航空靜電噴霧技術現(xiàn)狀及其在植保無人機中應用的思考

劉武蘭，周志艷，陳盛德，羅錫文，蘭玉彬

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學 工程學院/廣東省農(nóng)業(yè)航空應用工程技術研究中心，廣州 510642；2. 國際農(nóng)業(yè)航空施藥技術聯(lián)合實驗室，廣州 510642；3. 南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，長沙 410128)

0 引言

植物在生長過程中，各種病蟲草害、農(nóng)藥殘留及環(huán)境污染等問題對植物健康生長有巨大的不利影響，導致農(nóng)作物大量損失，土壤土質(zhì)污染，對農(nóng)林產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生巨大的不利影響[1-2]。我國的農(nóng)藥生產(chǎn)技術屬于國際先進水平，而我國的植保機械和農(nóng)藥噴施技術卻相對落后。目前，我國的耕地面積經(jīng)受農(nóng)藥污染高達1 300～1 600萬hm2[3]。農(nóng)林植物的生物災害較嚴重是我國亟需解決的關鍵性問題之一，每年的糧食作物遭受侵害約有3.6 億hm2是因為生物災害，雖然經(jīng)過普通防治辦法后，可挽回部分經(jīng)濟損失，但仍有4 000萬t多糧食遭受損失。在其他主要農(nóng)作物方面，如棉花每年損失近24%，水果、蔬菜每年損失約20%。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)統(tǒng)計數(shù)據(jù)估計，病蟲草害導致的糧食作物損失占全世界糧食損失的1/3，其中10%是病害導致的損失，14%是蟲害導致的損失，11%則是因為草害損失[4-7]。我國每年林業(yè)高達0.11億hm2的面積遭受生物災害，造成的直接經(jīng)濟損失和生態(tài)服務價值損失近千億元。農(nóng)林植物保護(植保)是保證農(nóng)林作物健康成長、豐產(chǎn)豐收的重要措施之一[4-5]。噴施農(nóng)藥是目前農(nóng)林植保的常用生物災害防治辦法，主要目的是將植物病、蟲、草害，以及其它有害生物消滅于危害之前，促進植物健康成長。

長期以來，我國農(nóng)藥噴施以地面植保作業(yè)方式為主，且一直停留在傳統(tǒng)的大容量和大霧滴噴霧的技術水平上，不僅作業(yè)效率低下，而且過量施用造成嚴重的環(huán)境污染和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降等一系列問題，已難以滿足農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要。靜電噴霧技術作為現(xiàn)代植保機械施藥的新技術而受到國內(nèi)外各專家學者的廣泛關注，該技術能較好地解決傳統(tǒng)施藥中存在的重要問題[2]。然而，目前靜電噴霧應用在農(nóng)業(yè)植保技術領域無論是在地面器械噴藥還是飛機空中施藥上都存在一系列問題，如靜電噴霧系統(tǒng)復雜、高壓靜電發(fā)生電源過重，以及靜電噴頭荷電效果、霧化效果較差等，都是影響靜電噴霧效果重要的因素。因此，加快推進靜電噴霧技術的發(fā)展是農(nóng)業(yè)植保領域新的任務與挑戰(zhàn)，在減少農(nóng)藥的施用量、降低對環(huán)境的污染和提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量等方面具有廣闊的發(fā)展空間和良好的應用前景[8]。

航空靜電噴霧系統(tǒng)裝置是基于霧滴荷電原理通過高壓靜電使藥液霧滴帶上電荷而設計的一套靜電噴霧系統(tǒng)。通過靜電噴施的方式施藥可有效地提高農(nóng)藥在靶標表面和背面的附著率、分布均勻性，也可起到減小霧滴飄移的作用，減少了農(nóng)藥的浪費，提高了農(nóng)藥利用率[9-10]。

本文擬對航空靜電噴施技術理論原理進行分析和研究，介紹國內(nèi)外學者在航空靜電噴施技術上開展研究中取得的進展，并對航空靜電噴施技術在農(nóng)業(yè)植保領域開發(fā)與應用中存在的問題進行分析與討論，提出航空靜電噴霧技術應用在植保無人機靜飛行航空作業(yè)上需解決的難題和未來可能的發(fā)展趨勢和解決方案，以期為研究開發(fā)出更有效的植保無人機靜電噴施技術提供借鑒與參考。

1 航空靜電噴霧技術的原理概述

1.1 航空靜電噴霧技術

兩個電荷相互作用產(chǎn)生的作用力為庫侖力，即F=Eq，粒子帶電后在電場力作用下會沿著電場線的方向運動。航空靜電噴霧系統(tǒng)產(chǎn)生高壓靜電，靜電作用使藥液霧滴荷上正或負的電荷。噴霧作業(yè)過程中，若給噴頭加靜電，則噴嘴到靶標作物之間形成電場線。若電場足夠大霧滴就會被荷電，荷電的霧滴在電場力作用下沿著電場線的方向運動，霧滴沉降至靶標作物表面后，通過靜電吸附作用附著在作物的正面或背面；帶靜電的霧滴可較長時間附著不流失，提高了霧滴沉降效果和農(nóng)藥的利用率，降低了環(huán)境的污染[11]，增強了防治效果。

液體的靜電霧化效果是研究航空靜電噴霧技術的關鍵指標之一，其靜電霧化機理是指航空靜電噴頭充電電極和農(nóng)作物冠層或者大地電極之間，高壓靜電發(fā)生器給充電電極充上數(shù)千伏的高壓時，由噴嘴噴孔噴出經(jīng)過高壓靜電感應電場區(qū)的帶電霧滴，受到霧滴自身重力、表面張力及電場力三者共同作用，導致霧滴群表面極不穩(wěn)定，進而破碎分裂成更小的霧滴或離子，這一現(xiàn)象稱為靜電霧化[10, 12]。靜電噴霧可以以較低的施藥量而達到防治的目的[13]。

航空靜電噴霧，就是高壓靜電發(fā)生器給靜電噴頭的充電電極充上正的或負的靜電高壓并使噴嘴噴出的霧滴經(jīng)過高壓電場帶上電荷[14]，原理如圖1所示。如果靜電噴頭的充電電極被充上正或負的高壓，根據(jù)靜電感應原理，藥液霧滴由噴嘴噴出流經(jīng)電場感應區(qū)時被荷上電荷，而處在電場區(qū)內(nèi)的靶標作物表面則會感應出和電極極性相反的電荷；根據(jù)帶電粒子同性相斥異性相吸的作用原理，荷電霧滴受到充電電極的排斥作用力，沿電場線向靶標作物做定向運動，因電場線分布于目標的各個部位且呈環(huán)抱式分布，而使霧滴向目標的各個位置沉降[15]。因此，航空靜電噴霧技術最重要的優(yōu)勢之一是不僅使靶標作物葉片正面吸附霧滴，背面和隱蔽部位均可附著藥液霧滴。

1.目標 2.噴嘴 3.帶電霧滴 4.地面圖1 靜電噴霧技術原理圖[1]Fig.1 Electrostatic spray technology

1.2 高壓靜電霧滴荷電原理

高壓靜電給霧滴荷電一般主要有3種方式：電暈荷電法、接觸式荷電法和感應荷電法，荷電裝置及荷電原理圖如圖2和圖3所示。

1.噴桿 2.噴頭 3.噴霧霧滴流 4.充電極環(huán) 5.針狀電極圖2 靜電裝置工作原理圖[16]Fig.2 Working principle diagram of electrostatic device

(a) 電暈荷電 (b) 感應荷電 (c) 接觸荷電圖3 霧滴荷電的電路原理圖[19]Fig.3 Schematic of charged droplets

電暈荷電法，如圖2和圖3(a)所示。將L1和L2同時接地，L3接靜電高壓發(fā)生電源的正極輸出引腳，尖端針狀電極被高壓靜電發(fā)生器充電后進行放電，將空氣擊穿電離產(chǎn)生局部強電場，藥液霧滴經(jīng)過電場區(qū)荷上電荷。藥液經(jīng)噴頭噴出后霧化， 霧化后的霧滴在噴頭外部被荷電，通常需要2萬V以上高壓才能實現(xiàn)。

感應式荷電法，如圖2和圖3(b)所示。在L1和L2之間加電源，去掉尖端電極，在噴頭的噴嘴與充電極環(huán)之間形成的感應電場給霧滴荷電。感應荷電方式?jīng)Q定了電極必須要與藥液霧滴絕緣，感應荷電需要的電壓較低，通常1萬V以內(nèi)即可實現(xiàn)荷電，可直接將高壓線連在普通噴頭的感應電極上。

接觸式荷電法，如圖2和圖3(c)所示。L1直接接高壓靜電發(fā)生器輸出引腳，或?qū)⒁_接入管路藥液中，感應極環(huán)和尖端電極均去除，液體和大地之間形成電場，根據(jù)集膚效應，藥液表面集聚大量電荷，霧化后的霧滴帶電。由于藥液霧滴經(jīng)噴頭噴出到地面的距離比較大，所以這種霧滴荷電方式需要的荷電電壓較高，電壓大約要達到2萬V[17]。

對比以上荷電方法，電暈荷電方式需將空氣電離產(chǎn)生局部強電場，接觸式荷電方式將藥液極化，感應荷電方式通過感應電場時使霧滴荷上電荷[18]。

2 國內(nèi)外農(nóng)業(yè)航空靜電噴霧現(xiàn)狀

2.1 國外農(nóng)業(yè)航空靜電噴霧發(fā)展現(xiàn)狀

靜電噴霧技術是近年來發(fā)展較快、應用較廣并被廣泛關注的一項先進的植保施藥技術。20世紀40年代，法國的Hampe通過噴撒農(nóng)藥進行了靜電技術的首次試驗研究，隨后，美國的一些大學(如佐治亞大學)相繼開展了靜電噴霧技術應用研究。結果表明：利用靜電噴施粉劑農(nóng)藥，可以大幅提高藥粉的附著率和沉積量。歐美的部分國家，大幅度減少粉劑農(nóng)藥，靜電施藥技術應用從粉劑逐漸轉(zhuǎn)化為液體農(nóng)藥的使用量，如英國、加拿大、美國等一些國家相繼展開了靜電噴施液體農(nóng)藥的相關試驗研究。結果表明：靜電噴霧對藥液沉降具有促進作用，靜電作用不僅提高了藥液霧滴在靶標背面的附著率，同時在一定程度上也抑制了小霧滴的飄移，有效提高了施藥效果。

早在20世紀60年代，靜電噴霧技術被應用于農(nóng)業(yè)航空領域。美國農(nóng)業(yè)部(USDA-ARS)Calton博士和Isler博士[20]研制設計出一種電動旋轉(zhuǎn)式噴嘴，利用高壓充電環(huán)給霧滴荷電[21]，如圖4所示。航空噴灑試驗過程中發(fā)現(xiàn)，這種荷電方式可以給藥液霧滴荷上電荷；并且，使用雙極充電模式[22]給藥液霧滴充電，藥液霧化效果更好，霧滴在電場力作用下迅速沉降，對霧滴飄移起到了一定的抑制作用，提高了噴霧效果。

在開展靜電噴灑粉劑農(nóng)藥的研究基礎上，Calton建立了基于Cessna180型農(nóng)用飛機機身電容和飛行作業(yè)高度的函數(shù)[23]；此后，Calton和Bouse開展了靜電噴霧充電理論以及電場分布理論的相關研究，通過采樣機身周圍的電荷經(jīng)測量分析電場強度[24]。結果表明：根據(jù)集膚效應原理，電荷容易集聚在機身表面產(chǎn)生電暈放電，飽和狀態(tài)后首先在翼尖處產(chǎn)生尖端放電，改變飛機飛行高度或者機體幾何形狀機身表面集聚的電荷分布隨之發(fā)生改變[25]。這些試驗研究給后期開展靜電噴霧技術應用在航空噴霧作業(yè)上提供了理論依據(jù)和研究基礎。

圖4 早期電動旋轉(zhuǎn)式噴嘴[21]Fig.4 Early electrostatic rotary spray nozzle

20世紀80年代末，美國佐治亞大學的S．E．Law[26]等專家根據(jù)靜電噴施液體農(nóng)藥研究分析結果，成功研制了氣助式靜電噴霧系統(tǒng)(AA—ESS) 和靜電噴霧系統(tǒng)(ESS)。自20世紀90年代以來,氣助式靜電噴霧系統(tǒng)(AA-ESS)[27]作為比較先進的地面噴霧器械問世，該系統(tǒng)采用電極嵌入式靜電感應噴頭，噴頭使噴射霧滴通過噴嘴處的環(huán)形電極時產(chǎn)生電荷，帶電霧滴受壓縮氣體湍流的動力作用以極高的速度運輸?shù)街参锕隗w內(nèi)。其沉積密度提高2倍以上，大大提高了農(nóng)藥與植物病蟲害的接觸面積，增強防治效果約1.5～2倍，用藥量比液壓噴霧器節(jié)約50%以上。

為了達到更好的病蟲害防治效果，各國開始研究更先進的靜電噴霧技術，相繼開始對靜電噴霧技術在農(nóng)業(yè)航空施藥上展開更深入的研究。

1966年，Carlton等研究人員開展航空靜電噴霧技術研究且在1999年Carlton獲得該系統(tǒng)專利[28]。該系統(tǒng)與地面不同之處是，每一相距30mm相連的2個噴嘴組成[29](見圖5)，飛機機身和支架上靜電場近似于零[30]，研究分析得到了充電電壓、噴霧壓力、霧滴平均直徑和施藥量等較佳的噴霧參數(shù)。2001年，Kirk、Carlton[31-33]等研究人員開展了系統(tǒng)在棉花上的田間應用效果試驗；2003年，Kirk[34]等開展了抗飄移性能試驗研究，結果表明：農(nóng)用飛機搭載航空靜電噴霧系統(tǒng)噴霧作業(yè)，施藥量明顯減少，藥液霧滴沉降速度及沉積率明顯提高，但對病蟲害防治效果和減少下風處的噴霧飄移并沒有明顯的作用。

圖5 航空靜電噴頭Fig.5 Air electrostatic spray nozzle

噴嘴結構是影響航空靜電噴霧藥液霧化效果和霧滴荷電大小重要的因素之一，不同類型的噴嘴直接影響霧滴的霧化效果[35]。各國相繼對靜電噴嘴做了相關方面的研究，其中液力霧化噴嘴和旋轉(zhuǎn)離心霧化噴嘴(見圖6) 為主要的兩大類型噴嘴模型。液力霧化噴嘴模型設計與地面施藥器械噴嘴的區(qū)別主要是由于飛機飛行速度較快、高速空氣流及安裝角度等各個方面的因素造成的。其中，可以隨意改變噴嘴孔徑大小的CP 噴嘴適應各種噴霧，應用較為廣泛。

圖6 航空施藥噴頭[35]Fig.6 Air spraying nozzle

早在1954年開始，Akesson、Bouse 、Hewitt、Picot[36]等對噴嘴霧滴譜的影響參數(shù)開展了相關實驗研究，因沒有統(tǒng)計出有效的數(shù)據(jù)而間斷。直到1990年，由幾十家美國企業(yè)組成的農(nóng)藥飄移研究小組(Spray drift task force，SDTF) 統(tǒng)計分析了近2 000個噴嘴產(chǎn)品的數(shù)據(jù)對噴嘴飄移[37]特性進行了評估分析；幾年后，Hermansky、Hewitt[38]等分別建立了相應的噴嘴模型。

目前，美國將其中的DSDAARS的DropKirk模型作為航空施藥作業(yè)條件選擇的重要依據(jù)[39]。該模型對航空靜電噴頭的研究設計提供了技術基礎，為解決航空靜電噴頭靜電霧化、荷電特性和噴頭結構優(yōu)化等相關問題提供了理論依據(jù)，也為后期研究適用于植保無人機靜電噴霧的靜電噴頭提供了技術基礎。

2.2 國內(nèi)農(nóng)業(yè)航空靜電噴霧研究現(xiàn)狀

我國開展將靜電噴霧技術應用在農(nóng)藥噴施領域研究起步比較晚。20世紀70年代末，我國逐漸開始涉足該領域的技術研究，很多學者及專家主要針對地面噴藥器械研究了藥液霧滴粒徑、荷質(zhì)比的大小、靜電噴頭靜電霧化性能、霧滴沉降規(guī)律及分布密度特性等參數(shù)[40-42]，先后研制了手持式靜電噴霧器、手持電場擊碎式靜電噴霧器、高射程靜電噴霧器和風動轉(zhuǎn)籠式靜電噴霧機[43]。同時，針對多種靶標農(nóng)作物，進行了靜電噴霧器械噴霧性能和病草蟲害的防治效果試驗驗證和參數(shù)測定。

直到2011年，茹煜、周宏平等以固定翼Y5B農(nóng)用飛機為測試試驗研究對象，設計了一種航空靜電噴霧系統(tǒng)(見圖7)，主要包括航空靜電噴嘴、高壓直流電源及內(nèi)嵌式圓柱電極感應荷電裝置等，具有促進霧滴霧化均勻、荷電充分的作用。與Y5B農(nóng)用飛機配套試驗，運用該系統(tǒng)噴施滅蟲劑，進行了靜電噴霧與非靜電噴霧條件下有效噴幅、霧滴沉積、霧滴飄移試驗研究[44]。

(a) 航空靜電噴霧系統(tǒng)

(b) 雙極噴霧模式圖7 植保無人機靜電噴施系統(tǒng)[5]Fig.7 Electrostatic spraying system for plant protection UAV

試驗結果表明：靜電噴霧能使霧滴沉積提高14個/cm2，有效噴幅高達42m。靜電作用可抑制霧滴漂移且霧滴分布均勻，且提高霧滴沉降分布效果，減少了環(huán)境污染，有效提高了農(nóng)藥利用率，而運用航空噴霧技術可大大提高農(nóng)林病蟲害防治效率。航空靜電噴霧是以上兩種技術的結合，在防治農(nóng)林病蟲害的實際應用上發(fā)揮更大的作用。2012年，他們繼續(xù)對航空靜電噴霧系統(tǒng)裝置做了改進，并進行試驗，對效果進行對比，但并未將其移植于植保無人機進行藥液沉積試驗，沒有研究該系統(tǒng)在無人機植保領域的適用性。

為了達到更有效的航空植保施藥效果，促進航空施藥技術在國內(nèi)植保無人機上的應用。2013年，周立新、薛新宇等對無人直升機農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)進行了研究[45]。如圖8(a)所示：系統(tǒng)主要包括電動離心噴頭、折疊式噴桿、藥箱、控制系統(tǒng)、液泵及機架等。藥液箱采用雙加液口、對稱式流線型結構，可以有效減少空氣阻力，大幅度增加飛機飛行的穩(wěn)定性。如圖8(b)所示：施藥控制系統(tǒng)通過GNSS自動化導航與智能控制等技術實現(xiàn)定點精準施藥，并監(jiān)控整個施藥過程，避免出現(xiàn)重噴、漏噴。開展了水稻病蟲害防治對比試驗，結果表明：在水稻分蘗期，無人直升機農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)的防治效果相對常規(guī)擔架式噴霧機噴灑農(nóng)藥的防治效果占有優(yōu)勢，施藥10天后，防治效果最為顯著。無人直升機施藥技術將傳統(tǒng)常規(guī)施藥技術和無人直升機技術兩種技術相結合，既保留了傳統(tǒng)常規(guī)噴藥的優(yōu)點，也更好地改進了常規(guī)噴藥的不足，大大提高了防治效率。無人機具有尺寸小、質(zhì)量輕、易操控、噴灑效果好、作業(yè)效率高及防治效果好等優(yōu)點，對于中、小田塊的病蟲害防治或大田塊局部精準施藥有著明顯的優(yōu)勢，是當前航空施藥作業(yè)裝備與技術的研究及發(fā)展重點；受到技術水平、作業(yè)安全性及復雜環(huán)境等因素的制約。

1.電動離心噴頭 2.折疊式噴桿 3.藥液箱 4.施藥控制系統(tǒng) 5.液泵 6.機架 7.無人直升機 (a) 農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)

(b) GNSS導航定位系圖8 植保無人機農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)施藥控制系統(tǒng)原理Fig.8 Agricultural pesticide spraying spraying system of plant protection UAV control system principle

農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)裝載在無人直升機上，無人直升機的飛行穩(wěn)定性受到一定的影響，同時增加了無人直升機的操控復雜性。該研究針對無人直升機飛行特性與施藥特點，研究設計出了無人直升機農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)，并進行田間病蟲害防治。無人機農(nóng)藥噴施試驗說明了無人機運用的廣泛性，無人機運用于植保作業(yè)領域具有其獨特的優(yōu)勢，但仍然存在漂移損失、藥液霧滴在靶標背面不易沉積等問題，將航空靜電施藥技術運用到無人機植保上具有廣闊的前景和應用價值。

2014年，金蘭、茹煜等研究人員針對圓錐狀電極式航空靜電噴頭進行了性能試驗研究[46]，優(yōu)化改進了航空靜電噴頭結構，如圖9所示。

(a) 原有航空靜電噴頭

(b) 改進型航空靜電噴頭圖9 改進前后航空靜電噴頭[46]Fig.9 Improved air electrostatic spray nozzle

利用激光粒度儀、法拉第筒和粒子圖像測速系統(tǒng)(PIV)研究噴頭噴嘴直徑、噴霧壓力、荷電電壓參數(shù)對于靜電噴頭霧滴粒徑、荷質(zhì)比、荷電霧滴霧化流場的影響。研究分析得出：藥液霧滴粒徑主要影響因素包括噴嘴直徑、噴霧壓力和荷電電壓等參數(shù)，噴霧壓力對霧滴粒徑影響最為明顯；其次是噴嘴直徑；荷電電壓大小變化對霧滴粒徑影響較小，但可促進霧滴間相互作用二次霧化。荷質(zhì)比隨電壓的增加而增加，最大可達到 2.09 mC/kg，并在電壓為 8kV 以后趨于飽和，荷質(zhì)比隨霧滴粒徑的變大呈下降趨勢，但是影響并不明顯。此次航空靜電噴頭的改進研究，為提高航空靜電噴霧作業(yè)質(zhì)量和高效噴灑應用提供有利依據(jù)，并給植保無人機靜電噴施系統(tǒng)的研究開發(fā)提供了技術基礎。

在此研究基礎上，茹煜等研究人員初步研究設計了無人機直升機航空靜電噴霧系統(tǒng)[47]，如圖10所示；試驗驗證了靜電噴霧技術在無人機上運用的可行性，說明了在靜電作用的條件下，霧滴霧化效果要比非靜電噴霧要好，相同藥量條件下靜電噴霧更能發(fā)揮藥液的效能。該試驗沒有研究如靜電噴頭結構、電壓大小及無人機飛行條件等參數(shù)對無人機噴霧效果的影響，無人機靜電噴霧仍需不斷深入研究。

農(nóng)業(yè)航空技術在農(nóng)林植保的應用已納入科技部和農(nóng)業(yè)部在“十二五 ” 科研規(guī)劃重要支持方向[48]，航空靜電噴霧技術需在農(nóng)業(yè)航空施藥的基礎上展開更深入的研究。

在農(nóng)業(yè)航空靜電噴霧技術應用廣泛性和適用性的研究基礎上，與部分發(fā)達國家相比，我國對航空靜電噴施基礎理論原理、藥液霧滴沉積特性、霧滴荷電原理、變量控制施藥及精準施藥等方面仍存在不足，后期需展開大量的試驗研究，為航空靜電噴霧技術在植保無人機的廣泛應用提供理論依據(jù)和技術保障。

1.機身 2.藥箱 3.起落架 4.噴頭 5.擺動懸臂 6.電池 7.水泵 8.控制裝置 9.高壓靜電發(fā)生器圖10 植保無人機噴霧系統(tǒng)Fig.10 Plant protection UAV - based spraying system

3 存在的問題與思考

3.1 荷質(zhì)比的實時測量方法

荷質(zhì)比作為衡量航空靜電噴霧系統(tǒng)性能的重要指標之一，是研究植保無人機靜電噴霧技術荷電特性與靜電噴霧下霧化效果的重要基礎，荷質(zhì)比是影響噴霧幅寬、霧滴粒徑、霧滴沉降速度及霧滴的沉積規(guī)律等重要參數(shù)之一。

法拉第筒測量法是目前帶靜電物體荷質(zhì)比測量的常用方法。但傳統(tǒng)的法拉第筒無法直接用于測量靜電噴霧霧滴的荷質(zhì)比，主要存在如下幾方面的問題。

1)傳統(tǒng)的法拉第筒內(nèi)外筒之間不封閉，霧滴容易進入內(nèi)外筒的間隙中，造成電荷損失，影響測量的準確度。

2)傳統(tǒng)的法拉第筒缺少液體收集裝置，不便于進行噴霧霧滴總質(zhì)量的確定，影響荷質(zhì)比的計算。

3)傳統(tǒng)的法拉第筒缺少電荷量采集及數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)，難以對噴霧霧滴荷質(zhì)比進行實時采集與分析。

3.2 荷電方式的優(yōu)化

前文提到的3種靜電荷電方式中，常規(guī)的人力背負式作業(yè)器械一般采取直接荷電(接觸式荷電)方式；但由于該荷電方式要求藥液具有很強的導電性，且要在液體和大地之間形成電場，而由于飛機的作業(yè)性質(zhì)及本身結構及材料的特點決定了該方式難以在植保無人機上應用。電暈荷電法需要較高的電壓，易對植保無人機的機上電子設備造成干擾。因此，相比之下，感應荷電方式較適合在植保無人機上應用。目前，感應荷電方式要解決的關鍵問題包括靜電發(fā)生器過重及霧滴荷電量不夠充足等；另外，由于噴頭結構多樣，不同藥液劑型的粘度、電導率差異較大，霧滴譜也有較大差異。因此，不同噴頭條件下如何獲得最大荷電量，取得最佳噴霧效果，仍需開展大量試驗進行優(yōu)化選擇和創(chuàng)新設計。

3.3 航空專用靜電液劑

目前，市場上常用航空噴施制劑大部分為用于地面機械的可濕性粉劑和水懸浮劑，主要缺點是耗水量大；而植保無人機有效載荷量有限，既要保證藥液達到規(guī)定的施用量，又要保證作業(yè)效率，目前的解決方案是采用高濃度超低量噴霧方式，這就要求霧滴更細、沉積量更大。采用水溶劑方式進行超低容量噴霧，存在霧滴粒徑小、揮發(fā)快、電導率較高、靜電荷電效果不理想等諸多瓶頸性問題，亟需開發(fā)航空專用靜電液劑，在藥液用量更少的情況下，減少揮發(fā)、提高霧滴荷電量、增加沉積率，以及提高藥液霧滴在靶標表面的分布均勻性，達到更好的防治作業(yè)效果。

3.4 高壓靜電發(fā)生系統(tǒng)的模型建立與電磁干擾消除

植保無人機搭載靜電噴霧系統(tǒng)進行航空施藥時，高壓靜電對植保無人機上電子設備的干擾，進而對飛機作業(yè)安全、穩(wěn)定性造成的影響是目前人們對植保無人機領域應用靜電噴施技術的主要擔憂之一，高壓靜電發(fā)生器產(chǎn)生的靜電高壓如果沒有做相應的隔離保護有可能干擾飛控、GNSS接收器等相關器件，影響其信號接收的穩(wěn)定性。針對這些干擾問題，可采用強弱電隔離、弱電保護及接地保護等措施解決；同時，需開發(fā)功耗小、性能穩(wěn)定的植保無人機靜電噴施系統(tǒng)，避免系統(tǒng)本身的不穩(wěn)定性問題和安全性問題的發(fā)生。

基于上述提到的關鍵性問題，在航空靜電噴霧技術應用在植保無人機噴藥作業(yè)的研究過程中，可應用粒子成像測速技術(Particle Image Velocimetry， PIV)及激光多普勒測速技術(Laser Doppler Velocimetry，LDV)等相關技術[49]，針對靜電霧化、霧滴荷電理論，開展深入試驗研究，逐步建立精確的數(shù)學模型[50]；研制耐壓值更高(5萬V左右)、結構性能更好的靜電霧化噴頭材料，改進霧滴荷電方式，設計荷電性能優(yōu)良的航空靜電噴頭，提高噴頭荷電穩(wěn)定性、安全性和使用壽命；優(yōu)化改進高壓靜電電場和霧化流場的模擬方法，設計完善施藥系統(tǒng)；優(yōu)化改進高壓靜電發(fā)生器，設計強弱電隔離電路與模塊，避免高壓靜電對植保無人機飛行的影響；研制適用于植保無人機靜電噴霧的專用靜電藥劑，增強霧滴荷電性能，提高藥液霧滴靶標附著率，降低環(huán)境污染。

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