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為什么說油動(dòng)單旋翼植保效果好、效率高、效益多

從2012年我國航空植保的起始元年開始，植保無人機(jī)經(jīng)歷了從玩具到工具的轉(zhuǎn)變，我國進(jìn)入了航空植保的第一階段。解決了我國植保無人機(jī)有無的問題，但是沒有解決效果與效率之間的矛盾?，F(xiàn)在市場(chǎng)上主要有兩種植保器具，油動(dòng)單旋翼和電動(dòng)多旋翼。那種器具*要看植保效果、效率、效益。

在用藥量上，從國外的航空植保分析來看，一般飛機(jī)打藥的用水量為2L，以減少藥液的蒸發(fā)和保持沉降的均勻性。國內(nèi)航空植保開始之時(shí)提出了低容量噴灑技術(shù)，有的企業(yè)使用500ml的畝用量來進(jìn)行噴灑，但是從效果來看，小于1000ml的效果不甚理想，因此國內(nèi)在實(shí)際使用時(shí)對(duì)待病蟲害發(fā)生時(shí)、或者在使用除草劑、棉花落葉劑多使用1L以上的用水量，從實(shí)際效果來看1.2-1.5L有著較好的防治效果。

 

而在同等用藥量下，來做一下植保器具的對(duì)比，為什么說油動(dòng)單旋翼比電動(dòng)多旋翼植保效果好、效率高、效益多?，F(xiàn)從風(fēng)場(chǎng)、使用壽命、作業(yè)高度和速度上分析，也就是從兩種飛機(jī)設(shè)計(jì)理念上來分析。

一、油動(dòng)單旋翼比電動(dòng)多旋翼風(fēng)場(chǎng)好

單旋翼無人機(jī)啟動(dòng)和飛行時(shí)，槳翼始終向右方向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生下行的純凈風(fēng)場(chǎng)，如圖1所示；與多旋翼不同，多旋翼是相鄰的機(jī)臂上的槳翼正反旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生相互抵消的擾流風(fēng)場(chǎng)；同時(shí)，單旋翼翼展比較長(zhǎng)，以昆豫K60機(jī)型為例，翼展長(zhǎng)達(dá)3.1米，是普通多旋翼翼展的5～6倍，因此，同等載荷情況下，單旋翼作業(yè)效率與效果通常遠(yuǎn)高于多旋翼作業(yè)效率與效果（見圖1）。

 

圖1單旋翼植保無人機(jī)流場(chǎng)

 

圖2油動(dòng)單旋翼植保無人機(jī)作業(yè)效果圖

多旋翼風(fēng)場(chǎng)

旋翼在高速旋轉(zhuǎn)后，旋翼下方一定范圍內(nèi)會(huì)形成一種有一定流速、壓力和方向性的氣流場(chǎng)，俗稱風(fēng)場(chǎng)。不同的飛行平臺(tái)，風(fēng)場(chǎng)差異很大；風(fēng)場(chǎng)內(nèi)外的空氣流速、風(fēng)壓等差異也很大。

多旋翼的風(fēng)場(chǎng)極為復(fù)雜，目前尚無有效的理論計(jì)算和仿真方法，實(shí)踐中大都采用實(shí)際測(cè)量的方法研究霧滴分布的均勻性和穿透力。

相對(duì)單旋翼而言，多旋翼的風(fēng)場(chǎng)更為復(fù)雜，由于多旋翼的相鄰槳需要反向旋轉(zhuǎn)，不同螺旋槳產(chǎn)生的風(fēng)場(chǎng)相互干擾，導(dǎo)致多旋翼的風(fēng)場(chǎng)相對(duì)單旋翼要紊亂。同時(shí)，隨著旋翼旋翼數(shù)量的增多，風(fēng)場(chǎng)越紊亂、風(fēng)壓越小，霧滴分布均勻性、霧滴穿透力、霧滴的沉降率等都會(huì)逐漸變差。四旋翼風(fēng)場(chǎng)計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)單仿真圖如圖3所示。

 

圖3四旋翼風(fēng)場(chǎng)計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)單仿真圖

多旋翼植保無人機(jī)按照氣動(dòng)布局分類，可分為X型、十型。

X型氣動(dòng)布局是在無人機(jī)前進(jìn)方向的等分角度（左前-右前距機(jī)頭方向均45°，機(jī)尾相同）放置相反方向電機(jī)以抵消電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的反扭力（見圖4）。

圖4  X型旋翼氣動(dòng)布局與電機(jī)轉(zhuǎn)向示意

 

圖5  X型多旋翼植保無人機(jī)大疆MG-1S

X型結(jié)構(gòu)是目前多旋翼植保無人機(jī)常見的布局，大疆創(chuàng)新的MG-1/1S系列（見圖5）、極飛科技的P-20系列都屬于X型結(jié)構(gòu)。它是兩個(gè)臂同時(shí)朝前，從外形來看恰好是一個(gè)X的形狀。

十字型多旋翼氣動(dòng)結(jié)構(gòu)是早出現(xiàn)的一種多旋翼無人機(jī)氣動(dòng)布局之一（見圖6）。因其氣動(dòng)布局簡(jiǎn)單，只需要改變軸向上電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即可改變無人機(jī)姿態(tài)從而實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)飛行。便于簡(jiǎn)化飛控算法的開發(fā)。但由于其構(gòu)造的原因，導(dǎo)致無人機(jī)航拍時(shí)前行會(huì)導(dǎo)致正前方螺旋槳進(jìn)入畫面造成不便，隨著飛控系統(tǒng)的進(jìn)化，在航拍領(lǐng)域X型布局較為普遍，在植保領(lǐng)域十字、X型均有應(yīng)用。

圖6 十型旋翼氣動(dòng)布局與電機(jī)轉(zhuǎn)向示意

 

可以看出電動(dòng)多旋翼先天上風(fēng)場(chǎng)和油動(dòng)單旋翼有差別，是經(jīng)過科學(xué)驗(yàn)證的。

設(shè)計(jì)上也有影響

現(xiàn)在市場(chǎng)上多旋翼多是噴頭-旋翼臂一體化設(shè)計(jì)和一字噴灑桿式設(shè)計(jì)：

噴頭-旋翼臂一體化設(shè)計(jì)是一種成熟的工業(yè)化設(shè)計(jì)思路，相應(yīng)產(chǎn)品具有更好的結(jié)構(gòu)統(tǒng)一性。例如，大疆將其植保無人機(jī)設(shè)計(jì)為可折疊式，這極大方便了存放和搬運(yùn)，在我國中小板塊農(nóng)田作業(yè)的專場(chǎng)過程中，為工作人員提供了便利，節(jié)省了大量勞動(dòng)力。但另一方面，這種設(shè)計(jì)必然造成噴頭必須配合旋翼臂的設(shè)計(jì)尺寸，因此噴頭間距較大且無法方便調(diào)節(jié)噴頭間距，因而為了保證不重噴或漏噴，必須對(duì)噴灑參數(shù)進(jìn)行精確而苛刻的設(shè)置，一旦出現(xiàn)一點(diǎn)誤差，則會(huì)出現(xiàn)重噴或漏噴的情況。

 

 

圖7 噴頭-旋翼臂一體化設(shè)計(jì)

一字形噴灑桿結(jié)構(gòu)是借鑒了傳統(tǒng)自走式噴桿噴霧機(jī)的噴灑系統(tǒng)。這種設(shè)計(jì)一般采用分體式安裝方式，一字形噴灑桿上各噴頭間距較小、分布均勻、間距方便調(diào)節(jié)，適應(yīng)不同情況需要，保證了噴灑均勻性，不容易出現(xiàn)重噴漏噴。

總體來說，一字噴灑桿式植保無人機(jī)噴灑效果優(yōu)于噴頭懸臂一體式，昆豫K60植保無人機(jī)噴桿可以折疊，方便運(yùn)輸?shù)耐瑫r(shí)有保持了噴桿上的植保優(yōu)勢(shì)。

 

 

圖8昆豫一字噴灑桿式設(shè)計(jì)

二、油動(dòng)單旋翼和電動(dòng)多旋翼使用壽命的的差別

1、按機(jī)身材質(zhì)分類

主流多旋翼植保無人機(jī)大多使用碳纖維材料，使用碳纖維材質(zhì)的植保無人機(jī)典型代表包括大疆MG、極飛等。優(yōu)勢(shì)是機(jī)身輕，便于搬運(yùn)，在頻繁轉(zhuǎn)場(chǎng)的作業(yè)過程中具有優(yōu)勢(shì)；

油動(dòng)單旋翼植保無人機(jī)主要材料是合金，機(jī)身重，強(qiáng)度大，通過合理設(shè)計(jì)，使植保無人機(jī)具備了“耐摔”的特質(zhì)，很好地解決了在使用無人機(jī)進(jìn)行大規(guī)模、高強(qiáng)度、連續(xù)性作業(yè)中事故頻發(fā)，經(jīng)濟(jì)成本、時(shí)間成本過高的問題。

另外，通過多年摸索，業(yè)內(nèi)逐漸認(rèn)識(shí)到，植保無人機(jī)的重量和噴灑效果具有很強(qiáng)相關(guān)性。因?yàn)闊o人機(jī)空中重量和下壓風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度成正比，而下壓風(fēng)場(chǎng)的強(qiáng)弱對(duì)噴灑效果，尤其是霧滴的穿透性影響很大。“植保無人機(jī)不能太輕”這個(gè)理念正在被越來越多的業(yè)內(nèi)人士和用戶所接受。

植保無人機(jī)作為航空飛行器的一種，首先應(yīng)該保障飛行器飛行的穩(wěn)定性、安全性。這是對(duì)植保飛行器基本的技術(shù)要求，而農(nóng)藥噴灑效果則是評(píng)定農(nóng)業(yè)植保設(shè)備性能優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)。昆豫K60實(shí)現(xiàn)了油動(dòng)單旋翼的穩(wěn)定性、安全性的同時(shí)，購買綜合成本低，模塊化設(shè)計(jì)易維護(hù)，合金機(jī)體耐使用

2、按可靠性設(shè)計(jì)理念分類。

大量實(shí)踐證明，在大規(guī)模、高強(qiáng)度、連續(xù)性作業(yè)過程中，無人機(jī)由于各種主觀、客觀的因素造成撞機(jī)或墜機(jī)事故（俗稱“炸機(jī)”），是大概率事件。為了不耽誤農(nóng)時(shí)，同時(shí)盡量降低“炸機(jī)”后的經(jīng)濟(jì)損失，越來越多的業(yè)內(nèi)人士和用戶開始關(guān)注植保無人機(jī)的可靠性。

為了解決植保無人機(jī)“炸機(jī)”的問題，在通過合理氣動(dòng)設(shè)計(jì)，盡量提高飛機(jī)穩(wěn)定性的前提下，業(yè)界逐漸出現(xiàn)了兩種具有代表性的思路：

一種是增強(qiáng)飛機(jī)規(guī)避“炸機(jī)”因素的能力，比如：雷達(dá)定高（仿地形飛行）、自動(dòng)避障等*技術(shù)在植保無人機(jī)上的應(yīng)用。特別是自動(dòng)避障，在一定程度上，能夠有效規(guī)避障礙物，大大降低了“炸機(jī)”風(fēng)險(xiǎn)。這是通過*的航電技術(shù)，提高產(chǎn)品可靠性。

另一種是盡量降低事故成本，這里的成本主要是指“炸機(jī)后”因飛機(jī)損毀帶來的維修和更換成本（經(jīng)濟(jì)成本），以及因“炸機(jī)”后失去作業(yè)工具而造成的農(nóng)時(shí)的耽誤（時(shí)間成本）。解決辦法是通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使飛機(jī)在出現(xiàn)炸機(jī)事故后，能夠只通過簡(jiǎn)單的易損件更換等操作，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速修復(fù)，一方面不耽誤農(nóng)時(shí)，另一方面不產(chǎn)生返廠維修動(dòng)輒上千的費(fèi)用。

總的來說，要真正解決植保無人機(jī)的可靠性問題，需要“雙管齊下”，既要提高飛機(jī)規(guī)避事故的能力，又要降低事故帶來的成本。如果只發(fā)展其中一個(gè)方面，對(duì)問題的解決幫助是有限的。

提高事故規(guī)避能力，無法達(dá)到100%規(guī)避事故，而只要出現(xiàn)事故，損失就是不能承受的。

降低事故成本，固然可以控制損失，維持作業(yè)能力，但如果事故頻率太高，同樣大大影響作業(yè)效率，甚至打擊用戶對(duì)無人機(jī)的信心。

昆豫K60油動(dòng)單旋翼植保無人機(jī)在兩者兼?zhèn)涞幕A(chǔ)上研發(fā)的，具有自主飛行的功能同時(shí)，采用模塊化設(shè)計(jì)，采用合金材料，耐用性強(qiáng)，可在田間地頭快速維修，單架作業(yè)面積可達(dá)20萬畝以上。降低了植保作業(yè)的時(shí)間成本、機(jī)會(huì)成本、經(jīng)濟(jì)成本。

 

圖9 昆豫K60地頭快速維修

三、飛行速度和高度的差別

植保無人機(jī)施藥技術(shù)參數(shù)有效噴幅、作業(yè)速度、作業(yè)高度、噴施率、噴頭噴量、霧滴沉積密度等。

                 

 

式中，M為噴施率，單位是l/ha；q為所有噴頭流量，單位為L(zhǎng)/min；w為有效噴幅，單位為m；V為作業(yè)速度，單位為km/h。

植保無人機(jī)的噴幅能夠顯著影響霧滴沉積分布均勻性與藥效，噴幅設(shè)定過大或者過小都會(huì)造成沉積分布均勻性下降，噴幅設(shè)定過小還易造成農(nóng)藥局部過大，可能形成藥害，浪費(fèi)農(nóng)藥；噴幅設(shè)定過大易造成農(nóng)藥噴施量過小甚至漏噴，降低防效。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，可以采用兩種方法確定有效噴幅，一種方法是沉積變異系數(shù)小值判定法，即通過計(jì)算得到小的沉積量變異系數(shù)時(shí)的噴幅即為有效噴幅，計(jì)算方法為：以不同間距疊加3個(gè)單噴幅，計(jì)算中心噴幅的沉積變異系數(shù)，系數(shù)小值所對(duì)應(yīng)的間距為有效噴幅；另一種方法是50%有效沉積判定法，即單噴幅中沉積量為有效沉積量1/2的兩點(diǎn)間距為有效噴幅。有效噴幅寬度計(jì)算如圖10所示。

 

圖10 有效噴幅寬度計(jì)算

植保無人機(jī)的作業(yè)速度能夠顯著影響下洗氣流對(duì)于作物枝葉的扭轉(zhuǎn)作用，在作業(yè)速度小時(shí)，下洗氣流對(duì)作物枝葉的扭轉(zhuǎn)作用大，霧滴定向沉降能力強(qiáng)。對(duì)于部分下洗氣流強(qiáng)度大的植保無人機(jī)不能選用過小的作業(yè)速度，以防止過強(qiáng)的下洗氣流破壞作物枝葉。作業(yè)速度過大時(shí)，霧滴受到下洗氣流的脅迫能力弱，穿透能力差，易飄失。植保無人機(jī)在作業(yè)過程中應(yīng)保持作業(yè)速度穩(wěn)定，作業(yè)速度變化能夠顯著影響沉積分布均勻性。經(jīng)過測(cè)試，植保無人機(jī)因加減速而造成作業(yè)地塊兩頭的沉積量能夠超過田塊中心沉積量的4~6倍。

油動(dòng)單旋翼植保無人機(jī)下洗氣流大，植保速度比電動(dòng)多旋翼快，昆豫K60植保速度可達(dá)6-8米/秒。而市場(chǎng)上有電動(dòng)多旋翼為了提高作業(yè)量把速度提到6-8米/秒明顯是不科學(xué)的，造成藥液飄失，污染環(huán)境。

植保無人機(jī)作業(yè)高度指噴頭距離作物冠層的垂直距離，作業(yè)高度能夠顯著影響噴幅、霧滴沉積密度、下洗氣流對(duì)作物枝葉的扭轉(zhuǎn)作用、霧滴飄移。增大作業(yè)高度能夠增大噴幅、降低霧滴沉積密度、減少下洗氣流對(duì)作物枝葉的扭轉(zhuǎn)作用，易造成飄失。目前部分植保無人機(jī)為了確保穩(wěn)定的作業(yè)高度，安裝了高度測(cè)量傳感器，以實(shí)現(xiàn)定高作業(yè)。

噴施率即單位面積施藥液量，噴施率允許誤差為實(shí)際噴施率相對(duì)于設(shè)定噴施率的大允許偏差。依據(jù)《農(nóng)業(yè)航空作業(yè)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo) 第1部分：噴灑作業(yè)》噴施率允許誤差為±5%。

霧滴沉積密度指靶標(biāo)表面單位面積上的霧滴數(shù)，《農(nóng)業(yè)航空作業(yè)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo) 第1部分：噴灑作業(yè)》規(guī)定了不同噴灑類型的霧滴覆蓋密度指標(biāo)參數(shù)，對(duì)不同噴灑對(duì)象的霧滴覆蓋密度范圍進(jìn)行劃分，如表11所示。

表11  不同噴灑對(duì)象的霧滴覆蓋密度

噴灑類型	噴灑對(duì)象		霧滴覆蓋密度	備注
常量	除草劑	苗前	30-40
		苗后	40-50
	殺蟲劑		40-50	內(nèi)吸性30-40
	殺菌、殺螨劑		50-60	內(nèi)吸性30-40
	化學(xué)肥料		30-40
低容量	除草劑	苗前	20-30
		苗后	30-40
	殺蟲劑		30-40	內(nèi)吸性25-35
	殺菌、殺螨劑		35-45	內(nèi)吸性25-35
	化學(xué)肥料		25-35
超低容量	殺蟲劑 殺菌、殺螨劑	農(nóng)林牧業(yè)害蟲	15-20	內(nèi)吸性10-15
		農(nóng)林業(yè)病菌	20-40	內(nèi)吸性15-25

 

 

作業(yè)高度和作業(yè)速度能夠顯著影響下洗氣流對(duì)于霧滴的脅迫作用和霧滴的飛行時(shí)間。增加作業(yè)高度和作業(yè)速度能夠增加霧滴從噴頭到靶標(biāo)的沉積距離，增加霧滴沉積過程中的飛行時(shí)間，減弱下洗氣流對(duì)于霧滴的脅迫作用，增加霧滴飄失。

為達(dá)到對(duì)不同對(duì)象的霧滴覆蓋密度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，植保無人機(jī)作業(yè)高度必須保持一致，而同等作業(yè)高度下油動(dòng)單旋翼的下壓風(fēng)場(chǎng)明顯比電動(dòng)多旋翼大，也就是說在同樣植保標(biāo)準(zhǔn)的要求下，油動(dòng)單旋翼植保高度要比電動(dòng)多旋翼高，油動(dòng)單旋翼比電動(dòng)多旋翼噴幅要寬。昆豫K60油動(dòng)單旋翼植保高度是2-3米，噴幅是6-8米。而國內(nèi)部分電動(dòng)單旋翼把噴幅設(shè)為6-8米犧牲了農(nóng)戶的利益，同時(shí)霧滴漂移造成環(huán)境污染，明顯是對(duì)用戶的知識(shí)性欺騙。