劉小康

（山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心，山西 太原 030002）

近年來，無人植保機(jī)成為植保行業(yè)的寵兒，被廣泛應(yīng)用。無人植保機(jī)的飛行作業(yè)性能，以及噴灑系統(tǒng)對液體藥物的霧化效果，成為其精準(zhǔn)、高效作業(yè)的保障。經(jīng)過作業(yè)實(shí)踐和研究，無人機(jī)植保作業(yè)噴灑效果的好壞與霧化顆粒直徑的大小密切相關(guān)。當(dāng)藥液霧化顆粒直徑大小、分布與標(biāo)的作物葉面物理特性相適應(yīng)，才能確保農(nóng)藥霧滴小顆粒能黏附在作物葉片表面，不在葉面滑動(dòng)或滾動(dòng)，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(dāng)?shù)撵F滴直徑能讓藥滴更好、更持久地停留于作物葉面上，達(dá)到最優(yōu)植保效果。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 傳統(tǒng)施藥技術(shù)弊端

山西省傳統(tǒng)施藥方式主要采用人力背負(fù)藥箱，人工手執(zhí)噴霧桿作業(yè)，主要應(yīng)用于玉米、小麥、蔬菜、果樹等作物作業(yè)。在大部分作業(yè)區(qū)域，農(nóng)民習(xí)慣采用低濃度農(nóng)藥配比，大水漫灌式噴灑作業(yè)，對作物枝干、葉面都進(jìn)行了大面積噴灑。這種作業(yè)方式弊端明顯，一是傳統(tǒng)噴灑作業(yè)方法，由于噴霧噴頭出水量大，作業(yè)過程中大部分藥液沒有接觸標(biāo)的作物而進(jìn)入地面土壤，導(dǎo)致土壤被農(nóng)藥污染；二是傳統(tǒng)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(dá)作物葉面后，直徑大一點(diǎn)的藥滴會(huì)直接從作物莖葉表面滑落，進(jìn)入土壤，部分中等大小霧滴會(huì)在葉面上滑動(dòng)，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(shí)間的有效附著和停留，導(dǎo)致藥效達(dá)不到預(yù)期，造成植保效果低下。

1.2 無人機(jī)植保技術(shù)急需解決的問題

農(nóng)用無人植保機(jī)的出現(xiàn)以及噴霧器技術(shù)的改良，為農(nóng)業(yè)植保行業(yè)注入一針強(qiáng)心劑。隨著無人機(jī)植保技術(shù)的發(fā)展，無人植保機(jī)在操控性、載藥量、續(xù)航里程、自主作業(yè)等方面有了巨大的提升。但是，噴施作業(yè)環(huán)節(jié)在人為控制下作業(yè)較為隨意，導(dǎo)致了效果、效益不理想，農(nóng)藥資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。

無人機(jī)植保技術(shù)的發(fā)展雖然在農(nóng)業(yè)植保環(huán)節(jié)取得了一定的成效，但是還未到理想狀態(tài)，如何更好地實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化、精細(xì)化作業(yè)，確保農(nóng)藥有效到達(dá)且作用于標(biāo)的作物，達(dá)到省工節(jié)藥、高質(zhì)高效、綠色安全的標(biāo)準(zhǔn)，是目前急需解決的植保行業(yè)的共性問題。

技術(shù)人員需要在作業(yè)實(shí)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(guān)數(shù)據(jù)，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(guān)系，得出最優(yōu)流量和霧化直徑數(shù)據(jù)。在作業(yè)過程中，操控手通過控制無人植保機(jī)噴灑流量和霧滴粒徑大小，實(shí)現(xiàn)藥液在作物表面達(dá)到最佳沉降效果，具體為：霧滴在作物葉面表面均勻分布，達(dá)到50 個(gè)/cm2以上，葉片在外力作用下擺動(dòng)時(shí)，霧滴不會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)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(shí)間，實(shí)現(xiàn)最佳防治效果，提高農(nóng)藥利用率，并減少環(huán)境污染。

2 影響植保無人機(jī)噴灑效果的因素分析

2.1 標(biāo)的作物葉面特性與噴灑效果的關(guān)系

在植保機(jī)作業(yè)過程中，標(biāo)的作物的葉面特性與噴灑效果關(guān)系密切，見圖2。藥液的霧化顆粒在標(biāo)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(shù)密切相關(guān)，摩擦系數(shù)的大小取決于作物葉面相對粗糙程度。也就是說，如果標(biāo)的作物葉片表面光滑，摩擦系數(shù)較小，噴灑霧滴在葉面的附著力會(huì)降低，導(dǎo)致霧滴在葉面的存留黏附能力較弱，反之亦然。因此，標(biāo)的作物葉面的摩擦系數(shù)成為影響噴灑效果的重要因素。

經(jīng)分析，藥液霧滴在標(biāo)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(dāng)霧滴受到葉片表面的摩擦力大于等于霧滴下滑力時(shí)霧滴會(huì)停留在葉片表面，形成良好的作業(yè)效果。作物葉面的霧滴摩擦力計(jì)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(shù)；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(dāng)霧滴顆粒將要滑動(dòng)時(shí)摩擦力f達(dá)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(guān)系

噴霧效果與霧滴粒徑大小密切相關(guān)。霧滴粒徑是農(nóng)藥噴霧技術(shù)中相對容易控制的重要參數(shù)，也是直接影響植保無人機(jī)的噴霧質(zhì)量及作業(yè)效果的關(guān)鍵因素之一。根據(jù)標(biāo)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(huán)境污染的關(guān)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(fēng)飄移或蒸發(fā)散失，但分布不均勻、附著能力差，容易落在葉面上時(shí)受力彈跳、滾落而造成藥液流失，大大降低了農(nóng)藥的防治效果，也污染了水土環(huán)境。

與粒徑較大的藥滴相比，粒徑較小的藥滴在無人機(jī)槳葉下旋氣流的作用下絕大部分會(huì)垂直沉降，能在作物葉面均勻沉降，且黏附能力較強(qiáng)。一方面細(xì)小霧滴在作物葉片表面的覆蓋密度和覆蓋均勻度均優(yōu)于大霧滴；另一方面細(xì)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(nóng)藥防治效果關(guān)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(guān)系

在無人機(jī)植保作業(yè)過程中，藥液噴量、流速也是影響作業(yè)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(guān)系。當(dāng)藥液噴量、流速增加時(shí)，隨著霧滴粒徑的縮小，霧滴數(shù)量將按照呈幾何級倍數(shù)增加，霧滴數(shù)量的增加，會(huì)導(dǎo)致單位面積范圍內(nèi)的霧滴顆粒數(shù)量增加，藥滴在沉降過程中擊中標(biāo)的作物莖葉的概率也會(huì)顯著增加，覆蓋會(huì)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(guān)鍵和核心部件，目前市面上主要有2 種無人機(jī)作業(yè)噴頭，根據(jù)作業(yè)原理分為壓力噴頭和離心噴頭。根據(jù)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(diào)整離心電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以較為精確地控制藥液霧滴直徑的大小，能根據(jù)作物特性、藥液特性及作業(yè)時(shí)氣象條件作出調(diào)整，更加適合于精準(zhǔn)施藥作業(yè)。

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

4 結(jié)論

4.1 霧滴最優(yōu)粒徑能達(dá)到最佳防治效果

要達(dá)到最優(yōu)植保效果，最好的解決方案就是結(jié)合作物的葉片分布、葉面以及藥液、有害生物特性，通過試驗(yàn)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(gè)合適的平衡點(diǎn)，確保標(biāo)的作物葉面獲得飽和數(shù)量的藥滴的同時(shí)，確保該直徑大小的霧滴在標(biāo)的作物葉片表面能較為穩(wěn)定停留，才能達(dá)到最好的植保效果。

4.2 結(jié)合作物、農(nóng)藥、病蟲害特性，精準(zhǔn)控制噴灑流量和藥滴粒徑，才能達(dá)到最優(yōu)效益

霧滴的最優(yōu)粒徑還受到多方面因素的影響，對于不同病害，不同農(nóng)藥、不同作物、不同藥液濃度、害蟲的不同時(shí)期，農(nóng)藥的最優(yōu)噴霧粒徑都會(huì)有所不同。實(shí)現(xiàn)對噴灑流量和霧滴粒徑的雙精準(zhǔn)控制，針對不同病害和作物，實(shí)施“對癥下藥”，才能達(dá)到植保效益的最大化。因此，現(xiàn)實(shí)作業(yè)需求也對無人植保機(jī)精準(zhǔn)控制霧滴粒徑大小、變量調(diào)節(jié)提出了新的技術(shù)要求。

5 精細(xì)化施藥技術(shù)展望

近年來，隨著綠色植保、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、食品安全等觀念深入人心，其發(fā)展需求也會(huì)越來越大。需要技術(shù)人員深入研究精細(xì)化施藥技術(shù)相關(guān)的航空施藥基礎(chǔ)理論、低空噴灑沉降規(guī)律、航空變量施藥技術(shù)等，形成技術(shù)理論體系指導(dǎo)植保作業(yè)實(shí)踐，在實(shí)踐中改良精細(xì)化施藥技術(shù)體系，才能從根本上解決相關(guān)問題，達(dá)到綠色安全、精準(zhǔn)高效的要求。

5.1 加強(qiáng)無人植保機(jī)霧化系統(tǒng)的研發(fā)

無人植保機(jī)要實(shí)現(xiàn)微量、精準(zhǔn)、高效噴施，必須深入研究作物葉面特性與無人機(jī)霧化顆粒直徑、霧化顆沉降移規(guī)律、霧化控制等多方面的研究和試驗(yàn)，對其霧化功能部件進(jìn)行優(yōu)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(shù)研發(fā)和改良，需從噴灑系統(tǒng)核心部件的研發(fā)設(shè)計(jì)上加大研究力度。重點(diǎn)開展藥液的霧化粒徑控制與監(jiān)測、霧滴飄移監(jiān)測、霧滴沉降分布與評估、霧滴圖像處理系統(tǒng)等傳感器的開發(fā)與使用。與此同時(shí)，應(yīng)針對無人植保機(jī)機(jī)旋翼風(fēng)場測試、霧滴飄移預(yù)測模型等開展系統(tǒng)的測試試驗(yàn)，開發(fā)航空施藥霧滴分布指標(biāo)的檢測裝置及系統(tǒng)，獲得霧滴分布指標(biāo)，降低霧滴分布指標(biāo)的測量誤差，用于提高霧滴沉積分布監(jiān)測的效率。結(jié)合藥液霧化部和無人植保機(jī)旋翼風(fēng)場特性，形成藥液沉降分布、精準(zhǔn)噴施理論和技術(shù)體系，更好地實(shí)現(xiàn)綠色安全、微量高效的要求。

5.2 制定作物的無人機(jī)植保霧化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系

每種作物的莖葉特性都不盡相同，在無人機(jī)植保作業(yè)過程中的相關(guān)技術(shù)要求也都不同。要加強(qiáng)作物葉片分布規(guī)律、葉面特性與無人機(jī)霧化粒徑、霧化顆沉降移規(guī)律等方面的研究，重點(diǎn)對種植面積大、產(chǎn)量高的主要農(nóng)作物開展相關(guān)的技術(shù)體系研究，制定針對性強(qiáng)的無人機(jī)植保作業(yè)技術(shù)要求和標(biāo)準(zhǔn)。詳細(xì)規(guī)定無人機(jī)作業(yè)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(shù)要求，從而更好地指導(dǎo)無人植保機(jī)開展作業(yè)，實(shí)現(xiàn)植保環(huán)節(jié)的綠色安全、精準(zhǔn)高效的總體要求。