,研究结果可为植保无人机田间喷雾作业参数确定、作业条件的选择和田间作业规范的制定提供参考。     

静电喷雾的多喷头雾化特性及田间试验

针对传统喷杆喷雾机作业时需水量大、叶片背面雾滴沉积量不足和雾滴分布不均匀等问题,该研究提出一种静电喷雾与喷杆喷雾相结合的施药技术。为探究静电喷杆喷雾机的最佳工作参数,明确不同参数对雾滴雾化效果的影响,利用Fluent软件建立了流场、离散雾场和空间电场耦合仿真模型。仿真试验结果表明,多喷头的空间电场分布均匀性优于单喷头,静电喷雾的雾滴体积中径比非静电喷雾减小12.7%。搭建静电喷雾试验平台,以喷雾水压、充电电压和喷头间距为试验因素,以雾滴的荷质比、粒径、分布均匀性和沉积量为试验指标进行雾滴的荷电特性和沉积特性试验。试验结果表明,多喷头喷雾的雾滴荷质比最大值为0.26 mC/kg,比单喷头喷雾提高52.9%,雾滴均匀性变异系数比非静电喷雾减小32.1%,体积中径减小14.8%,上、中、下层叶片正面的雾滴附着率分别提高27.1%、37.3%和45.2%;静电喷雾的最佳作业参数组合为充电电压6 kV、喷雾水压0.4 MPa和喷头间距250 mm。田间试验表明,静电喷头与常规喷头喷雾施药的病虫害防治效果基本一致,静电喷头的施药用水量减少了60%。在满足防控效果的前提下,静电喷雾能增加雾滴在植株下层和叶片背面的沉积量,有效减少田间作业的需水量,研究结果可为静电喷雾技术在大型喷杆喷雾机上的应用提供参考。     

AS350B3e直升机航空喷施雾滴飘移分布特性

为了探究安装有AG-NAV Guía系统的AS350B3e直升机进行喷施作业时的雾滴飘移规律,以轻型机载北斗RTK差分系统获取的精准作业参数(时间、速度、高度、轨迹)为参考,进行了不同作业参数喷施试验。研究了该直升机以4种不同飞行速度范围进行单向式喷施作业时,对应的有效喷幅区域范围及雾滴飘移分布规律,对比了添加航空助剂对雾滴飘移距离及飘移量的影响。结果表明:有效喷幅区域的位置受自然风速和风向变化的影响,会向直升机航线下风向区域有不同程度的偏移;当直升机分别以70、90、100、120 km/h 4种速度参数进行喷施作业时,随着飞行速度的增大,有效喷幅宽度呈现先缓慢增大后急剧减小的趋势,100 km/h的飞行速度为有效喷幅宽度变化的峰值拐点;当侧风风速为1.1~2.3 m/s时,目标喷雾区的最小宽度在喷雾区域下风向水平距离27.61~48.94 m的范围内,且下风向受飘移影响距离均接近或小于下风向有效喷幅宽度,同时研究还发现雾滴粒径在200μm以下的雾滴更容易发生飘移,因此在作业时要预留至少50 m以上缓冲区(安全区)并合理选择航空喷头以避免药液飘移产生的危害;航空助剂的使用对于雾滴飘移量减轻效果显著,在同等作业条件下,添加航空助剂能够使雾滴飘移量减少33.94%。该研究结果可为直升机的喷施系统性能改进提供参考,对合理喷施农药、减少飘移、提高农药利用率具有重要意义。     

航空静电喷雾装置的改进及效果试验

航空静电喷头结构和性能的好坏是影响航空静电喷雾效果的主要因素。该文针对应用于轻型飞机上的单喷嘴航空静电喷头从静电电极、喷头材料、喷头加工工艺、高压导线与电极的连接方式、旋拧接头、溢流阀体等几个方面进行了改进设计,并就其雾化荷电机理及性能进行了理论分析和试验研究,将改进后的静电喷头挂载于轻型蜜蜂飞机上与原有的静电喷头及传统的扇形喷头进行了松毛虫防治对比试验研究。研究结果表明,改进后的航空静电喷头在压力为0.35Mpa,喷孔直径为0.8mm时,喷雾角度为96°,雾流速度较高并且均匀,荷质比最大可达到2.26mC/kg;与常规扇形航空喷雾相比,雾滴沉积平均提高18个/cm2,不仅作业时间短,使用农药量减少5.22L/hm2,而且有效防治率提高了33.8%,完全可以满足航空喷雾的需要,并可以达到满意的病虫害防治效果。     

油动单旋翼植保无人机雾滴飘移分布特性

为了研究油动单旋翼植保无人机在精准作业参数(速度、高度)条件下的雾滴飘移分布特性,该文建立了雾滴飘移收集测试平台,分别用雾滴飘移测试框架、等动量雾滴收集装置和培养皿收集3WQF80-10型油动单旋翼植保无人机在作业时空中及地面飘移的雾滴。将测试结果分别与侧风风速、飞行高度、飞行速度进行相关分析和回归分析,结果表明:在平均温度31.5℃、平均相对湿度34.1%的条件下,侧风风速为雾滴飘移的主要影响因素;侧风风速与等动量雾滴收集器和培养皿测得的雾滴飘移率呈正相关(相关系数r分别为0.97、0.93);而与雾滴飘移测试框架测得的雾滴飘移率无相关性;侧风风速为0.76~5.5 m/s时,90%飘移雾滴沉降在喷雾区域下风向水平距离9.3~14.5 m的范围内,因此在作业时要预留至少15 m以上缓冲区(安全区)以避免药液飘移产生的危害。研究结果可为低空低量植保无人机施药技术研究和建立植保无人机低空低量施药田间雾滴沉积与飘移测试标准提供参考。     

旋翼无人机气流特征及大田施药作业研究进展

旋翼植保无人机近年发展迅速,已出现大量施药作业的相关研究成果。针对目前研究现状中基础作业体系不清晰、关键问题研究不深入的问题,该文聚焦旋翼无人机施药目的,明确指出旋翼气流的存在是旋翼植保无人机大田作业的典型特征。围绕该特征,提出旋翼无人机大田施药作业基础体系,依照农药装载搬运-农药转化雾滴-雾滴空间运动-雾滴植株扩散-施药作业方法的主线,分别对旋翼无人机的机体、药箱、雾滴物理状态、运动状态、旋翼气流、对靶沉积、脱靶飘移、气流与作物互作、雾滴附着、机体控制、喷施量控制及作业模式等基本要素的研究现状进行归纳总结,梳理旋翼无人机施药作业体系的内在逻辑关系,探寻施药作业体系中待深入研究的基础科学问题。指出目前旋翼无人机大田作业亟需解决作业体系内容研究不均衡、机理研究不深入的问题;亟需解决作业参数关联性不强、大田试验条件精准性有待提高的问题;亟需解决作业模式无法直接表征作业效果、高精度飞行参数难转化为作业参数的问题,并给出深入研究的相关建议。期待广大学者提高对旋翼气流相关研究的关注度,围绕旋翼无人机大田作业体系中的实践与技术难点,寻找出具有旋翼气流特征的物理参数,提炼基础科学问题,加强工程应用研究。     

植保无人机航空喷施作业有效喷幅的评定与试验

植保无人机有效喷幅宽度的准确评定是农业航空精准作业的前提,对其作业航线的规划及喷施作业质量的提升均有着重要意义。该文以不同参数的单旋翼植保无人机和多旋翼植保无人机为例,分别通过12架次不同飞行参数下的航空喷施试验及目前国内常用的雾滴密度判定法和50%有效沉积量判定法来评定植保无人机的有效喷幅宽度,并根据雾滴处理软件Deposit Scan对水敏纸等采集卡上的图像处理原理对不同评定方法进行了深入分析。结果表明:50%有效沉积量判定法更适于雾滴粒径相对较大的3WQF120-12型植保无人机有效喷幅宽度的评定,且评定的平均有效喷幅宽度为≥4.44 m;雾滴密度判定法更适于雾滴粒径相对较小的P-20型植保无人机有效喷幅宽度的评定,且评定的平均有效喷幅宽度为≥2.58 m;评定的有效喷幅结果与实际情况相符合。另外,由分析可知,由于当前图像处理技术的限制,不同粒径大小的雾滴斑点图像,软件Deposit Scan所产生的相对误差不同,因此,应根据植保无人机喷施雾滴粒径的范围选择合适的有效喷幅宽度评定方法。该结果为不同参数的植保无人机选择较优的有效喷幅评定方法提供了指导,降低了航空喷施作业的重喷率和漏喷率,提高了植保无人机航空喷施作业质量,可为植保无人机精准喷施作业的实施提供参考。     

基于网络RTK的离心式无人机变量施药可行性初探

针对植保无人机施药准确性和作业效率需求的提高,验证网络实时动态(Real-Time Kinematic,RTK)载波差分技术在无人机施药上的可行性,设计了一种基于网络RTK的离心式变量施药系统。采用STM32F103为控制核心,通过串口获取GPS定位信息,并连接DTU模块实现网络RTK技术,通过脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)技术调节占空比的大小,从而调节离心喷头的转速以及蠕动泵的流量。系统在工作时,通过农情信息完成处方图构建,通过高精度GPS模块获取经纬度信息,在施药过程中系统实时检索无人机所在位置,调出处方决策信息,按照处方信息调节离心喷头和蠕动泵的输出比例,从而控制无人机的施药粒径大小和施药量大小,并将作业数据上传至监控平台。通过试验表明系统能正确执行变量施药任务;在使用离心喷头进行变量施药任务时,受到系统稳定性和离心喷头特性的影响,在处方交界区域会存在一个不稳定区域;离心喷头在较高转速下进行变化时,在处方交界区域粒径大小的变化越平滑。该结果满足预期试验设计,可为植保无人机变量施药技术改良提供基础与参考。     

感应充电喷头环状电极诱导电场的分布研究

应用静电喷雾技术进行病虫害防治有着广阔的前景.充电电场是决定静电喷雾性能的关键参数之一.该文针对航空感应充电喷头的环状电极诱导的电场进行了数学模拟.利用直角坐标系与极坐标的关系,通过计算电位推导出电场的计算公式,用椭圆积分表示出电场强度在全空间的普遍分布.为合理设计航空静电充电装置、正确确定雾流速度、保证雾滴足够的充电时间具有现实的意义.