植保無人機旋翼對霧滴分布的影響試驗研究

董云哲， 李君興， 史云天， 于海濤， 楊文挺

(吉林省農業(yè)機械研究院，吉林長春 130022)

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植保無人機旋翼對霧滴分布的影響試驗研究

董云哲， 李君興*， 史云天， 于海濤， 楊文挺

(吉林省農業(yè)機械研究院，吉林長春 130022)

摘要[目的]探究植保無人機旋翼對霧滴分布的影響。[方法]將植保無人機機體分別固定在4種不同高度下，比較旋翼工作與旋翼不工作2種狀態(tài)下的霧滴分布情況。[結果]旋翼降低了霧滴沉積量，但霧滴分布更加寬泛，小型旋翼無人機作業(yè)高度在2.0 m處，霧滴沉積效果最佳。[結論] 該研究可為制定植保無人機操作規(guī)范提供參考。

關鍵詞無人機；旋翼；漂移

目前化學防治是防治農作物病、蟲、草及鼠害的主要方法，隨著我國城鎮(zhèn)化建設的發(fā)展，農村勞動力急劇減少，傳統(tǒng)人工植保作業(yè)已無法滿足農業(yè)現代化生產需求。植保無人機具有效率高、作業(yè)過程中不受地理因素及作物長勢的制約、旋翼產生的風場可使作物正反面均可著藥、無需專業(yè)起飛場地等諸多優(yōu)點[1]，現已成為植保機械領域的新熱點。目前全國有400余家企業(yè)或科研部門從事植保無人機的研究與生產工作。但由于植保無人機是新興產業(yè)，國內尚無統(tǒng)一的生產標準和操作規(guī)范。缺少大量植保無人機霧滴沉積有效利用率的數據是其標準和操作規(guī)程不能出臺的一個重要原因。霧滴分布是考核植保器械性能的重要指標，是制定植保器械標準和操作規(guī)范的重要依據，所以國內很多大學和科研院所對無人機噴灑性能及施藥效果進行了研究，并取得了許多進展，如張京等[2]研究了無人駕駛直升機航空噴霧參數對藥液霧滴沉積效果的影響；薛新宇等[3]進行了N-3型無人直升機不同作業(yè)高度和不同噴灑濃度的田間藥效試驗，探索了無人機施藥對稻飛虱和稻縱卷葉螟的防治效果；高圓圓等[4]應用Af-811小型無人機對不同霧化方式的噴頭、不同藥劑、不同助劑進了低空噴灑試驗，并對霧滴沉積分布狀況及防治效果進行了分析；邱白晶等[5]研究了無人直升機飛行高度與速度對噴霧沉積分布的影響；荀棟等[6]利用TH80-1 植保無人機和3WBD-16HBA電動噴霧器2種不同的施藥方式對早稻中后期稻飛虱、稻縱卷葉螟和紋枯病進行防治，并對試驗結果進行了分析和比較。這些研究均是在田間進行，更接近于實際作業(yè)情況，并且只是在特定的條件下進行的試驗。影響霧滴分布的因素在野外無法控制，風向、風速、溫度時刻發(fā)生變化會導致飛機姿態(tài)變化，因而獲得一個可重復準確數據相當困難。迄今為止，尚未見植保無人機旋翼對霧滴分布影響試驗的報道。鑒于此，筆者依據植物保護機械通用試驗方法設計了霧滴承接箱并進行無人機旋翼對霧滴分布的影響試驗，以期為制定植保無人機操作規(guī)范提供參考。

1材料與方法

1.1試驗材料植保無人機選用吉林省農業(yè)機械研究院研制的NJY1206八旋翼電動植保無人機，其藥箱容積為10 L，飛機軸距為1 206 mm，該無人機的藥泵壓力為0.2 MPa，采用斯普瑞噴霧系統(tǒng)有限公司的TP11001噴頭，噴頭間距為0.5 m。為了避免在工作過程中霧滴承接器的位置發(fā)生變化，設計了霧滴承接箱，霧滴承接箱中部設有支架，支架與霧滴承接器的配合為間隙配合，各個霧滴承接器間距為100 mm；其他輔助儀器還有電子天平(先行者OHOUS)、小型真空烘干箱(DZF-6210)、轉速計(AZ8008)；噴灑液為純凈水。

1.2試驗方法將NJY1206八旋翼電動植保無人機固定在桁架上，如圖1所示，將霧滴承接器放置在飛機正下方(霧滴承接器中心與飛機中心噴頭對齊)，調整飛機高度，使得噴頭距霧滴承接器的距離為1.0 m，待無人機藥箱中水噴完后，測量旋翼不工作霧滴承接器中積液盒中沉積液體的質量，測量完畢后，將縱向(噴桿平行方向)霧滴承接器中液體質量相加；將霧滴承接器擦凈后，放入烘干箱中烘干以備再次使用；再將無人機藥箱加10 kg水，遙控器發(fā)出指令，旋翼開始工作，當旋翼轉速為7 000 r/min時，開始噴灑，噴灑完畢后，測量霧滴承接器中液體的質量，測量完畢后，將縱向霧滴承接器中液體質量相加。再將飛機高度分別調至1.5、2.0、2.5 m，按照上述方法再分別進行測量。為保證測試結果的可重復性，每次測試需使用滿電電池。試驗時，實驗室溫度為12～15 ℃。

圖1　試驗現場Fig.1　Testing site

2結果與分析

令無人機旋翼處于靜止狀態(tài)，分別測量不同高度霧滴沉積量分布，結果顯示：1.0 m高度沉積總量為784.10 g，1.5 m高度沉積總量為742.35 g，2.0 m沉積總量為683.17 g，2.5 m高度沉積總量為675.01 g，沉積量波峰出現在無人機橫滾位置為0.6～0.7 m處，其沉積量分布如圖2所示。令無人機旋翼處于7 000 r/min旋轉狀態(tài)，再分別測量不同高度霧滴沉積量分布，結果顯示：1.0 m高度沉積總量為387.96 g，1.5 m高度沉積總量為350.43 g，2.0 m高度沉積總量為398.46 g，2.5 m高度沉積總量為378.80 g，沉積量波峰出現在無人機橫滾位置為0.6～0.7 m處，其沉積量分布如圖3所示。

在旋翼靜止噴灑時，隨著高度升高，沉積量呈下降趨勢。其主要原因是，噴頭噴出的小霧滴在飛行過程中，由于空氣阻力小霧滴動能很快消失，其懸浮在空氣中直至消亡。這也驗證了宋吉林等[7]在噴霧機霧滴大小和飛行時間的研究中關于小霧滴動能快速消失的論斷。扇形噴頭噴霧分布流量是中間高兩邊低的峰狀結構[8]，所以沉積量波峰出現在無人機橫滾位置為0.6～0.7 m處。

圖2　旋翼靜止時霧滴沉積分布Fig.2　Droplets deposition when rotor does not work

旋翼工作時的沉積總量相比于旋翼靜止時的沉積總量

顯著下降，其主要原因是沉積總量受旋翼風場的影響。多旋翼風場較為復雜，旋翼正下方的風向是向下的，而旋翼其他位置的風向不定，有的風向是斜向下，有的風向甚至是向上的(如多旋翼飛機中心的風)。部分霧滴尤其是小霧滴隨向上的風或其他方向的風而漂移，故而造成大量霧滴漂移。沉積量波峰依然出現在無人機橫滾位置為0.6～0.7 m處，與靜態(tài)波峰出現位置相同。此外，無人機風場產生的地面效應使得旋翼工作時霧滴分布相比于旋翼不工作時霧滴分布更為寬泛。

圖3　旋翼工作時霧滴沉積分布Fig.3 　Droplets deposition when rotor works

3結論

該試驗結果表明：霧滴沉積量受旋翼影響較大，該機型旋翼降低了霧滴沉積量；在室內，植保無人機懸停高度為2.0 m時，霧滴沉積量最大；旋翼使得植保無人機的霧滴分布更為寬泛。

參考文獻

[1] 吳小偉,茹煜,周宏平.無人機噴灑技術的研究[J].農機化研究,2010(7):224-228.

[2] 張京，何雄奎，宋堅利，等．無人駕駛直升機航空噴霧參數對霧滴沉積的影響[J].農業(yè)機械學報，2012,43(12):94-96.

[3] 薛新宇，秦維彩，孫竹，等．N-3型無人直升機施藥方式對稻飛虱和稻縱卷葉螟防治效果的影響[J]．植物保護學報，2013，40(3)：273-278．

[4] 高圓圓，張玉濤，趙酉成，等.小型無人機低空噴灑在玉米田的霧滴沉積分布及對玉米螟的防治效果初探[J].植物保護，2013,39(2)：152-157.

[5] 邱白晶，王立偉，蔡東林，等．無人直升機飛行高度與速度對噴霧沉積分布的影響[J].農業(yè)機械學報，2013,29(24):25-31.

[6] 荀棟，張兢，何可佳，等.TH80-1 植保無人機施藥對水稻主要病蟲害的防治效果研究[J].湖南農業(yè)科學，2015(8)：39-42.

[7] 宋吉林，祁力鈞，孫小華，等．噴霧機霧滴大小和飛行時間的研究[J].農業(yè)機械學報，2007,38(7)：54-57.

[8] 宋堅利，劉亞佳，張京，等.扇形霧噴頭霧滴飄失機理[J].農業(yè)工程學報，2011,46(6)：63-69.

基金項目吉林省財政廳行業(yè)科研專項(2015102206)。

作者簡介董云哲(1975- )，男，吉林長春人，高級工程師，從事農業(yè)植保機械研究。*通訊作者，正高級工程師,從事精準植保機械研究。

收稿日期2016-04-18

中圖分類號S 252+.3

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)13-297-02

Experimental Study on Effects of Plant Protection UAV Rotor on Droplets Distribution

DONG Yun-zhe, LI Jun-xing*, SHI Yun-tian et al

(Jilin Academy of Agricultural Machinery, Changchun, Jilin 130022)

Abstract[Objective] The aim was to explore effects of plant protection UAV rotor on droplets distribution.[Method] Plant protection UAV was fixed in 4 different heights, droplets distribution when rotor works and does not work were compared.[Result] Rotor reduced the droplet deposition, but the droplet distribution was more extensive.When operation height of small rotor UAV was at 2.0 m, droplet deposition effect was the best.[Conclusion] The study can provide reference for formulating operation standards of plant protection UAV.

Key wordsUnmanned aerial vehicle(UAV); Rotor; Drift