飞机喷雾及影响其喷雾质量的因素

陈宝昌+李存斌+王立军+林君堂+刘晓娟+吕海杰

摘要飞机喷雾是一种高效的植保施药方法，具有效率高、速度快、不受地形限制、适宜大面积集中作业等优点，在病虫害短时间内大规模爆发的情况下，相比其他植保施药方法，飞机喷雾具有明显的优势。同时，安装在飞机上的植保施药设备也具有一些明显的特点。此外，飞机喷雾还需要专用的辅助设施。飞机喷雾的质量也受到许多因素的影响，只有将这些影响飞机喷雾质量的因素都研究清楚，才能有效利用这种先进的植保施药方法，飞机喷雾这一高效的植保作业方法也才会得到较大发展。

关键词飞机喷雾航道喷雾质量

基金项目：2013年引进国际先进农业科学技术计划（948计划）项目

0引言

植物保护是现代农业生产的重要环节之一。为了使作物在生长过程中免受病、虫、草害的影响以及促进或调节作物正常生长，日益广泛地使用植物保护机械进行植保施药作业。在种类众多的植保施药方法中，飞机喷雾是一种非常重要的现代植保施药技术。在农作物大面积感染病虫害时，和其他喷雾方式相比，这种施药方法工作效率要高出很多，能够达到200 hm2/h，特别是对于短时间内大面积爆发的病虫害，更是一种非常及时有效的施药方法，甚至是唯一的施药方法。但飞机喷雾也有很大的局限性，如果作物面积太小，使用飞机喷雾会将大量的农药喷洒在相邻地块的作物上，造成农药浪费或相邻地块作物的药害。并且，飞机喷雾成本太高，如果喷洒的面积不够大，就会因经济原因限制它的使用。现在有些国家已经开始禁止飞机喷洒农药，这些国家的人们认为它会污染环境。

在比较湿或松软的地块里，或者是经过灌溉的地里，常规的机械设备会严重压实土壤。此外，由于地形或作物，如森林地带或香蕉园，地面喷雾设施的应用会受到限制，这时可以采用飞机喷雾的方法。但在任何地方使用飞机喷药，有效的组织都是降低成本的关键因素。

农用喷雾飞机，包括固定翼飞机和直升飞机，固定翼飞机分单引擎和双引擎两种。喷雾飞机被用来喷洒液体农药或颗粒状农药，也可用来洒播病虫害的生物天敌。一个座舱的轻型飞机现在也被用来喷洒农药，它的优点是能够用很低的速度飞行。

在农用喷雾飞机系列中，直升飞机的优点是机动性好，特别是在处理一些坡地上的作物时，如葡萄等非常有效。可是直升飞机的使用和维修费用相比固定翼飞机要高一些，但其较高的工作效率却可以抵消其较高的工作成本。一直以来，人们认为直升飞机喷雾才更有利于雾滴对作物植冠的穿透，但如果单纯为了提高工作效率而提高飞行速度，其喷出的雾滴穿透性并不比固定机翼的飞机好，只有在低的飞行速度下，才能改善雾滴的穿透性能。

喷雾飞机的选择在很大程度上取决于当地的工作条件，如地块的大小、使用频率等。如果是那些长期需要喷雾作业的地方，为喷洒农药而专门设计的单引擎飞机应列为首选。但是在喷洒森林或执行大面积作物而少人烟的地方，却应当选择多引擎飞机。

如果间歇性使用飞机喷药，通常选择单引擎飞机，在飞机下面挂一个药箱，或者是将药箱装在飞机里面。同样也可以选用直升飞机，在飞机的下面加装药箱和喷杆。

1飞机喷雾装置

1.1喷头

飞机喷雾多数都采用液力式喷头，一般在喷杆上安装40～100个喷头。现在可选的喷头类型很多，包括空心锥雾喷头、扇形喷头、折射喷头等。

锥雾喷头带有一个附加孔，因而可以产生很大的雾滴，常被用于那些对飘移要求很严的场合。相同地，对飘移要求严格的地方也常选用一种有多个小喷孔，向后喷射的喷头，经常用于喷洒除草剂。在这两种情况下，喷雾飞机的飞行速度不应大于90 km/h，否则风的剪力作用效果会明显增大，从而使产生的雾滴径谱太大。

要产生较小雾滴径谱范围的雾滴一般会使用转子喷头，可通过改变转子的转速来调整雾滴的VMD(体积中径)。飞行喷雾使用的转子喷头有鼠笼式转子，该种转子被设计出来是专门用于消灭蝗虫的。另一种是转盘式转子。相比起来，能够用于飞机喷雾的转子喷头比压力喷头要少的多。发展到现在，飞机喷雾的发展趋势是使用较小的喷头，例如，用5个AU5000喷头而不用2个AU3000喷头，这样做就可以通过增加喷头的个数使雾滴分布得更好，从而避免喷洒的农药在地面上形成带状。

转子喷头大多数由可调节叶面角度的螺旋桨驱动。而螺旋桨可以根据需要使转子喷头的转子速度达到12 000 rpm。一般说来，飞行速度较低的飞机所装的螺旋桨尺寸较大，用户可以从厂家的产品目录上查到叶片的大小、角度及对应的流量等，从而获得合适的雾滴粒径。但这些资料一般都是基于喷水试验，所以，对于不同的液体还要进行校验。

电驱动的转子喷头的优点是飞行员可以很方便地通过改变电流的大小调节转子的转速，直升飞机上一般装有这种电动转子喷头。但是，这种电动转子喷头的缺点是需要较大的电能来驱动，这就限制了它的广泛应用。

需要小雾滴的喷雾作业主要应用转子喷头，但其一般不太适用于喷洒除草剂，不过现在尺寸较小、带有较粗网罩的转子喷头也已经开始用于喷洒除草剂。

1.2药箱

药箱一般被安置在靠近飞机重心的地方，在喷雾过程中药量减少时，飞机由于重心失衡的可能性就会减小。药箱的下面有一个排放阀，如果飞机遇到紧急情况，立即打开此阀，药箱中的药液必须在5 s中内放完，不论飞机在天空还在地面，这都是必须要保证的。

颗粒状的农药有时候是从药箱上面的开口处加入的，但是这会对操作者造成污染。普遍作法是把农药与基液提前混合好，然后通过一个带有快接接头的软管泵入药箱，这样就可以减少对操作者的污染。接头在拆下后及时清洗干净，以尽量减少农药在接头处的残留。不管农药在运输过程在还是在混合时都要密封好，这么做同样是为了减少对操作者的污染。

喷雾飞机上的药箱一般都是用强化塑料或不锈钢做成，药箱上必须要有通气阀，否则随着喷雾的进行，药箱中药液的压力会发生变化从而影响流量。要求飞行员必须能够在驾驶位上就能了解到药箱中还有多少药液。所以，通常容量表和系统压力表一起布置在飞行员的眼前。

1.3喷雾泵

液泵可以用电力驱动，也可以由液力来驱动，但喷雾飞机上大多数液泵是由风力来驱动的。能够在地面进行校验是电力或液力驱动的液泵的一个优点。风力驱动的液泵所带的螺旋叶片的角度是能够调整的，可以在喷雾之前根据风速调整好流量。液力驱动系统中，液泵连接在飞机的动力输出轴上，液泵把药液从药箱中泵出，使其通过一个压力表，然后再通过一个减压阀，减压阀的压力是可以调整的，操作压力在10～20 MPa之间。

飞机喷雾广泛应用离心式喷雾泵，原因是它能够在较低的压力下产生较大的流量。如果要获得高压，就只能用其他的液泵，如齿轮泵或转子泵等。

1.4过滤器

飞机喷雾系统中必须安装过滤器，这非常重要，因为在喷雾过程中，飞行员无法疏通堵塞的喷头。而过滤器不但可以保护液泵，同时也可以阻止系统中任何地方的沉积物堵塞喷嘴。用途不同，过滤器的粗细程度区别很大，从药箱到喷头，过滤器的目数越来越高，每个喷头都有自己的过滤器保护，并且过滤网孔小于喷头的喷孔。通常液力喷雾系统一般用50目的过滤网，而转子喷头用更细的100目过滤网。

1.5喷杆系统

液力式喷雾装置的喷杆上面装有喷头座，安装在飞机的机翼下面。多数情况下，喷杆只到机翼末端70％的地方。

喷杆上的喷头一般是可调的，可以通过喷头底座，也可以转动整个喷杆进行调整，尤其是当飞机飞行的方向(与风力的关系)影响雾滴大小的时候。喷头的位置调整非常重要，安装的喷头如果指向机尾，那么喷出的雾体的速度与飞机滑流的进度相近。如此产生的雾滴要比喷头指向机头所产生的雾滴大。通常情况下，为了产生合适大小的雾滴，使喷头朝前45°角安装。随着喷头向后偏转，产生的雾滴将明显增大。实际上安装压力喷头的喷杆、喷头一般都是可以单独开关的，这样在喷雾过程中可以随时控制流量，并可调整空间雾形。

1.6地面支持系统

飞机喷雾除了飞机上所带的设备外，在地面上还有许多辅助设备，这些各式各样的设备有时候安装在一辆车上，这样可方便地进行地面转移。必须准备一个大的农药混合箱，这样就能够在飞机到达之前准备好一个飞机药箱容量的喷液。另外还需要一个较大的液泵把液体从预备箱泵入飞机药箱，一般要求在1 min或更短的时间内完成。管路中需要安装一个流量表来记录输入飞机药箱的药量。特别需要注意的是，把农药加入混合箱的装置应该是一个封闭系统，以减少对操作人员的污染，并且一定要把装过农药的容器用水或其他液体稀释清洗干净。在条件许可的时候，给飞机添加农药或冲洗飞机都尽量在水泥地上进行，好处是这样可以把冲洗用过的水或其他液体集中起来处理。现在已经有了专用的农药残液处理装置，如清洗装过农药的桶子等专用工具。

2影响飞机喷雾质量的因素

要想飞机喷雾成功必须选择正确的喷雾时间、飞行操作、喷雾部件、农药及合适的剂量等关键因素。

2.1喷雾时间的选择

选择正确的喷雾时间是最重要的，它不仅与病虫害的生长期有关，气象因素影响也很重大，尤其是在不同的地形条件下，除了由于温度和风速等的影响和气流与作物摩擦产生的涡流外，飞机本身产生的涡流也会影响雾滴在作物上的分布。相比时间，温度也很重要，因为飞机喷洒的雾滴在空中飞行的时间要长于地面喷雾，在天气干热的情况下，喷出的雾滴体积将会因蒸发而很快地变小，然后消失在空气中。实际上大多数飞机喷药要避免一天中最热的时间，原因是热空气会把小雾滴带走。因此，在田间作业时应该随时注意检测温度和湿度的变化，如果天气太干和太热，必须立刻停止作业。

环境条件的选择标准当然也取决于所喷洒药液的成分和雾滴的大小，例如，水基溶液，假设喷量为20～50 L/hm2，用200 μm的雾滴，当温度超过36 ℃或湿球低温超过8 ℃时，就应该停止喷药。由于油基溶液的抗挥发性能好一些，可以在相对较干的天气下进行喷雾作业，可对于小雾滴，气温的掌握仍然非常重要，当外界环境影响雾滴附着时就应当停止喷雾。现在，一些计算机模型已经被开发了出来，能够很好地帮助用户决策什么时候喷雾最为理想。

2.2飞机的高度和导航

飞机喷雾的喷杆一般安装在高位机翼的下面或低位机翼的下风边缘上。机翼上喷头的位置不同也会影响雾滴的分布。喷杆长度一般不超过机翼长度的70％，因此，喷头不会安装在太靠近飞机机翼末端的位置。

喷头既不能太靠近机翼末端，也不能离机身太近。喷头太靠近机翼末端，喷出去的雾滴会被涡流卷走，离机身太近，喷头间隔不能太大，不然飞机在低空飞行时喷杆下面的雾体在作物上就会形成带状。多数情况下，喷头的间隔是相等的，可是由于螺旋桨引进的涡流作用，雾体会偏向飞机的一侧，造成雾滴分布不均匀。飞机进行喷雾作业时的飞行路线要尽可能与风向保持正确的角度，为了使雾体在进入作物之前能够较好地分散，飞机必须在作物上面有一定的高度。

但是，飞机飞得太高，离作物垂直距离太大，喷出的雾滴就可能发生飘移，而且很可能在雾滴到达目标之前就被完全蒸发掉。通常建议飞机在低量喷洒水基药液时，飞行高度在作物上面2～3 m，而超低量喷雾时应为3～4 m，如果是在一些有障碍物的地方，为了安全，飞机要飞得高一些。一些飞行员为了使雾滴有较好的穿透性而飞得极低，不但危险，也不能形成合理的雾形，导致雾滴的分布不理想。

飞机喷雾时，雾滴落到地面所形成的幅宽总是不规则的，这种情况除了与当时的风力、风向有关外还受其他一些因素影响。雾滴的分布密度也表现为两边低中间高。给飞机选择航道时要考虑到两个航行所形成的幅宽要有足够的重叠部分，这样可以减小雾滴分布不均匀。航道之间的距离要在地面做出明显标记，确定航道间隔时要充分考虑不同飞机的特点、所用的喷头类型、飞行高度、气象条件和作物种类等因素。一般是让飞机穿过侧风，然后根据两次航行之间喷幅的衔接状况确定最小的航距。幅宽校验时可在目标上摆放水性或油性试纸，是油性还是水性，取决于喷洒器液体的性质。先检查药液的成分再进行试验，如此可以确定所喷洒的液体能否在试纸上留下痕迹。只有在正确的航道上直线飞行才能保证喷雾质量，航道引导系统的精确度是保证合适的剂量、均匀的分布、避免出现药害和漏喷的关键因素，同时也是保证地勤人员和飞行员安全的重要因素。

通常由旗手给出航道的引导指示，这需要飞行员与地面工作人员之间有良好的配合。地块较大并且地块中间有明显的水渠或人行道时，人们或许认为可以不用再做标记就可以进行飞机喷雾作业，但这样做是不可取的。引导旗手的每个位置应该沿地块横向测量给出，并做出标记，只有这样，在喷雾开始后旗手才能够很快地找到下一个位置，不至于耽误飞行员确定航线。

飞行员应该清楚地知道航道位置，第一个位置应该是在地块横向第一个喷幅一半的地方，并且第一个航道应该在下风一边。飞机一旦上了正确的航道，旗手就应该迅速移到下一个位置。每个训练有素的旗手在引导飞机喷雾时，必须一直面向飞机，并站在上风的位置，以避免受到农药的污染。后面的航道应该向上风方向逐渐移动，以保证飞机不会飞进上一航线喷出的雾体中，并被污染。如果万一出现被污染的情况，飞行员要有防毒设备。旗手和飞行员应该带有说明喷雾作业注意事项和出现意外时处理办法的卡片，这样才能够应付各种可能出现的意外情况。

现如今，全球卫星定位系统(GPS)已经开始用于导航喷洒农药，该导航系统有一个专用的计算机可以通过卫星提供的数据精确给出飞行员的位置，并记录下每一个航道的方位。如果有地面辅助系统，其定位精度还能进一步得到提高，特别是对起伏不平的地面，效果会更加明显。由于能够大幅度地减少地勤人员，并可改善航道定位精度和提高安全性，这种导航系统初始投资较高的缺点就显得不那么重要了。

2.3雾滴的大小

实践证明，组织再好的飞机喷药计划，也仅仅能够让飞机喷出的一部分农药到达目标，因为雾滴的覆盖率与许多因素有关，尤其是空气涡流和雾滴的飞行速度。一般情况下，只有50％药液能够覆盖在作物上。喷洒水基药液时，雾滴中的水分会蒸发使雾滴变小，雾滴在空气中飘移的时间比在地面喷雾更长，其中一些很小的雾滴就很可能会完全蒸发而变成纯农药粒子，这部分粒子将会在上升气流的带领下飘移到距离目标很远的地方。因此，在一天中选择合适的喷雾时间是非常重要的。

飞机喷雾时，如果空气中相对湿度小于60％，采用大雾滴和大喷量喷雾可以在一定程度上补偿雾滴的蒸发，可是大雾滴有时不适于消灭一些寄生在作物上的病虫害，这时可以改用一些不易挥发(蒸发)的液体做农药载体或在水溶液中加入抗挥发添加剂，得到较好的喷雾作业效果。如果在药液中加入12.5％抗挥发剂，就能够保证雾滴最多减小到原来的一半大小。因为超低量油基药液不溶于水，这样的雾滴很少能在飞行中减小到它原有60％以下，所以，可以用小雾滴喷雾。地块的大小决定了选择多大的雾滴进行喷雾作业，超低量小雾滴不适合喷洒太小的地块，如特别需要，就要在地块周围开出隔离区或设置挡板等，以避免雾滴飘移到下风对农药敏感的地区。

雾滴大小的选择取决于所要喷雾的目标。太大的雾滴会导致大部分都落在叶子的上表面，一些藏在叶子背面的害虫就会躲过农药喷杀。在水溶液里加抗挥发剂，就可以使用较小的雾滴。糖浆也可用做添加剂，因为，它对蛾子有引诱作用，可提高对成虫的致死率。

在喷洒除草剂时，为了避免飘移，通常选择的雾滴都不小于200 μm，但这样也并不能完全避免飘移，因为在产生大雾滴的同时也会产生一些小雾滴。

2.4流量

飞机喷雾喷量的大小，一定程度上取决于所选雾滴的大小，同时也与所需到达目标的雾滴数量有关。如果用超低量喷洒加过抗挥发剂的药液时，用很小的雾滴，3 L/hm2或更少的喷量就够了。但是由于相关法规的限制，现在使用的大多数水基溶液的喷量限制在20～30 L/hm2之间。喷量的减少可以使一次装载的药液喷洒更大的面积，这样做的好处是不但可以减少装药时间，并且可以降低作业成本。

多数情况下，某些作物上面，如棉花，每平方厘米喷洒20个雾滴被认为是足够了，可这并不适用于所有的情况。比如，在作物生长后期喷洒除草剂，尤其是喷洒杀菌剂就需要更多的雾滴。很多时候，需要较多的雾滴来提高覆盖率，但所需的喷量也较高。

能否正确校验喷头的流量对飞机喷雾质量的影响是非常大的。喷头的流量与航道间隔、总喷量、飞机的飞行速度等因素有关。

下面公式给出的是所有喷头的总喷量。这里转换系数k取决于测量飞行速度的单位，则k=600 km/h。

流量（l/min）=飞行速度×航道间隔×单位面积上的喷量（l/min）转换系数k

由上式算出喷头流量后，如果按正常的飞行速度进行检验，一般的步骤是：

（1）先在药箱里注入40～80 L的清水。

（2）当飞机速度达到实际喷雾速度时，打开喷雾系统进行喷雾作业，注意观察，一旦压力开始下降，就要立即关闭阀门，这时系统中的每个部分就都注满了水。某些飞机，喷雾装置在地面就可以注满水。

（3）等飞机落地后，按照上面公式计算得出的总流量给药箱加水。

（4）按步骤做完以上程序后，让该架飞机重新起飞，在稳定地达到实际喷雾速度时，打开喷雾阀，开始喷雾，记录从打开喷雾阀到压力开始下降所经历的时间。如果时间正好是1 min，表明一切正常，这时在阀上做一记号，记下开关大小的位置，后面还要用实际农药进行试验。

如果喷雾时间多于1 min，则说明流量调得太低，阀门需要开大一些。如果喷雾时间少于1 min，则说明流量太大，阀门位置需调整开小一些，反复实验，直到结果符合要求。如果阀门已经开到最大，结果仍不满足要求，就需要换用大一些的喷头，并重新调整工作参数，使其符合流量的要求。

（5）最后用实际农药再次校验。需要特别注意的是任何时候飞行员都不能接触农药，也不能帮助搅拌药液或装载农药。因为对飞行员的任何污染都可能因损害飞行员的健康而引起严重后果。

3结语

飞机喷雾作业具有一些明显的缺点：一是航空植保机械价格高，并需建设机场等配套设施，运营成本高；二是航空植保机械仅适合在有统一种植规划的垦区大地块上集中作业，而农村一家一户地块小、种植作物不同，无法统一进行航空施药作业；三是航空植保机械受风力、风向等因素影响较大，喷洒均匀性较差，容易造成重喷和漏喷；四是需要操作人员在飞行和植保喷雾方面都具有较高的专业水平。但飞机喷雾具有效率高、速度快、不受地形限制、适宜大面积集中作业等优点，在病虫害短时间内大规模爆发的情况下，相比其他植保施药方法，飞机喷雾具有明显的优势。现阶段，我国能用于航空植保作业的飞机数量还很有限，作业规模较小。随着我国在飞机制造和与其配套专用的航空植保设备制造领域的技术不断取得进步，可以预见，未来，飞机喷雾这一高效的植保作业方法将会得到较大发展，为我国植物保护事业做出应有的贡献。

参考文献:

[1]傅泽田，祁力钧，王秀.农药喷施技术的优化[M].北京：中国农业科学技术出版社，2002.

[2]陈志.农业机械设计手册[K].中国农业科学技术出版社，2007.（03）