無人機低空靜電噴霧效果研究

蔡彥倫，邱白晶，沈　偉

(1.江蘇大學 農業裝備工程學院，江蘇 鎮江　212013；2.飛瑞航空科技(江蘇)有限公司，江蘇 鎮江　212000)

0　引言

農用航空植保是一種高效優質、適用性廣、作業成本低且應對突發狀況能力強的植保方式。無人機噴霧作業靈活性好，不需要專用機場，比地面機械噴霧有更高施藥效率和機動性能。旋翼風可有效防止霧滴漂移，防治效果好，已在生產中廣泛應用。靜電噴霧的霧滴沉積更均勻、漂移少、穿透性強，并能使霧滴附著在植物葉片背面，和常規噴霧相比有顯著優勢。無人機噴霧結合靜電噴霧形成無人機靜電噴霧技術[1-3]。美國從20世紀90年代便研制了用于固定翼飛機與載人直升機的航空靜電噴霧裝置[4-6]。國內周宏平等于2007年研制了用于固定翼飛機的雙噴嘴靜電噴頭[7]，并于2011年進行了Y5B型固定翼農用飛機防治楊小舟蛾和草原蝗蟲等航空靜電噴霧試驗[8]。

無人直升機較固定翼飛機與載人直升機作業高度低，地形適應能力更強，引起了國內關注。2012年，張京等針對WPH642型無人駕駛直升機對比了不同高度、飛行速度下的霧滴沉積率[9]。2013年，薛新宇等探索了兩種藥劑在低量高濃度無人機施藥作業方式下對水稻品質的影響[10]。2014年，秦維彩等研究了不同作業高度和噴幅對玉米冠層霧滴沉積分布的影響[11]。

綜上所述，關于航空噴霧，美國在固定翼飛機與載人直升機上實現了靜電噴霧，國內在無人機噴霧方面進行了研究。本文以無人直升機為背景，考慮加載靜電對于飛行作業霧滴沉積的影響，設計了直接荷電方式的航空靜電噴霧裝置，并基于此裝置研究了噴霧沉積量隨霧滴高度和速度的變化，其研究結果可為低空靜電噴霧提供指導。

1　設計原理與裝置

1.1　靜電噴霧系統設計原理

現有的F-50型植保無人直升由鎮江飛瑞航空科技有限公司制造,噴霧系統主要包括12V直流電源、兩側藥箱、藥液管路、噴桿、普通噴頭和流量控制系統等部分。噴霧系統采用接觸式荷電，兩側分別采用獨立的霧化系統，原理如圖1所示。

兩個藥箱以旋翼主軸為對稱中心雙側放置，固定在起落架上方，每個藥箱容量為5L；無人機兩側藥箱液體回路互不流通，通過兩個直流隔膜泵分別為獨立的霧化系統提供藥液。藥液從藥箱經管路流至隔膜泵，兩個隔膜泵出流管路分別引出1個三通閥，1個出流口通過噴桿內管路接至噴頭，不與機身外部接觸；另一出流口用于接入高壓電極。高壓發生器低壓端接無人機自帶電源，高壓端一極引出電極置于三通閥中，另一極接在無人機起落架上。兩側系統接入三通閥電極的極性相反，一正一負；接在無人機上的導線也為一正一負，電荷中和，解決了無人機作業帶電問題。

1.直流電源　2.藥箱　3.高壓發生器　4.隔膜泵5.電極　6.噴頭　7.噴桿　8.藥液管路

1.2　靜電噴霧裝置

靜電噴霧裝置如圖2所示。

圖2　靜電噴霧系統安裝結果

1)高壓發生器選型和安裝。無人直升機平臺載荷有限，應盡量使用輕量化結構裝置。選擇合適的高壓發生器，12V直流輸入，輸出電壓20kV，長度112mm，功率小于4W，整體質量120g，輸出電壓調節范圍為4～20kV，安裝在F-50無人直升機的起落架兩側。

2)液壓泵的選型和安裝。由于采用接觸荷電方式，液壓泵內必須絕緣，因此采用普蘭迪PLD—1205型直流隔膜泵作為無人機靜電噴霧系統的壓力供給裝置。根據接觸式荷電結構原理，需在無人機上安裝兩個隔膜泵，大小規格相等，作業時流量相同。

3)三通閥和電極的安裝。電極一端接入三通閥內，周圍用聚氯乙烯材料固定，防止藥液泄漏，另一端用于連接高壓發生器的高壓端。為保證飛行作業時不產生漏電，通過絕緣高壓導線連接三通閥內電極和高壓發生器的高壓端，用于藥液荷電。高壓線的工作溫度為-40～+200°C，工作電壓小于30kV。

高壓電極直接和液體接觸，省去了靜電噴頭的使用，使系統可靠性提高。噴頭部分為塑料絕緣材料，管路為PVC絕緣材料，不會產生漏電。電極接入三通閥的部分用橡膠和聚氯乙烯封口，保證藥液無法泄露。采用絕緣材料的扇形噴嘴進行噴灑作業。

2　試驗與方法

2.1　試驗準備

1)試驗場地：在鎮江飛瑞航空(科技)有限公司的一塊空曠場地進行，由公司提供飛手和設備。

2)試驗裝置：靜電噴霧無人機，采樣紙(白紙)帶，胭脂紅溶液(5g/L)，風速風向儀。

3)試驗參數：荷電電壓20kV，噴頭間距500mm，噴霧流量540mL/min，飛行方向由北向南。

4)試驗環境參數：風速0.5m/s，環境溫度10℃，相對濕度36%。

5)噴頭安裝位置:噴頭型號T110-01，數量4個，在飛機兩側對稱等間距布置于噴桿上，相鄰噴頭間距分別為500、1 000、500mm；噴頭垂直向下噴霧，無人直升機靜電噴霧系統腹部不再安裝噴頭。噴頭安裝示意圖如圖3所示。

圖3　噴頭安裝示意圖

6)染色劑及藥液配置:由于飛行噴霧試驗在平地進行，噴霧液體采用添加了胭脂紅的水溶液，使得液滴在采樣用的白紙上留下明顯的霧滴印記。胭脂紅的濃度為5g/L，采用量筒和天平稱量后配置。F-50型無人機的滿載載荷為10L，飛行作業中兩側藥箱分別加入3L配置后的胭脂紅溶液。

7)采樣紙帶:選擇普通復印白紙作為采樣紙帶。通過剪裁和拼接，最終使白紙裁剪成尺寸為10cm×400cm的長條形紙帶。

8)環境監測裝置:飛行噴霧試驗需要對環境的風速、溫度及濕度等因素進行實時監測，本試驗采用的環境監測裝置包括風速儀和便攜式的氣象測定儀。

2.2　試驗過程

場地內設置試驗區域，區域內采樣紙卷直線鋪設于場地上用于收集霧滴，采樣紙帶長4m，按10cm長度分為40塊，取雙數用于采集霧滴，單數用重物壓住，以防紙卷被旋翼風吹走，布置3行，相鄰兩行之間間隔1m。紙帶布置方向為東西方向。采樣紙卷鋪設如圖4所示。

圖4　紙帶布置示意圖

按飛行高度1～3m，飛行速度2～4m/s的參數，進行9組試驗，在2m高度、3m/s飛行速度的試驗基礎上，增加1組非靜電噴霧試驗，用于對比靜電和非靜電噴霧效果之間的區別。

為了使結果不受噴霧系統開始噴灑與結束噴灑時產生的突變的影響，無人直升機從距離試驗區域20m處開始上升至作業高度后開始加速至預定速度，噴霧系統從無人直升機開始飛行時即開始噴灑；在離開試驗區域20m后，無人直升機減速降落，噴霧系統停止噴灑。試驗過程如圖5所示。

圖5　飛行噴霧試驗現場圖

每條采樣紙帶收集霧滴后，選擇雙數編號采樣塊20塊，在中心位置選擇1cm×1cm的區域，使用NIKON SMZ100體視顯微鏡拍攝照片后采用農業工程研究院編制的霧滴圖像處理軟件進行霧滴圖像的預處理和霧滴沉積狀態參數的統計。對于3條采樣紙帶上同一編號的采樣塊，取平均值作為霧滴覆蓋率結果。

3　試驗結果與分析

3.1　霧滴沉積效果指標

通過體視顯微鏡對紙卷上的采樣塊進行拍照，用圖像處理軟件進行圖像二值化處理，得出每個采樣塊上的霧滴覆蓋率。

3.2　靜電效果試驗結果與分析

收集采樣紙帶后，測得霧滴覆蓋率，分別計算出靜電和非靜電噴霧方式下的靜電噴霧沉積量指標(平均覆蓋率)和沉積均勻性指標(變異系數)的結果，采樣統計結果如表1所示。

表1　不同荷電方式下的沉積效果

從試驗結果可以看出：

1)覆蓋率方面。非靜電和靜電噴霧的平均覆蓋率基本相同，接觸式靜電噴霧的平均覆蓋率略少于無靜電噴霧。其原因可能是由于靜電噴霧細化了霧滴，使得噴霧沉積量減少。

2)均勻性方面。靜電噴霧的變異系數數值大于非靜電噴霧，說明靜電噴霧均勻性優于非靜電噴霧，附加靜電可以大大提高航空噴霧的噴灑均勻性。

3.3　飛行參數試驗結果與分析

圖6為不同飛行高度和速度下水平采樣紙上得出的噴霧覆蓋率。通過計算得出霧滴沉積的平均覆蓋率，并通過變異系數公式求出變異系數。表2和表3展示了數據處理后得出的平均覆蓋率和變異系數。

圖6　不同飛行參數霧滴覆蓋率

高度/m平均覆蓋率/%2m/s3m/s4m/s123.5018.505.70219.3513.932.77311.404.081.93

表3　噴霧試驗均勻性結果

通過F-50型無人機在1～3m高度、2～4m/s速度的飛行參數下進行噴霧試驗，由表2和表3中數據可以看出：

1)飛行高度對噴霧沉積量影響比較明顯：在高度一定時，速度越小，霧滴在噴幅內的平均覆蓋率越高；1m高度、2m/s速度的參數條件下，噴霧平均覆蓋率達到最大23.5%；在速度一定時，飛行高度越高，霧滴平均覆蓋率越低，2～4m/s速度時，3m高度的平均覆蓋率分別是1m高度時的48.5%、22.1%、33.9%；在3m高度4m/s速度的條件下，霧滴平均覆蓋率只有1.93%。對比仿真和試驗結果，兩者在噴霧沉積量的變化趨勢上是一致的。

2)變異系數方面：隨著速度上升，變異系數略有加大，說明速度上升，均勻性略下降，但不明顯；隨著高度的上升，變異系數總體呈下降趨勢，說明高度增加，噴霧均勻性有一定提高，但變異系數隨速度變化的趨勢并不明顯。在1m高度時，飛行速度越快，噴霧均勻性下降；在3m高度時，飛行速度越快，均勻性上升。這說明，均勻性并不直接隨速度變化，可能由于超低空噴霧時速度對飛行作業其他參數造成了影響。也就是說，飛行速度對噴霧均勻性并非直接影響因素。

4　結論

1)靜電噴霧沉積量和非靜電噴霧的沉積量基本相同，霧滴平均覆蓋率比例約為1:1.01；但靜電噴霧的沉積均勻性有了很大提升，靜電噴霧的變異系數僅為非靜電噴霧的50.4%。

2)通過F-50型無人機在1～3m高度、2～4m/s速度的飛行參數下進行噴霧試驗可知：在高度一定時，速度越小，霧滴在噴幅內的平均覆蓋率越高；1m高度、2m/s速度的參數條件下，噴霧平均覆蓋率達到最大23.5%；在速度一定時，飛行高度越高，霧滴平均覆蓋率越低，2～4m/s速度時，3m高度的平均覆蓋率分別是1m高度時的48.5%、22.1%、33.9%；在3m高度4m/s速度的條件下，霧滴平均覆蓋率只有1.93%。

3)在1～3m的低空噴霧作業中，噴霧均勻性隨飛行高度變化較大，增加飛行高度可以減小變異系數，提高霧滴分布均勻性；而飛行速度和噴霧均勻性關系不大，不同高度時噴霧均勻性和飛行速度的關系都不相同。