劉武蘭，周志艷，陳盛德，羅錫文，蘭玉彬

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院/廣東省農(nóng)業(yè)航空應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，廣州 510642；2. 國(guó)際農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642；3. 南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，長(zhǎng)沙 410128)

0 引言

植物在生長(zhǎng)過(guò)程中，各種病蟲草害、農(nóng)藥殘留及環(huán)境污染等問(wèn)題對(duì)植物健康生長(zhǎng)有巨大的不利影響，導(dǎo)致農(nóng)作物大量損失，土壤土質(zhì)污染，對(duì)農(nóng)林產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生巨大的不利影響[1-2]。我國(guó)的農(nóng)藥生產(chǎn)技術(shù)屬于國(guó)際先進(jìn)水平，而我國(guó)的植保機(jī)械和農(nóng)藥噴施技術(shù)卻相對(duì)落后。目前，我國(guó)的耕地面積經(jīng)受農(nóng)藥污染高達(dá)1 300～1 600萬(wàn)hm2[3]。農(nóng)林植物的生物災(zāi)害較嚴(yán)重是我國(guó)亟需解決的關(guān)鍵性問(wèn)題之一，每年的糧食作物遭受侵害約有3.6 億hm2是因?yàn)樯餅?zāi)害，雖然經(jīng)過(guò)普通防治辦法后，可挽回部分經(jīng)濟(jì)損失，但仍有4 000萬(wàn)t多糧食遭受損失。在其他主要農(nóng)作物方面，如棉花每年損失近24%，水果、蔬菜每年損失約20%。據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)估計(jì)，病蟲草害導(dǎo)致的糧食作物損失占全世界糧食損失的1/3，其中10%是病害導(dǎo)致的損失，14%是蟲害導(dǎo)致的損失，11%則是因?yàn)椴莺p失[4-7]。我國(guó)每年林業(yè)高達(dá)0.11億hm2的面積遭受生物災(zāi)害，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失和生態(tài)服務(wù)價(jià)值損失近千億元。農(nóng)林植物保護(hù)(植保)是保證農(nóng)林作物健康成長(zhǎng)、豐產(chǎn)豐收的重要措施之一[4-5]。噴施農(nóng)藥是目前農(nóng)林植保的常用生物災(zāi)害防治辦法，主要目的是將植物病、蟲、草害，以及其它有害生物消滅于危害之前，促進(jìn)植物健康成長(zhǎng)。

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)農(nóng)藥噴施以地面植保作業(yè)方式為主，且一直停留在傳統(tǒng)的大容量和大霧滴噴霧的技術(shù)水平上，不僅作業(yè)效率低下，而且過(guò)量施用造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降等一系列問(wèn)題，已難以滿足農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要。靜電噴霧技術(shù)作為現(xiàn)代植保機(jī)械施藥的新技術(shù)而受到國(guó)內(nèi)外各專家學(xué)者的廣泛關(guān)注，該技術(shù)能較好地解決傳統(tǒng)施藥中存在的重要問(wèn)題[2]。然而，目前靜電噴霧應(yīng)用在農(nóng)業(yè)植保技術(shù)領(lǐng)域無(wú)論是在地面器械噴藥還是飛機(jī)空中施藥上都存在一系列問(wèn)題，如靜電噴霧系統(tǒng)復(fù)雜、高壓靜電發(fā)生電源過(guò)重，以及靜電噴頭荷電效果、霧化效果較差等，都是影響靜電噴霧效果重要的因素。因此，加快推進(jìn)靜電噴霧技術(shù)的發(fā)展是農(nóng)業(yè)植保領(lǐng)域新的任務(wù)與挑戰(zhàn)，在減少農(nóng)藥的施用量、降低對(duì)環(huán)境的污染和提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量等方面具有廣闊的發(fā)展空間和良好的應(yīng)用前景[8]。

航空靜電噴霧系統(tǒng)裝置是基于霧滴荷電原理通過(guò)高壓靜電使藥液霧滴帶上電荷而設(shè)計(jì)的一套靜電噴霧系統(tǒng)。通過(guò)靜電噴施的方式施藥可有效地提高農(nóng)藥在靶標(biāo)表面和背面的附著率、分布均勻性，也可起到減小霧滴飄移的作用，減少了農(nóng)藥的浪費(fèi)，提高了農(nóng)藥利用率[9-10]。

本文擬對(duì)航空靜電噴施技術(shù)理論原理進(jìn)行分析和研究，介紹國(guó)內(nèi)外學(xué)者在航空靜電噴施技術(shù)上開展研究中取得的進(jìn)展，并對(duì)航空靜電噴施技術(shù)在農(nóng)業(yè)植保領(lǐng)域開發(fā)與應(yīng)用中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析與討論，提出航空靜電噴霧技術(shù)應(yīng)用在植保無(wú)人機(jī)靜飛行航空作業(yè)上需解決的難題和未來(lái)可能的發(fā)展趨勢(shì)和解決方案，以期為研究開發(fā)出更有效的植保無(wú)人機(jī)靜電噴施技術(shù)提供借鑒與參考。

1 航空靜電噴霧技術(shù)的原理概述

1.1 航空靜電噴霧技術(shù)

兩個(gè)電荷相互作用產(chǎn)生的作用力為庫(kù)侖力，即F=Eq，粒子帶電后在電場(chǎng)力作用下會(huì)沿著電場(chǎng)線的方向運(yùn)動(dòng)。航空靜電噴霧系統(tǒng)產(chǎn)生高壓靜電，靜電作用使藥液霧滴荷上正或負(fù)的電荷。噴霧作業(yè)過(guò)程中，若給噴頭加靜電，則噴嘴到靶標(biāo)作物之間形成電場(chǎng)線。若電場(chǎng)足夠大霧滴就會(huì)被荷電，荷電的霧滴在電場(chǎng)力作用下沿著電場(chǎng)線的方向運(yùn)動(dòng)，霧滴沉降至靶標(biāo)作物表面后，通過(guò)靜電吸附作用附著在作物的正面或背面；帶靜電的霧滴可較長(zhǎng)時(shí)間附著不流失，提高了霧滴沉降效果和農(nóng)藥的利用率，降低了環(huán)境的污染[11]，增強(qiáng)了防治效果。

液體的靜電霧化效果是研究航空靜電噴霧技術(shù)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，其靜電霧化機(jī)理是指航空靜電噴頭充電電極和農(nóng)作物冠層或者大地電極之間，高壓靜電發(fā)生器給充電電極充上數(shù)千伏的高壓時(shí)，由噴嘴噴孔噴出經(jīng)過(guò)高壓靜電感應(yīng)電場(chǎng)區(qū)的帶電霧滴，受到霧滴自身重力、表面張力及電場(chǎng)力三者共同作用，導(dǎo)致霧滴群表面極不穩(wěn)定，進(jìn)而破碎分裂成更小的霧滴或離子，這一現(xiàn)象稱為靜電霧化[10, 12]。靜電噴霧可以以較低的施藥量而達(dá)到防治的目的[13]。

航空靜電噴霧，就是高壓靜電發(fā)生器給靜電噴頭的充電電極充上正的或負(fù)的靜電高壓并使噴嘴噴出的霧滴經(jīng)過(guò)高壓電場(chǎng)帶上電荷[14]，原理如圖1所示。如果靜電噴頭的充電電極被充上正或負(fù)的高壓，根據(jù)靜電感應(yīng)原理，藥液霧滴由噴嘴噴出流經(jīng)電場(chǎng)感應(yīng)區(qū)時(shí)被荷上電荷，而處在電場(chǎng)區(qū)內(nèi)的靶標(biāo)作物表面則會(huì)感應(yīng)出和電極極性相反的電荷；根據(jù)帶電粒子同性相斥異性相吸的作用原理，荷電霧滴受到充電電極的排斥作用力，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，而使霧滴向目標(biāo)的各個(gè)位置沉降[15]。因此，航空靜電噴霧技術(shù)最重要的優(yōu)勢(shì)之一是不僅使靶標(biāo)作物葉片正面吸附霧滴，背面和隱蔽部位均可附著藥液霧滴。

1.目標(biāo) 2.噴嘴 3.帶電霧滴 4.地面圖1 靜電噴霧技術(shù)原理圖[1]Fig.1 Electrostatic spray technology

1.2 高壓靜電霧滴荷電原理

高壓靜電給霧滴荷電一般主要有3種方式：電暈荷電法、接觸式荷電法和感應(yīng)荷電法，荷電裝置及荷電原理圖如圖2和圖3所示。

1.噴桿 2.噴頭 3.噴霧霧滴流 4.充電極環(huán) 5.針狀電極圖2 靜電裝置工作原理圖[16]Fig.2 Working principle diagram of electrostatic device

(a) 電暈荷電 (b) 感應(yīng)荷電 (c) 接觸荷電圖3 霧滴荷電的電路原理圖[19]Fig.3 Schematic of charged droplets

電暈荷電法，如圖2和圖3(a)所示。將L1和L2同時(shí)接地，L3接靜電高壓發(fā)生電源的正極輸出引腳，尖端針狀電極被高壓靜電發(fā)生器充電后進(jìn)行放電，將空氣擊穿電離產(chǎn)生局部強(qiáng)電場(chǎng)，藥液霧滴經(jīng)過(guò)電場(chǎng)區(qū)荷上電荷。藥液經(jīng)噴頭噴出后霧化， 霧化后的霧滴在噴頭外部被荷電，通常需要2萬(wàn)V以上高壓才能實(shí)現(xiàn)。

感應(yīng)式荷電法，如圖2和圖3(b)所示。在L1和L2之間加電源，去掉尖端電極，在噴頭的噴嘴與充電極環(huán)之間形成的感應(yīng)電場(chǎng)給霧滴荷電。感應(yīng)荷電方式?jīng)Q定了電極必須要與藥液霧滴絕緣，感應(yīng)荷電需要的電壓較低，通常1萬(wàn)V以內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)荷電，可直接將高壓線連在普通噴頭的感應(yīng)電極上。

接觸式荷電法，如圖2和圖3(c)所示。L1直接接高壓靜電發(fā)生器輸出引腳，或?qū)⒁_接入管路藥液中，感應(yīng)極環(huán)和尖端電極均去除，液體和大地之間形成電場(chǎng)，根據(jù)集膚效應(yīng)，藥液表面集聚大量電荷，霧化后的霧滴帶電。由于藥液霧滴經(jīng)噴頭噴出到地面的距離比較大，所以這種霧滴荷電方式需要的荷電電壓較高，電壓大約要達(dá)到2萬(wàn)V[17]。

對(duì)比以上荷電方法，電暈荷電方式需將空氣電離產(chǎn)生局部強(qiáng)電場(chǎng)，接觸式荷電方式將藥液極化，感應(yīng)荷電方式通過(guò)感應(yīng)電場(chǎng)時(shí)使霧滴荷上電荷[18]。

2 國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)航空靜電噴霧現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外農(nóng)業(yè)航空靜電噴霧發(fā)展現(xiàn)狀

靜電噴霧技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展較快、應(yīng)用較廣并被廣泛關(guān)注的一項(xiàng)先進(jìn)的植保施藥技術(shù)。20世紀(jì)40年代，法國(guó)的Hampe通過(guò)噴撒農(nóng)藥進(jìn)行了靜電技術(shù)的首次試驗(yàn)研究，隨后，美國(guó)的一些大學(xué)(如佐治亞大學(xué))相繼開展了靜電噴霧技術(shù)應(yīng)用研究。結(jié)果表明：利用靜電噴施粉劑農(nóng)藥，可以大幅提高藥粉的附著率和沉積量。歐美的部分國(guó)家，大幅度減少粉劑農(nóng)藥，靜電施藥技術(shù)應(yīng)用從粉劑逐漸轉(zhuǎn)化為液體農(nóng)藥的使用量，如英國(guó)、加拿大、美國(guó)等一些國(guó)家相繼展開了靜電噴施液體農(nóng)藥的相關(guān)試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：靜電噴霧對(duì)藥液沉降具有促進(jìn)作用，靜電作用不僅提高了藥液霧滴在靶標(biāo)背面的附著率，同時(shí)在一定程度上也抑制了小霧滴的飄移，有效提高了施藥效果。

早在20世紀(jì)60年代，靜電噴霧技術(shù)被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)航空領(lǐng)域。美國(guó)農(nóng)業(yè)部(USDA-ARS)Calton博士和Isler博士[20]研制設(shè)計(jì)出一種電動(dòng)旋轉(zhuǎn)式噴嘴，利用高壓充電環(huán)給霧滴荷電[21]，如圖4所示。航空噴灑試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，這種荷電方式可以給藥液霧滴荷上電荷；并且，使用雙極充電模式[22]給藥液霧滴充電，藥液霧化效果更好，霧滴在電場(chǎng)力作用下迅速沉降，對(duì)霧滴飄移起到了一定的抑制作用，提高了噴霧效果。

在開展靜電噴灑粉劑農(nóng)藥的研究基礎(chǔ)上，Calton建立了基于Cessna180型農(nóng)用飛機(jī)機(jī)身電容和飛行作業(yè)高度的函數(shù)[23]；此后，Calton和Bouse開展了靜電噴霧充電理論以及電場(chǎng)分布理論的相關(guān)研究，通過(guò)采樣機(jī)身周圍的電荷經(jīng)測(cè)量分析電場(chǎng)強(qiáng)度[24]。結(jié)果表明：根據(jù)集膚效應(yīng)原理，電荷容易集聚在機(jī)身表面產(chǎn)生電暈放電，飽和狀態(tài)后首先在翼尖處產(chǎn)生尖端放電，改變飛機(jī)飛行高度或者機(jī)體幾何形狀機(jī)身表面集聚的電荷分布隨之發(fā)生改變[25]。這些試驗(yàn)研究給后期開展靜電噴霧技術(shù)應(yīng)用在航空噴霧作業(yè)上提供了理論依據(jù)和研究基礎(chǔ)。

圖4 早期電動(dòng)旋轉(zhuǎn)式噴嘴[21]Fig.4 Early electrostatic rotary spray nozzle

20世紀(jì)80年代末，美國(guó)佐治亞大學(xué)的S．E．Law[26]等專家根據(jù)靜電噴施液體農(nóng)藥研究分析結(jié)果，成功研制了氣助式靜電噴霧系統(tǒng)(AA—ESS) 和靜電噴霧系統(tǒng)(ESS)。自20世紀(jì)90年代以來(lái),氣助式靜電噴霧系統(tǒng)(AA-ESS)[27]作為比較先進(jìn)的地面噴霧器械問(wèn)世，該系統(tǒng)采用電極嵌入式靜電感應(yīng)噴頭，噴頭使噴射霧滴通過(guò)噴嘴處的環(huán)形電極時(shí)產(chǎn)生電荷，帶電霧滴受壓縮氣體湍流的動(dòng)力作用以極高的速度運(yùn)輸?shù)街参锕隗w內(nèi)。其沉積密度提高2倍以上，大大提高了農(nóng)藥與植物病蟲害的接觸面積，增強(qiáng)防治效果約1.5～2倍，用藥量比液壓噴霧器節(jié)約50%以上。

為了達(dá)到更好的病蟲害防治效果，各國(guó)開始研究更先進(jìn)的靜電噴霧技術(shù)，相繼開始對(duì)靜電噴霧技術(shù)在農(nóng)業(yè)航空施藥上展開更深入的研究。

1966年，Carlton等研究人員開展航空靜電噴霧技術(shù)研究且在1999年Carlton獲得該系統(tǒng)專利[28]。該系統(tǒng)與地面不同之處是，每一相距30mm相連的2個(gè)噴嘴組成[29](見圖5)，飛機(jī)機(jī)身和支架上靜電場(chǎng)近似于零[30]，研究分析得到了充電電壓、噴霧壓力、霧滴平均直徑和施藥量等較佳的噴霧參數(shù)。2001年，Kirk、Carlton[31-33]等研究人員開展了系統(tǒng)在棉花上的田間應(yīng)用效果試驗(yàn)；2003年，Kirk[34]等開展了抗飄移性能試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：農(nóng)用飛機(jī)搭載航空靜電噴霧系統(tǒng)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，但對(duì)病蟲害防治效果和減少下風(fēng)處的噴霧飄移并沒(méi)有明顯的作用。

圖5 航空靜電噴頭Fig.5 Air electrostatic spray nozzle

噴嘴結(jié)構(gòu)是影響航空靜電噴霧藥液霧化效果和霧滴荷電大小重要的因素之一，不同類型的噴嘴直接影響霧滴的霧化效果[35]。各國(guó)相繼對(duì)靜電噴嘴做了相關(guān)方面的研究，其中液力霧化噴嘴和旋轉(zhuǎn)離心霧化噴嘴(見圖6) 為主要的兩大類型噴嘴模型。液力霧化噴嘴模型設(shè)計(jì)與地面施藥器械噴嘴的區(qū)別主要是由于飛機(jī)飛行速度較快、高速空氣流及安裝角度等各個(gè)方面的因素造成的。其中，可以隨意改變噴嘴孔徑大小的CP 噴嘴適應(yīng)各種噴霧，應(yīng)用較為廣泛。

圖6 航空施藥噴頭[35]Fig.6 Air spraying nozzle

早在1954年開始，Akesson、Bouse 、Hewitt、Picot[36]等對(duì)噴嘴霧滴譜的影響參數(shù)開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，因沒(méi)有統(tǒng)計(jì)出有效的數(shù)據(jù)而間斷。直到1990年，由幾十家美國(guó)企業(yè)組成的農(nóng)藥飄移研究小組(Spray drift task force，SDTF) 統(tǒng)計(jì)分析了近2 000個(gè)噴嘴產(chǎn)品的數(shù)據(jù)對(duì)噴嘴飄移[37]特性進(jìn)行了評(píng)估分析；幾年后，Hermansky、Hewitt[38]等分別建立了相應(yīng)的噴嘴模型。

目前，美國(guó)將其中的DSDAARS的DropKirk模型作為航空施藥作業(yè)條件選擇的重要依據(jù)[39]。該模型對(duì)航空靜電噴頭的研究設(shè)計(jì)提供了技術(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)化等相關(guān)問(wèn)題提供了理論依據(jù)，也為后期研究適用于植保無(wú)人機(jī)靜電噴霧的靜電噴頭提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

2.2 國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)航空靜電噴霧研究現(xiàn)狀

我國(guó)開展將靜電噴霧技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)藥噴施領(lǐng)域研究起步比較晚。20世紀(jì)70年代末，我國(guó)逐漸開始涉足該領(lǐng)域的技術(shù)研究，很多學(xué)者及專家主要針對(duì)地面噴藥器械研究了藥液霧滴粒徑、荷質(zhì)比的大小、靜電噴頭靜電霧化性能、霧滴沉降規(guī)律及分布密度特性等參數(shù)[40-42]，先后研制了手持式靜電噴霧器、手持電場(chǎng)擊碎式靜電噴霧器、高射程靜電噴霧器和風(fēng)動(dòng)轉(zhuǎn)籠式靜電噴霧機(jī)[43]。同時(shí)，針對(duì)多種靶標(biāo)農(nóng)作物，進(jìn)行了靜電噴霧器械噴霧性能和病草蟲害的防治效果試驗(yàn)驗(yàn)證和參數(shù)測(cè)定。

直到2011年，茹煜、周宏平等以固定翼Y5B農(nóng)用飛機(jī)為測(cè)試試驗(yàn)研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種航空靜電噴霧系統(tǒng)(見圖7)，主要包括航空靜電噴嘴、高壓直流電源及內(nèi)嵌式圓柱電極感應(yīng)荷電裝置等，具有促進(jìn)霧滴霧化均勻、荷電充分的作用。與Y5B農(nóng)用飛機(jī)配套試驗(yàn)，運(yùn)用該系統(tǒng)噴施滅蟲劑，進(jìn)行了靜電噴霧與非靜電噴霧條件下有效噴幅、霧滴沉積、霧滴飄移試驗(yàn)研究[44]。

(a) 航空靜電噴霧系統(tǒng)

(b) 雙極噴霧模式圖7 植保無(wú)人機(jī)靜電噴施系統(tǒng)[5]Fig.7 Electrostatic spraying system for plant protection UAV

試驗(yàn)結(jié)果表明：靜電噴霧能使霧滴沉積提高14個(gè)/cm2，有效噴幅高達(dá)42m。靜電作用可抑制霧滴漂移且霧滴分布均勻，且提高霧滴沉降分布效果，減少了環(huán)境污染，有效提高了農(nóng)藥利用率，而運(yùn)用航空噴霧技術(shù)可大大提高農(nóng)林病蟲害防治效率。航空靜電噴霧是以上兩種技術(shù)的結(jié)合，在防治農(nóng)林病蟲害的實(shí)際應(yīng)用上發(fā)揮更大的作用。2012年，他們繼續(xù)對(duì)航空靜電噴霧系統(tǒng)裝置做了改進(jìn)，并進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)效果進(jìn)行對(duì)比，但并未將其移植于植保無(wú)人機(jī)進(jìn)行藥液沉積試驗(yàn)，沒(méi)有研究該系統(tǒng)在無(wú)人機(jī)植保領(lǐng)域的適用性。

為了達(dá)到更有效的航空植保施藥效果，促進(jìn)航空施藥技術(shù)在國(guó)內(nèi)植保無(wú)人機(jī)上的應(yīng)用。2013年，周立新、薛新宇等對(duì)無(wú)人直升機(jī)農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)進(jìn)行了研究[45]。如圖8(a)所示：系統(tǒng)主要包括電動(dòng)離心噴頭、折疊式噴桿、藥箱、控制系統(tǒng)、液泵及機(jī)架等。藥液箱采用雙加液口、對(duì)稱式流線型結(jié)構(gòu)，可以有效減少空氣阻力，大幅度增加飛機(jī)飛行的穩(wěn)定性。如圖8(b)所示：施藥控制系統(tǒng)通過(guò)GNSS自動(dòng)化導(dǎo)航與智能控制等技術(shù)實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)精準(zhǔn)施藥，并監(jiān)控整個(gè)施藥過(guò)程，避免出現(xiàn)重噴、漏噴。開展了水稻病蟲害防治對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明：在水稻分蘗期，無(wú)人直升機(jī)農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)的防治效果相對(duì)常規(guī)擔(dān)架式噴霧機(jī)噴灑農(nóng)藥的防治效果占有優(yōu)勢(shì)，施藥10天后，防治效果最為顯著。無(wú)人直升機(jī)施藥技術(shù)將傳統(tǒng)常規(guī)施藥技術(shù)和無(wú)人直升機(jī)技術(shù)兩種技術(shù)相結(jié)合，既保留了傳統(tǒng)常規(guī)噴藥的優(yōu)點(diǎn)，也更好地改進(jìn)了常規(guī)噴藥的不足，大大提高了防治效率。無(wú)人機(jī)具有尺寸小、質(zhì)量輕、易操控、噴灑效果好、作業(yè)效率高及防治效果好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于中、小田塊的病蟲害防治或大田塊局部精準(zhǔn)施藥有著明顯的優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前航空施藥作業(yè)裝備與技術(shù)的研究及發(fā)展重點(diǎn)；受到技術(shù)水平、作業(yè)安全性及復(fù)雜環(huán)境等因素的制約。

1.電動(dòng)離心噴頭 2.折疊式噴桿 3.藥液箱 4.施藥控制系統(tǒng) 5.液泵 6.機(jī)架 7.無(wú)人直升機(jī) (a) 農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)

(b) GNSS導(dǎo)航定位系圖8 植保無(wú)人機(jī)農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)施藥控制系統(tǒng)原理Fig.8 Agricultural pesticide spraying spraying system of plant protection UAV control system principle

農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)裝載在無(wú)人直升機(jī)上，無(wú)人直升機(jī)的飛行穩(wěn)定性受到一定的影響，同時(shí)增加了無(wú)人直升機(jī)的操控復(fù)雜性。該研究針對(duì)無(wú)人直升機(jī)飛行特性與施藥特點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)出了無(wú)人直升機(jī)農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)，并進(jìn)行田間病蟲害防治。無(wú)人機(jī)農(nóng)藥噴施試驗(yàn)說(shuō)明了無(wú)人機(jī)運(yùn)用的廣泛性，無(wú)人機(jī)運(yùn)用于植保作業(yè)領(lǐng)域具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但仍然存在漂移損失、藥液霧滴在靶標(biāo)背面不易沉積等問(wèn)題，將航空靜電施藥技術(shù)運(yùn)用到無(wú)人機(jī)植保上具有廣闊的前景和應(yīng)用價(jià)值。

2014年，金蘭、茹煜等研究人員針對(duì)圓錐狀電極式航空靜電噴頭進(jìn)行了性能試驗(yàn)研究[46]，優(yōu)化改進(jìn)了航空靜電噴頭結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

(a) 原有航空靜電噴頭

(b) 改進(jìn)型航空靜電噴頭圖9 改進(jìn)前后航空靜電噴頭[46]Fig.9 Improved air electrostatic spray nozzle

利用激光粒度儀、法拉第筒和粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)(PIV)研究噴頭噴嘴直徑、噴霧壓力、荷電電壓參數(shù)對(duì)于靜電噴頭霧滴粒徑、荷質(zhì)比、荷電霧滴霧化流場(chǎng)的影響。研究分析得出：藥液霧滴粒徑主要影響因素包括噴嘴直徑、噴霧壓力和荷電電壓等參數(shù)，噴霧壓力對(duì)霧滴粒徑影響最為明顯；其次是噴嘴直徑；荷電電壓大小變化對(duì)霧滴粒徑影響較小，但可促進(jìn)霧滴間相互作用二次霧化。荷質(zhì)比隨電壓的增加而增加，最大可達(dá)到 2.09 mC/kg，并在電壓為 8kV 以后趨于飽和，荷質(zhì)比隨霧滴粒徑的變大呈下降趨勢(shì)，但是影響并不明顯。此次航空靜電噴頭的改進(jìn)研究，為提高航空靜電噴霧作業(yè)質(zhì)量和高效噴灑應(yīng)用提供有利依據(jù)，并給植保無(wú)人機(jī)靜電噴施系統(tǒng)的研究開發(fā)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

在此研究基礎(chǔ)上，茹煜等研究人員初步研究設(shè)計(jì)了無(wú)人機(jī)直升機(jī)航空靜電噴霧系統(tǒng)[47]，如圖10所示；試驗(yàn)驗(yàn)證了靜電噴霧技術(shù)在無(wú)人機(jī)上運(yùn)用的可行性，說(shuō)明了在靜電作用的條件下，霧滴霧化效果要比非靜電噴霧要好，相同藥量條件下靜電噴霧更能發(fā)揮藥液的效能。該試驗(yàn)沒(méi)有研究如靜電噴頭結(jié)構(gòu)、電壓大小及無(wú)人機(jī)飛行條件等參數(shù)對(duì)無(wú)人機(jī)噴霧效果的影響，無(wú)人機(jī)靜電噴霧仍需不斷深入研究。

農(nóng)業(yè)航空技術(shù)在農(nóng)林植保的應(yīng)用已納入科技部和農(nóng)業(yè)部在“十二五 ” 科研規(guī)劃重要支持方向[48]，航空靜電噴霧技術(shù)需在農(nóng)業(yè)航空施藥的基礎(chǔ)上展開更深入的研究。

在農(nóng)業(yè)航空靜電噴霧技術(shù)應(yīng)用廣泛性和適用性的研究基礎(chǔ)上，與部分發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)對(duì)航空靜電噴施基礎(chǔ)理論原理、藥液霧滴沉積特性、霧滴荷電原理、變量控制施藥及精準(zhǔn)施藥等方面仍存在不足，后期需展開大量的試驗(yàn)研究，為航空靜電噴霧技術(shù)在植保無(wú)人機(jī)的廣泛應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)保障。

1.機(jī)身 2.藥箱 3.起落架 4.噴頭 5.擺動(dòng)懸臂 6.電池 7.水泵 8.控制裝置 9.高壓靜電發(fā)生器圖10 植保無(wú)人機(jī)噴霧系統(tǒng)Fig.10 Plant protection UAV - based spraying system

3 存在的問(wèn)題與思考

3.1 荷質(zhì)比的實(shí)時(shí)測(cè)量方法

荷質(zhì)比作為衡量航空靜電噴霧系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)之一，是研究植保無(wú)人機(jī)靜電噴霧技術(shù)荷電特性與靜電噴霧下霧化效果的重要基礎(chǔ)，荷質(zhì)比是影響噴霧幅寬、霧滴粒徑、霧滴沉降速度及霧滴的沉積規(guī)律等重要參數(shù)之一。

法拉第筒測(cè)量法是目前帶靜電物體荷質(zhì)比測(cè)量的常用方法。但傳統(tǒng)的法拉第筒無(wú)法直接用于測(cè)量靜電噴霧霧滴的荷質(zhì)比，主要存在如下幾方面的問(wèn)題。

1)傳統(tǒng)的法拉第筒內(nèi)外筒之間不封閉，霧滴容易進(jìn)入內(nèi)外筒的間隙中，造成電荷損失，影響測(cè)量的準(zhǔn)確度。

2)傳統(tǒng)的法拉第筒缺少液體收集裝置，不便于進(jìn)行噴霧霧滴總質(zhì)量的確定，影響荷質(zhì)比的計(jì)算。

3)傳統(tǒng)的法拉第筒缺少電荷量采集及數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)，難以對(duì)噴霧霧滴荷質(zhì)比進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與分析。

3.2 荷電方式的優(yōu)化

前文提到的3種靜電荷電方式中，常規(guī)的人力背負(fù)式作業(yè)器械一般采取直接荷電(接觸式荷電)方式；但由于該荷電方式要求藥液具有很強(qiáng)的導(dǎo)電性，且要在液體和大地之間形成電場(chǎng)，而由于飛機(jī)的作業(yè)性質(zhì)及本身結(jié)構(gòu)及材料的特點(diǎn)決定了該方式難以在植保無(wú)人機(jī)上應(yīng)用。電暈荷電法需要較高的電壓，易對(duì)植保無(wú)人機(jī)的機(jī)上電子設(shè)備造成干擾。因此，相比之下，感應(yīng)荷電方式較適合在植保無(wú)人機(jī)上應(yīng)用。目前，感應(yīng)荷電方式要解決的關(guān)鍵問(wèn)題包括靜電發(fā)生器過(guò)重及霧滴荷電量不夠充足等；另外，由于噴頭結(jié)構(gòu)多樣，不同藥液劑型的粘度、電導(dǎo)率差異較大，霧滴譜也有較大差異。因此，不同噴頭條件下如何獲得最大荷電量，取得最佳噴霧效果，仍需開展大量試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化選擇和創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

3.3 航空專用靜電液劑

目前，市場(chǎng)上常用航空噴施制劑大部分為用于地面機(jī)械的可濕性粉劑和水懸浮劑，主要缺點(diǎn)是耗水量大；而植保無(wú)人機(jī)有效載荷量有限，既要保證藥液達(dá)到規(guī)定的施用量，又要保證作業(yè)效率，目前的解決方案是采用高濃度超低量噴霧方式，這就要求霧滴更細(xì)、沉積量更大。采用水溶劑方式進(jìn)行超低容量噴霧，存在霧滴粒徑小、揮發(fā)快、電導(dǎo)率較高、靜電荷電效果不理想等諸多瓶頸性問(wèn)題，亟需開發(fā)航空專用靜電液劑，在藥液用量更少的情況下，減少揮發(fā)、提高霧滴荷電量、增加沉積率，以及提高藥液霧滴在靶標(biāo)表面的分布均勻性，達(dá)到更好的防治作業(yè)效果。

3.4 高壓靜電發(fā)生系統(tǒng)的模型建立與電磁干擾消除

植保無(wú)人機(jī)搭載靜電噴霧系統(tǒng)進(jìn)行航空施藥時(shí)，高壓靜電對(duì)植保無(wú)人機(jī)上電子設(shè)備的干擾，進(jìn)而對(duì)飛機(jī)作業(yè)安全、穩(wěn)定性造成的影響是目前人們對(duì)植保無(wú)人機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用靜電噴施技術(shù)的主要擔(dān)憂之一，高壓靜電發(fā)生器產(chǎn)生的靜電高壓如果沒(méi)有做相應(yīng)的隔離保護(hù)有可能干擾飛控、GNSS接收器等相關(guān)器件，影響其信號(hào)接收的穩(wěn)定性。針對(duì)這些干擾問(wèn)題，可采用強(qiáng)弱電隔離、弱電保護(hù)及接地保護(hù)等措施解決；同時(shí)，需開發(fā)功耗小、性能穩(wěn)定的植保無(wú)人機(jī)靜電噴施系統(tǒng)，避免系統(tǒng)本身的不穩(wěn)定性問(wèn)題和安全性問(wèn)題的發(fā)生。

基于上述提到的關(guān)鍵性問(wèn)題，在航空靜電噴霧技術(shù)應(yīng)用在植保無(wú)人機(jī)噴藥作業(yè)的研究過(guò)程中，可應(yīng)用粒子成像測(cè)速技術(shù)(Particle Image Velocimetry， PIV)及激光多普勒測(cè)速技術(shù)(Laser Doppler Velocimetry，LDV)等相關(guān)技術(shù)[49]，針對(duì)靜電霧化、霧滴荷電理論，開展深入試驗(yàn)研究，逐步建立精確的數(shù)學(xué)模型[50]；研制耐壓值更高(5萬(wàn)V左右)、結(jié)構(gòu)性能更好的靜電霧化噴頭材料，改進(jìn)霧滴荷電方式，設(shè)計(jì)荷電性能優(yōu)良的航空靜電噴頭，提高噴頭荷電穩(wěn)定性、安全性和使用壽命；優(yōu)化改進(jìn)高壓靜電電場(chǎng)和霧化流場(chǎng)的模擬方法，設(shè)計(jì)完善施藥系統(tǒng)；優(yōu)化改進(jìn)高壓靜電發(fā)生器，設(shè)計(jì)強(qiáng)弱電隔離電路與模塊，避免高壓靜電對(duì)植保無(wú)人機(jī)飛行的影響；研制適用于植保無(wú)人機(jī)靜電噴霧的專用靜電藥劑，增強(qiáng)霧滴荷電性能，提高藥液霧滴靶標(biāo)附著率，降低環(huán)境污染。

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