槳盤載荷對植保無人機構型的影響

摘 要：本文對目前植保無人機的現狀進行了簡介，從槳盤載荷出發，分析現有植保無人機槳盤載荷對植保作業的效果影響。在此基礎上總結出槳盤載荷對植保無人機總體構型的影響，結合實驗分析出適合我國國情的植保無人機構型。

關鍵詞：槳盤載荷；植保作業；無人機

中圖分類號：V19 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20180333067

隨著科技進步，無人機植保在我國迅速發展。旋翼氣流對藥劑施加作用力并附著到農作物，飛行流場是影響作業效果的關鍵。而旋翼槳盤載荷是影響流場的關鍵。

1 植保無人機總體構型現狀

植保無人機包括飛行平臺與噴灑系統。飛行平臺分為直升機、電動多旋翼、油動多旋翼。

噴灑系統有：離心噴頭，藥液徑向甩出后旋翼風場為霧滴霧化。壓力噴頭，農藥加壓后依靠噴頭結構將霧化。離心噴頭霧化效果較差，噴幅較大，主要用于直升機；壓力噴頭霧化效果較好，噴幅較小，主要用于多旋翼。

2 槳盤載荷對植保效果的影響

設起飛重量為G，槳盤拉力為T：

M為單位時間內流過滑流某截面A的空氣質量，為滑流增速。設M所經過的截面A的半徑為R，則：

故同一旋翼的P越大，滑流增速越大。

拉力相同的2個旋翼，若令同一截面位置A的滑流增速分別為，截面大小分別為和，由質量守恒定律：

因為：

故：

同拉力時，P越大，直徑越小，滑流增速越大 。合適的P能將藥液霧化擴散，擴大噴幅。P過小，噴幅小，折返次數增加，作業效率低；P過大，滑流速度高，溶劑提前揮發，甚至將作物莖稈吹斷。直升機P值可控制在100之下；電動多旋翼的旋翼尺寸小，P值普遍高于直升機，滑流快，霧化時間短。油動直驅多旋翼能解決續航和載重問題，但P值達450以上，要在8m高度飛行，才不會導致作物倒伏。此高度無法準確噴灑，農藥揮發嚴重。

3 槳盤載荷影響下我國植保無人機構型的發展趨勢

國內發動機落后限制了直升機發展。作業667m2，日本政府補貼折合人民幣100元左右，容易收回成本。國內無人機植保補貼10～20元/667m2，服務商沒有能力負擔直升機成本。我國的植保無人機需要較低成本和與R-max接近的P值。

下面提出適合我國國情的植保無人機構型。為防止P值超高，需使用大尺寸螺旋槳。為控制成本，采用多旋翼構型。電機難以對大尺寸旋翼迅速控制，要引入新的控制方法。通過改變旋翼迎角，能精確控制大尺寸旋翼的升力，4個旋翼可使用1臺內燃機驅動同速旋轉，相比電動多旋翼，可避免P值過大；成本低于直升機；載重、續航強于電動多旋翼，燃油成本低于電池損耗。

4 變槳距四旋翼構型的效果實驗

經估算，成本為2架載荷10kg的電動多旋翼時，變槳距四旋翼載荷達21.5kg，槳盤載荷85。實現了依靠電動多旋翼的成本達到R-max 70%的載重量。

搭建1臺油動變槳距四旋翼，與電動多旋翼進行噴幅和霧化對比。變槳距四旋翼起飛重量28.5kg，P值88.9。電動四旋翼起飛重量28.5kg，P值148。

4.1 噴幅實驗

皆使用壓力噴頭，地面布置水敏測試卡記錄噴幅。2m高度多次試驗，電動多旋翼噴幅約6.5m。變槳距四旋翼噴幅約7.2m。

4.2 霧化效果實驗

皆使用離心噴頭。懸停高度2m。圖1為電動四旋翼的霧化效果，最外端噴頭沒有得到氣流霧化；圖2為變槳距四旋翼的霧化效果。液滴直徑明顯小于電動四旋翼。

5 結語

無人機植保效果與槳盤載荷具有很大關系。我國植保無人機槳盤載荷普遍過大。實驗證明，變槳距四旋翼對藥滴的霧化和擴散效果強于同起飛重量的電動四旋翼。合理的槳盤載荷對作業效果至關重要；在我國無人直升機技術落后的背景下，變槳距四旋翼構型是達到合適槳盤載荷較為可行的發展趨勢。

參考文獻

[1]張呈林，郭才根.直升機總體設計[M].北京：國防工業出版社，2006.

作者簡介：徐志雄，男，天津人，研究方向：航空工程專業。