無人植保機霧化顆粒大小對噴灑效果的影響

劉小康

（山西省農業機械發展中心，山西 太原 030002）

近年來，無人植保機成為植保行業的寵兒，被廣泛應用。無人植保機的飛行作業性能，以及噴灑系統對液體藥物的霧化效果，成為其精準、高效作業的保障。經過作業實踐和研究，無人機植保作業噴灑效果的好壞與霧化顆粒直徑的大小密切相關。當藥液霧化顆粒直徑大小、分布與標的作物葉面物理特性相適應，才能確保農藥霧滴小顆粒能黏附在作物葉片表面，不在葉面滑動或滾動，匯集成更大的液滴，在外力因素的作用下從葉片表面滑落。因此，適當的霧滴直徑能讓藥滴更好、更持久地停留于作物葉面上，達到最優植保效果。

1 發展現狀

1.1 傳統施藥技術弊端

山西省傳統施藥方式主要采用人力背負藥箱，人工手執噴霧桿作業，主要應用于玉米、小麥、蔬菜、果樹等作物作業。在大部分作業區域，農民習慣采用低濃度農藥配比，大水漫灌式噴灑作業，對作物枝干、葉面都進行了大面積噴灑。這種作業方式弊端明顯，一是傳統噴灑作業方法，由于噴霧噴頭出水量大，作業過程中大部分藥液沒有接觸標的作物而進入地面土壤，導致土壤被農藥污染；二是傳統制式噴頭霧化能力和效果有限，出水量較大，霧化顆粒較大，在霧化藥液到達作物葉面后，直徑大一點的藥滴會直接從作物莖葉表面滑落，進入土壤，部分中等大小霧滴會在葉面上滑動，和其他霧滴相匯，形成較大的霧滴顆粒，在外力作用下，同樣從作物莖葉表面滑落，無法在葉面表面形成一定時間的有效附著和停留，導致藥效達不到預期，造成植保效果低下。

1.2 無人機植保技術急需解決的問題

農用無人植保機的出現以及噴霧器技術的改良，為農業植保行業注入一針強心劑。隨著無人機植保技術的發展，無人植保機在操控性、載藥量、續航里程、自主作業等方面有了巨大的提升。但是，噴施作業環節在人為控制下作業較為隨意，導致了效果、效益不理想，農藥資源浪費和環境污染。

無人機植保技術的發展雖然在農業植保環節取得了一定的成效，但是還未到理想狀態，如何更好地實現精準化、精細化作業，確保農藥有效到達且作用于標的作物，達到省工節藥、高質高效、綠色安全的標準，是目前急需解決的植保行業的共性問題。

技術人員需要在作業實踐中深入研究各種作物的葉面特性，采集作物葉面光滑度相關數據，分析作物葉面特性和霧滴直徑、霧滴沉降、霧滴分布之間的關系，得出最優流量和霧化直徑數據。在作業過程中，操控手通過控制無人植保機噴灑流量和霧滴粒徑大小，實現藥液在作物表面達到最佳沉降效果，具體為：霧滴在作物葉面表面均勻分布，達到50 個/cm2以上，葉片在外力作用下擺動時，霧滴不會產生滑動或者小霧滴匯聚成大霧滴而從葉片表面滑落的情況。能確保藥滴在葉面表面停留更長時間，實現最佳防治效果，提高農藥利用率，并減少環境污染。

2 影響植保無人機噴灑效果的因素分析

2.1 標的作物葉面特性與噴灑效果的關系

在植保機作業過程中，標的作物的葉面特性與噴灑效果關系密切，見圖2。藥液的霧化顆粒在標的作物表面的沉降效果和黏附效果與作物葉面的摩擦系數密切相關，摩擦系數的大小取決于作物葉面相對粗糙程度。也就是說，如果標的作物葉片表面光滑，摩擦系數較小，噴灑霧滴在葉面的附著力會降低，導致霧滴在葉面的存留黏附能力較弱，反之亦然。因此，標的作物葉面的摩擦系數成為影響噴灑效果的重要因素。

經分析，藥液霧滴在標的作物葉片表面沉降、黏附過程中，與葉面相互作用，在此過程中受到葉面摩擦力作用，當霧滴受到葉片表面的摩擦力大于等于霧滴下滑力時霧滴會停留在葉片表面，形成良好的作業效果。作物葉面的霧滴摩擦力計算公式為：

式中：f——作物葉面霧滴受到的靜摩擦力；μ——作物葉面靜摩擦系數；F——霧滴受到的外力。

藥液霧化后形成的霧滴顆粒在作物葉面受到摩擦力變化情況，霧滴顆粒受到的外力F越大，摩擦力f越大，當霧滴顆粒將要滑動時摩擦力f達到最大值，見圖1。

圖1 霧滴顆粒摩擦力變化圖Fig.1 The change of droplet particle friction

2.2 霧滴粒徑大小與噴灑效果的關系

噴霧效果與霧滴粒徑大小密切相關。霧滴粒徑是農藥噴霧技術中相對容易控制的重要參數，也是直接影響植保無人機的噴霧質量及作業效果的關鍵因素之一。根據標的作物的葉面特性合理地控制霧滴粒徑大小，使用最少的藥量取得最好的防治效果，是減少環境污染的關鍵所在。

藥液在噴施過程中，粒徑較大的霧滴易沉降，不易隨風飄移或蒸發散失，但分布不均勻、附著能力差，容易落在葉面上時受力彈跳、滾落而造成藥液流失，大大降低了農藥的防治效果，也污染了水土環境。

與粒徑較大的藥滴相比，粒徑較小的藥滴在無人機槳葉下旋氣流的作用下絕大部分會垂直沉降，能在作物葉面均勻沉降，且黏附能力較強。一方面細小霧滴在作物葉片表面的覆蓋密度和覆蓋均勻度均優于大霧滴；另一方面細小霧滴與葉面有更好的匹配能力，在葉面摩擦力的作用下，能更好地附著在葉片表面，不易流失，形成更好的藥效。

圖2 霧滴直徑大小與農藥防治效果關系圖Fig.2 The relationship between droplet diameter and pesticide control effect

2.3 藥液噴量與噴灑效果的關系

在無人機植保作業過程中，藥液噴量、流速也是影響作業效果的重要因素。霧滴粒徑、霧滴覆蓋密度與噴液量有著密切的關系。當藥液噴量、流速增加時，隨著霧滴粒徑的縮小，霧滴數量將按照呈幾何級倍數增加，霧滴數量的增加，會導致單位面積范圍內的霧滴顆粒數量增加，藥滴在沉降過程中擊中標的作物莖葉的概率也會顯著增加，覆蓋會更加均勻，藥效更好。

3 霧滴粒徑大小的控制問題

在藥液霧化過程中，噴頭是關鍵和核心部件，目前市面上主要有2 種無人機作業噴頭，根據作業原理分為壓力噴頭和離心噴頭。根據表1 可知，2 種噴頭相比較而言離心噴頭藥液霧化更均勻，霧化效果更好，霧滴直徑相差較小，通過調整離心電機的轉速可以較為精確地控制藥液霧滴直徑的大小，能根據作物特性、藥液特性及作業時氣象條件作出調整，更加適合于精準施藥作業。

表1 霧化噴頭性能比較Tab.1 The performance comparison of atomizing nozzles

4 結論

4.1 霧滴最優粒徑能達到最佳防治效果

要達到最優植保效果，最好的解決方案就是結合作物的葉片分布、葉面以及藥液、有害生物特性，通過試驗找到最適合該種作物的藥液霧化粒徑。由于不同粒徑的霧滴沉降濃度和范圍不同，需要在各種直徑的霧滴中找到一個合適的平衡點，確保標的作物葉面獲得飽和數量的藥滴的同時，確保該直徑大小的霧滴在標的作物葉片表面能較為穩定停留，才能達到最好的植保效果。

4.2 結合作物、農藥、病蟲害特性，精準控制噴灑流量和藥滴粒徑，才能達到最優效益

霧滴的最優粒徑還受到多方面因素的影響，對于不同病害，不同農藥、不同作物、不同藥液濃度、害蟲的不同時期，農藥的最優噴霧粒徑都會有所不同。實現對噴灑流量和霧滴粒徑的雙精準控制，針對不同病害和作物，實施“對癥下藥”，才能達到植保效益的最大化。因此，現實作業需求也對無人植保機精準控制霧滴粒徑大小、變量調節提出了新的技術要求。

5 精細化施藥技術展望

近年來，隨著綠色植保、精準農業、食品安全等觀念深入人心，其發展需求也會越來越大。需要技術人員深入研究精細化施藥技術相關的航空施藥基礎理論、低空噴灑沉降規律、航空變量施藥技術等，形成技術理論體系指導植保作業實踐，在實踐中改良精細化施藥技術體系，才能從根本上解決相關問題，達到綠色安全、精準高效的要求。

5.1 加強無人植保機霧化系統的研發

無人植保機要實現微量、精準、高效噴施，必須深入研究作物葉面特性與無人機霧化顆粒直徑、霧化顆沉降移規律、霧化控制等多方面的研究和試驗，對其霧化功能部件進行優化與升級。目前市面上的噴嘴多存在霧滴徑譜寬、飄移量大、霧化效果控制不理想等缺陷，以后的技術研發和改良，需從噴灑系統核心部件的研發設計上加大研究力度。重點開展藥液的霧化粒徑控制與監測、霧滴飄移監測、霧滴沉降分布與評估、霧滴圖像處理系統等傳感器的開發與使用。與此同時，應針對無人植保機機旋翼風場測試、霧滴飄移預測模型等開展系統的測試試驗，開發航空施藥霧滴分布指標的檢測裝置及系統，獲得霧滴分布指標，降低霧滴分布指標的測量誤差，用于提高霧滴沉積分布監測的效率。結合藥液霧化部和無人植保機旋翼風場特性，形成藥液沉降分布、精準噴施理論和技術體系，更好地實現綠色安全、微量高效的要求。

5.2 制定作物的無人機植保霧化技術標準體系

每種作物的莖葉特性都不盡相同，在無人機植保作業過程中的相關技術要求也都不同。要加強作物葉片分布規律、葉面特性與無人機霧化粒徑、霧化顆沉降移規律等方面的研究，重點對種植面積大、產量高的主要農作物開展相關的技術體系研究，制定針對性強的無人機植保作業技術要求和標準。詳細規定無人機作業過程中對噴量流速、霧化霧滴粒徑、霧滴沉降效果要求等作詳盡的技術要求，從而更好地指導無人植保機開展作業，實現植保環節的綠色安全、精準高效的總體要求。