多旋翼植保无人机低空喷施作业的水稻垂直方向雾滴沉积分布探讨

[摘要]多旋翼植保无人机是新兴植保机械，能够实现微量喷洒，具有雾滴传统力强、作业效率高、运行成本低、控制灵活等优势，不需要跑道，能够在全地形条件下作业，不仅能够提高农药的利用率，而且有利于避免农药中毒等恶性事件发生。通过探讨多旋翼植保无人机低空喷施作业的水稻垂直方向雾滴沉积分布特点，为合理使用多旋翼植保无人机，提高雾滴覆盖率提供参考。

[关键词]多旋翼植保无人机;低空喷施作业;水稻垂直方向;雾滴沉积

[中图分类号]S252[文献标识码]A

雾滴在气流场中的运动是气液两相流运动，雾滴的沉积特性和雾滴属性、气流场参数等有密切的关系，研究不同飞行参数下，水稻植保作业中雾滴沉积分布特点，有利于提高农药利用率，降低使用量，提高施药效果。

1 材料和方法

采用MG-1八旋翼电动无人直升机，长×宽×高为1471×1471×482（mm），对称电机轴距1520mm，作业速度0～8m-1s，有效喷幅4～6m。无人机药液喷洒系统包括陶瓷喷头、药业管、水泵、防震荡药箱等。四个离心式喷头，喷头方向朝下，与地面垂直，单个喷头流量为0.43L/min。检测试验时环境信息，采用手持式温湿度监测仪、便携式风速计等。收集检验无人机喷洒的雾滴分布、覆盖情况、粒径大小等，采用雾滴测试卡。

2 数据处理

本次实验采用的雾滴测试卡为黄色底色，遇水变蓝，有明显的颜色变化，试验用纯净水代替农药，研究多旋翼植保无人机低空喷施作业，水稻垂直方向的雾滴沉积分布情况。利用扫描仪对收取的雾滴测试卡进行扫描，采用软件iDAS对扫描后数据进行处理分析，获得不同速度、相同高度雾滴覆盖密度、覆盖率、沉积量等。分析三次重复试验的相关性，相关性比较理想，为降低误差，采用平均数进行分析。

3 结果分析

3.1 覆盖率和回收率

本次研究中覆盖率=侵染面积/采样面积，回收率=沉积量/采样面积。侵染面积为被水洇湿的试纸上，出现总显色反应的面积。采样面积是侵染面积和未侵染面积的总和，是水敏图像的总面积。回收率反映单位面积上雾滴的沉积量。根据回收结果分析，雾滴落在水稻叶片上有明显的分布差异，在6m的有效喷幅内，无人机的作業均匀性比较低。喷头所在位置下方雾滴覆盖率比其他位置更高，远离喷头位置的雾滴覆盖率较低。在垂直方向上，水稻底部、中部和冠部的雾滴覆盖程度相似，覆盖程度较好的位于2～4m之间。冠层的覆盖比中部和底部覆盖率高。

3.2 粒径分布

多旋翼植保无人机在低空喷施作业中，经过喷雾器械雾化部件的作用，液滴分散。从喷头喷出的雾滴大小并不均匀，有大小不同的分布。雾滴粒径是衡量药液雾化程度，以及作业质量的一项重要指标。最容易被生物体捕获并取得防治效果的，称为生物最佳粒径。不同的农药除草剂、杀菌剂、杀虫剂等，有不同的最佳粒径范围。飞行昆虫的生物最佳粒径为10～50um。叶面爬行类害虫幼虫的生物最佳粒径是30～150um。水稻不同位置，粒径分布和点密度有明显的差异，植保无人机下方的点密度比较好，较远的点密度较低。并且旋翼风场是影响点密度、粒径分布的重要因素。

3.3 扩散比

扩散比是体积中值直径和数量中值直径的比例，扩散比和相对粒谱宽度都是国际上衡量雾滴喷洒效果的常用指标。相对粒谱宽度是DV，9和DV，1的差值，与DV，5的比值。全部雾滴体积相同，雾滴的扩散比理想值是1。通常认为比值为0.67～1之间，为比较均匀。相对粒谱宽度的理想值为零，越小越好。不同位置水稻的相对粒谱宽度、扩散比有明显的差异，在有效喷幅内，数值变化也比较大。

4 讨论

多旋翼植保无人机低空喷施作业中，水稻垂直方向雾滴沉积分布规律与作业参数、风场有密切的关系。多旋翼植保无人机的雾滴粒径比较细，容易在空中发生漂移，影响喷洒效果。但为对其进行确切研究，需要从根本上了解风场分布规律，以及雾滴受力情况等，减少研究误差。有研究认为，风速是十分显著的影响因素，影响次序首先是风速，然后是飞行高度，然后是雾滴粒径，之后是旋翼风，最后是喷头喷施的角度。风速、飞行高度和雾滴粒径都是重要的影响因素。王昌龄等人以空间平衡法为基础，对植保无人机施药雾滴沉积分布特性进行研究，显示飞行高度的变化不仅影响底部沉积的分布均匀性，而且会影响雾滴漂移，飞行高度越高，旋翼下旋气流在冠层的流场越低，雾滴就会容易漂移。如果利用飞行高度调节雾滴分布均匀性，一味提高高度不能一直提升喷雾效果，需要综合考虑天气、作物等特点，制定合理的参数。旋翼对雾滴沉积分布影响很大，由于风场的效果，旋翼不动作的沉积量远远大于工作时的沉积量。旋翼静止时，由于蒸发漂移，沉积量会随高度上升而下降，高度越高，下降的时间越长，在下降过程中，极小的液滴就会逐渐蒸发。旋翼工作时，随着高度的变化，沉积量变化不大，雾滴的飞行时间短，能够直接到达目标。

总之，多旋翼植保无人机在低空喷施作业中，水稻的垂直方向雾滴覆盖率有明显的差异，以旋翼下方区域为最佳。在各位置粒径分布中，平均为110～140um，适用于防治植物病虫害。中部雾滴扩散比比冠层和底部更佳。多旋翼植保无人机的雾滴沉积效果受多方面的影响，不仅有高度，还有风速、旋翼风等。在对水稻进行多旋翼植保无人机喷施作业中，要充分考虑综合因素，飞行参数、气象条件、机身结构等，将不利因素降到最低，提高雾滴沉积效果，提高喷洒质量。

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[收稿日期]2018-11-29

[作者简介]金婵（1980—），女，吉林梅河口人，中级农艺师，硕士，研究方向：农业技术推广。