无人机低空静电喷雾效果研究

蔡彦伦，邱白晶，沈　伟

(1.江苏大学 农业装备工程学院，江苏 镇江　212013；2.飞瑞航空科技(江苏)有限公司，江苏 镇江　212000)

0　引言

农用航空植保是一种高效优质、适用性广、作业成本低且应对突发状况能力强的植保方式。无人机喷雾作业灵活性好，不需要专用机场，比地面机械喷雾有更高施药效率和机动性能。旋翼风可有效防止雾滴漂移，防治效果好，已在生产中广泛应用。静电喷雾的雾滴沉积更均匀、漂移少、穿透性强，并能使雾滴附着在植物叶片背面，和常规喷雾相比有显著优势。无人机喷雾结合静电喷雾形成无人机静电喷雾技术[1-3]。美国从20世纪90年代便研制了用于固定翼飞机与载人直升机的航空静电喷雾装置[4-6]。国内周宏平等于2007年研制了用于固定翼飞机的双喷嘴静电喷头[7]，并于2011年进行了Y5B型固定翼农用飞机防治杨小舟蛾和草原蝗虫等航空静电喷雾试验[8]。

无人直升机较固定翼飞机与载人直升机作业高度低，地形适应能力更强，引起了国内关注。2012年，张京等针对WPH642型无人驾驶直升机对比了不同高度、飞行速度下的雾滴沉积率[9]。2013年，薛新宇等探索了两种药剂在低量高浓度无人机施药作业方式下对水稻品质的影响[10]。2014年，秦维彩等研究了不同作业高度和喷幅对玉米冠层雾滴沉积分布的影响[11]。

综上所述，关于航空喷雾，美国在固定翼飞机与载人直升机上实现了静电喷雾，国内在无人机喷雾方面进行了研究。本文以无人直升机为背景，考虑加载静电对于飞行作业雾滴沉积的影响，设计了直接荷电方式的航空静电喷雾装置，并基于此装置研究了喷雾沉积量随雾滴高度和速度的变化，其研究结果可为低空静电喷雾提供指导。

1　设计原理与装置

1.1　静电喷雾系统设计原理

现有的F-50型植保无人直升由镇江飞瑞航空科技有限公司制造,喷雾系统主要包括12V直流电源、两侧药箱、药液管路、喷杆、普通喷头和流量控制系统等部分。喷雾系统采用接触式荷电，两侧分别采用独立的雾化系统，原理如图1所示。

两个药箱以旋翼主轴为对称中心双侧放置，固定在起落架上方，每个药箱容量为5L；无人机两侧药箱液体回路互不流通，通过两个直流隔膜泵分别为独立的雾化系统提供药液。药液从药箱经管路流至隔膜泵，两个隔膜泵出流管路分别引出1个三通阀，1个出流口通过喷杆内管路接至喷头，不与机身外部接触；另一出流口用于接入高压电极。高压发生器低压端接无人机自带电源，高压端一极引出电极置于三通阀中，另一极接在无人机起落架上。两侧系统接入三通阀电极的极性相反，一正一负；接在无人机上的导线也为一正一负，电荷中和，解决了无人机作业带电问题。

1.直流电源　2.药箱　3.高压发生器　4.隔膜泵5.电极　6.喷头　7.喷杆　8.药液管路

1.2　静电喷雾装置

静电喷雾装置如图2所示。

图2　静电喷雾系统安装结果

1)高压发生器选型和安装。无人直升机平台载荷有限，应尽量使用轻量化结构装置。选择合适的高压发生器，12V直流输入，输出电压20kV，长度112mm，功率小于4W，整体质量120g，输出电压调节范围为4～20kV，安装在F-50无人直升机的起落架两侧。

2)液压泵的选型和安装。由于采用接触荷电方式，液压泵内必须绝缘，因此采用普兰迪PLD—1205型直流隔膜泵作为无人机静电喷雾系统的压力供给装置。根据接触式荷电结构原理，需在无人机上安装两个隔膜泵，大小规格相等，作业时流量相同。

3)三通阀和电极的安装。电极一端接入三通阀内，周围用聚氯乙烯材料固定，防止药液泄漏，另一端用于连接高压发生器的高压端。为保证飞行作业时不产生漏电，通过绝缘高压导线连接三通阀内电极和高压发生器的高压端，用于药液荷电。高压线的工作温度为-40～+200°C，工作电压小于30kV。

高压电极直接和液体接触，省去了静电喷头的使用，使系统可靠性提高。喷头部分为塑料绝缘材料，管路为PVC绝缘材料，不会产生漏电。电极接入三通阀的部分用橡胶和聚氯乙烯封口，保证药液无法泄露。采用绝缘材料的扇形喷嘴进行喷洒作业。

2　试验与方法

2.1　试验准备

1)试验场地：在镇江飞瑞航空(科技)有限公司的一块空旷场地进行，由公司提供飞手和设备。

2)试验装置：静电喷雾无人机，采样纸(白纸)带，胭脂红溶液(5g/L)，风速风向仪。

3)试验参数：荷电电压20kV，喷头间距500mm，喷雾流量540mL/min，飞行方向由北向南。

4)试验环境参数：风速0.5m/s，环境温度10℃，相对湿度36%。

5)喷头安装位置:喷头型号T110-01，数量4个，在飞机两侧对称等间距布置于喷杆上，相邻喷头间距分别为500、1 000、500mm；喷头垂直向下喷雾，无人直升机静电喷雾系统腹部不再安装喷头。喷头安装示意图如图3所示。

图3　喷头安装示意图

6)染色剂及药液配置:由于飞行喷雾试验在平地进行，喷雾液体采用添加了胭脂红的水溶液，使得液滴在采样用的白纸上留下明显的雾滴印记。胭脂红的浓度为5g/L，采用量筒和天平称量后配置。F-50型无人机的满载载荷为10L，飞行作业中两侧药箱分别加入3L配置后的胭脂红溶液。

7)采样纸带:选择普通复印白纸作为采样纸带。通过剪裁和拼接，最终使白纸裁剪成尺寸为10cm×400cm的长条形纸带。

8)环境监测装置:飞行喷雾试验需要对环境的风速、温度及湿度等因素进行实时监测，本试验采用的环境监测装置包括风速仪和便携式的气象测定仪。

2.2　试验过程

场地内设置试验区域，区域内采样纸卷直线铺设于场地上用于收集雾滴，采样纸带长4m，按10cm长度分为40块，取双数用于采集雾滴，单数用重物压住，以防纸卷被旋翼风吹走，布置3行，相邻两行之间间隔1m。纸带布置方向为东西方向。采样纸卷铺设如图4所示。

图4　纸带布置示意图

按飞行高度1～3m，飞行速度2～4m/s的参数，进行9组试验，在2m高度、3m/s飞行速度的试验基础上，增加1组非静电喷雾试验，用于对比静电和非静电喷雾效果之间的区别。

为了使结果不受喷雾系统开始喷洒与结束喷洒时产生的突变的影响，无人直升机从距离试验区域20m处开始上升至作业高度后开始加速至预定速度，喷雾系统从无人直升机开始飞行时即开始喷洒；在离开试验区域20m后，无人直升机减速降落，喷雾系统停止喷洒。试验过程如图5所示。

图5　飞行喷雾试验现场图

每条采样纸带收集雾滴后，选择双数编号采样块20块，在中心位置选择1cm×1cm的区域，使用NIKON SMZ100体视显微镜拍摄照片后采用农业工程研究院编制的雾滴图像处理软件进行雾滴图像的预处理和雾滴沉积状态参数的统计。对于3条采样纸带上同一编号的采样块，取平均值作为雾滴覆盖率结果。

3　试验结果与分析

3.1　雾滴沉积效果指标

通过体视显微镜对纸卷上的采样块进行拍照，用图像处理软件进行图像二值化处理，得出每个采样块上的雾滴覆盖率。

3.2　静电效果试验结果与分析

收集采样纸带后，测得雾滴覆盖率，分别计算出静电和非静电喷雾方式下的静电喷雾沉积量指标(平均覆盖率)和沉积均匀性指标(变异系数)的结果，采样统计结果如表1所示。

表1　不同荷电方式下的沉积效果

从试验结果可以看出：

1)覆盖率方面。非静电和静电喷雾的平均覆盖率基本相同，接触式静电喷雾的平均覆盖率略少于无静电喷雾。其原因可能是由于静电喷雾细化了雾滴，使得喷雾沉积量减少。

2)均匀性方面。静电喷雾的变异系数数值大于非静电喷雾，说明静电喷雾均匀性优于非静电喷雾，附加静电可以大大提高航空喷雾的喷洒均匀性。

3.3　飞行参数试验结果与分析

图6为不同飞行高度和速度下水平采样纸上得出的喷雾覆盖率。通过计算得出雾滴沉积的平均覆盖率，并通过变异系数公式求出变异系数。表2和表3展示了数据处理后得出的平均覆盖率和变异系数。

图6　不同飞行参数雾滴覆盖率

高度/m平均覆盖率/%2m/s3m/s4m/s123.5018.505.70219.3513.932.77311.404.081.93

表3　喷雾试验均匀性结果

通过F-50型无人机在1～3m高度、2～4m/s速度的飞行参数下进行喷雾试验，由表2和表3中数据可以看出：

1)飞行高度对喷雾沉积量影响比较明显：在高度一定时，速度越小，雾滴在喷幅内的平均覆盖率越高；1m高度、2m/s速度的参数条件下，喷雾平均覆盖率达到最大23.5%；在速度一定时，飞行高度越高，雾滴平均覆盖率越低，2～4m/s速度时，3m高度的平均覆盖率分别是1m高度时的48.5%、22.1%、33.9%；在3m高度4m/s速度的条件下，雾滴平均覆盖率只有1.93%。对比仿真和试验结果，两者在喷雾沉积量的变化趋势上是一致的。

2)变异系数方面：随着速度上升，变异系数略有加大，说明速度上升，均匀性略下降，但不明显；随着高度的上升，变异系数总体呈下降趋势，说明高度增加，喷雾均匀性有一定提高，但变异系数随速度变化的趋势并不明显。在1m高度时，飞行速度越快，喷雾均匀性下降；在3m高度时，飞行速度越快，均匀性上升。这说明，均匀性并不直接随速度变化，可能由于超低空喷雾时速度对飞行作业其他参数造成了影响。也就是说，飞行速度对喷雾均匀性并非直接影响因素。

4　结论

1)静电喷雾沉积量和非静电喷雾的沉积量基本相同，雾滴平均覆盖率比例约为1:1.01；但静电喷雾的沉积均匀性有了很大提升，静电喷雾的变异系数仅为非静电喷雾的50.4%。

2)通过F-50型无人机在1～3m高度、2～4m/s速度的飞行参数下进行喷雾试验可知：在高度一定时，速度越小，雾滴在喷幅内的平均覆盖率越高；1m高度、2m/s速度的参数条件下，喷雾平均覆盖率达到最大23.5%；在速度一定时，飞行高度越高，雾滴平均覆盖率越低，2～4m/s速度时，3m高度的平均覆盖率分别是1m高度时的48.5%、22.1%、33.9%；在3m高度4m/s速度的条件下，雾滴平均覆盖率只有1.93%。

3)在1～3m的低空喷雾作业中，喷雾均匀性随飞行高度变化较大，增加飞行高度可以减小变异系数，提高雾滴分布均匀性；而飞行速度和喷雾均匀性关系不大，不同高度时喷雾均匀性和飞行速度的关系都不相同。