大載荷無人直升機(jī)靜電噴霧沉積特性試驗(yàn)研究

王軍鋒，卜佳振，王曉英，羅博韜

(江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

中國每年因病蟲害造成的糧作物損失達(dá)4000萬t，約占全國糧食總產(chǎn)量的10%，農(nóng)業(yè)病蟲害嚴(yán)重阻礙了中國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)定增長.傳統(tǒng)地面機(jī)械噴施方式作業(yè)成本高、藥劑有效利用率低，且易對植株造成損傷[1].隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要，植保無人直升機(jī)因其作業(yè)靈活、地形適應(yīng)性好、噴施效果好等優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛的關(guān)注，并取得了迅速發(fā)展[2-3].旋翼直升機(jī)中，大載荷無人直升機(jī)擁有比小型植保無人機(jī)大2～5倍的載重量，近地前飛過程中旋翼產(chǎn)生的最大向下風(fēng)速能達(dá)到14m/s.霧滴的穿透性受氣流輸運(yùn)作用的影響得到增強(qiáng)，這有利于霧滴在中下部葉片表面上的沉積[4].靜電噴霧因霧滴尺寸均勻、沉積性能好等優(yōu)點(diǎn)受到植保行業(yè)廣泛關(guān)注[5-6].將大載荷無人直升機(jī)與靜電噴霧有機(jī)結(jié)合，能夠滿足無人直升機(jī)低空、低量、均勻噴施、精準(zhǔn)噴灑的要求，有效提高施藥效率，改善施藥質(zhì)量.

霧滴沉積量和沉積均勻性是衡量無人直升機(jī)靜電噴灑質(zhì)量的重要參數(shù).影響無人直升機(jī)靜電噴灑質(zhì)量的因素眾多，噴嘴類型、飛行參數(shù)和環(huán)境等因素均對沉積量和沉積均勻性有影響[7].針對無人直升機(jī)靜電噴灑裝置的開發(fā)、噴霧的沉積特性及產(chǎn)生的病蟲害防治效果，國內(nèi)外專家學(xué)者開展了一系列探索.MOON等[8]設(shè)計(jì)了一種環(huán)狀感應(yīng)式靜電噴嘴，試驗(yàn)驗(yàn)證了感應(yīng)荷電能減小霧滴粒徑，增大了霧滴在靶標(biāo)表面的沉積量.蘭玉彬等[9]探究了電極材料對靜電噴嘴霧化效果和荷電性能的影響.CARLTON等[10]采用旋轉(zhuǎn)式靜電噴嘴進(jìn)行了噴灑棉花的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明靜電噴霧能有效增強(qiáng)霧滴在作物冠層中的穿透性.KIRK等[11]致力于靜電噴霧和常規(guī)噴霧噴灑效果的對比試驗(yàn)，通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)航空靜電噴霧能有效增加霧滴在棉花植株冠層中上部的沉積量.茹煜等[12]針對XY8D型無人直升機(jī)設(shè)計(jì)了整套靜電噴霧系統(tǒng)，確定了流量0.4L/min、噴霧壓力0.3MPa、感應(yīng)電壓8kV為該無人直升機(jī)作業(yè)參數(shù)，并通過田間試驗(yàn)對比了靜電噴霧與非靜電噴霧的沉積效果，結(jié)果表明靜電噴霧明顯增加了藥液在水稻各層葉片上的沉積量.

目前國內(nèi)外主要研究了大型固定翼植保飛機(jī)以及載重量小于30kg的小型無人直升機(jī)靜電噴灑的沉積效果，對大載荷無人直升機(jī)靜電噴灑沉積效果尚未有較系統(tǒng)的研究.文中擬在正交試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用Box-Behnken響應(yīng)面法進(jìn)行試驗(yàn)，探索荷電電壓、飛行速度和飛行高度對大載荷無人直升機(jī)靜電噴霧的影響.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立單位面積沉積量、沉積量變異系數(shù)關(guān)于荷電電壓、飛行速度和飛行高度的二次多項(xiàng)式回歸模型，以期為大載荷無人直升機(jī)實(shí)際靜電噴灑作業(yè)提供參考和依據(jù).

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

主要試驗(yàn)裝置如圖1所示，其中包含F(xiàn)R-200型大載荷植保無人直升機(jī)、靜電噴霧系統(tǒng)、采樣裝置、環(huán)境監(jiān)測設(shè)備以及荷質(zhì)比測量裝置等.

圖1 試驗(yàn)裝置圖

1.1.1 飛行平臺(tái)及噴霧系統(tǒng)

本次噴霧作業(yè)采用最大載荷量80 kg的FR-200型大載荷單旋翼植保無人直升機(jī)(飛瑞航空科技(江蘇)有限公司)，區(qū)別于小型旋翼無人直升機(jī)，其旋翼產(chǎn)生的下洗氣流能顯著影響噴霧霧滴的沉積特性.FR-200型大載荷無人直升機(jī)主要性能參數(shù):無人機(jī)機(jī)身長、寬、高分別為3.8，1.2，1.5 m，最大載重量為80 kg，飛行速度范圍2～8m/s，自行遙控設(shè)置，噴幅為6～8m，主旋翼碳纖材料長度4.2m，旋翼轉(zhuǎn)速為900r/min.

航空靜電噴霧系統(tǒng)主要由靜電噴嘴、高壓靜電發(fā)生器、蓄電池、泵、管路、藥箱、噴桿及支撐架等部分構(gòu)成.支撐架由碳纖材料制成，固定在飛機(jī)的起落架上，用以搭載藥箱(容量60L)、隔膜泵(12V，0～1MPa，型號(hào)PLD-1201)、靜電高壓發(fā)生器(輸入5V，輸出4～10kV)以及5V蓄電池等部件.兩側(cè)噴桿為可折疊式，用以承載靜電噴嘴、導(dǎo)線和管路.試驗(yàn)前按照圖2所示方式，無人直升機(jī)兩側(cè)噴桿上各垂直向下安裝4個(gè)空心錐形感應(yīng)靜電噴嘴，噴嘴之間兩兩相隔50cm.無人機(jī)噴霧系統(tǒng)利用雙極噴霧模式進(jìn)行荷電，即兩側(cè)靜電噴嘴利用高壓靜電發(fā)生器分別荷相反電荷.試驗(yàn)時(shí)噴霧工作壓力設(shè)定為0.3MPa，此時(shí)單個(gè)靜電噴嘴流量為240mL/min.

圖2 靜電噴霧系統(tǒng)

1.1.2 環(huán)境監(jiān)測及取樣裝置

采用熱線風(fēng)速儀持續(xù)監(jiān)測試驗(yàn)過程中的風(fēng)速和風(fēng)向，同時(shí)采用溫濕度表對試驗(yàn)時(shí)的溫濕度進(jìn)行監(jiān)測.試驗(yàn)當(dāng)日環(huán)境參數(shù)為溫度29℃、濕度61%、側(cè)風(fēng)風(fēng)速0～0.2m/s.利用由支架、雙頭夾子以及3.5cm×11cm的水敏紙組成的采樣裝置對無人直升機(jī)靜電噴霧霧滴進(jìn)行收集.

1.2 霧滴荷質(zhì)比測量

霧滴荷質(zhì)比是影響航空靜電噴灑沉積特性的重要參數(shù).田間試驗(yàn)前采用法拉第筒法對不同工況下霧滴荷質(zhì)比進(jìn)行測量.試驗(yàn)中選取電壓范圍為2～10kV，每隔2kV測量1組數(shù)據(jù)，試驗(yàn)重復(fù)3次，以平均值作為霧滴荷質(zhì)比有效數(shù)據(jù).噴霧壓力p為0.3MPa時(shí)，不同荷電電壓下的霧滴荷質(zhì)比如圖3所示.由圖可以看出，霧滴荷質(zhì)比Q隨荷電電壓U的升高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在8kV時(shí)達(dá)到最大值1.21mC/kg.產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是感應(yīng)荷電前期處于歐姆導(dǎo)電階段，荷質(zhì)比與荷電電壓呈正比.當(dāng)荷電電壓繼續(xù)增大時(shí)，荷電進(jìn)入飽和電流區(qū)，此時(shí)荷質(zhì)比隨荷電電壓的升高，增加幅度趨于平緩.當(dāng)電壓增大到一定值后，電極開始電暈放電，荷質(zhì)比隨電壓的升高而減小.

圖3 霧滴荷質(zhì)比隨荷電電壓變化的曲線

1.3 田間沉積試驗(yàn)

1.3.1 田間試驗(yàn)方法

此次試驗(yàn)于2018年4月下旬在位于119.5114E、32.1986N的鎮(zhèn)江航空航天產(chǎn)業(yè)園試驗(yàn)田中進(jìn)行.試驗(yàn)前選取20m×15m的無遮攔物地區(qū)作為試驗(yàn)區(qū)域.依據(jù)圖4所示，在垂直于無人機(jī)飛行方向上并排布置11個(gè)采樣支架，相鄰兩采樣支架之間的距離為0.6m.將水敏紙朝向同一方向，用雙頭夾子夾在采樣支架上距離地面0.8m處.為保證試驗(yàn)過程中無人機(jī)沿采樣區(qū)域中軸線方向飛行，采用FR-200型大載荷無人直升機(jī)搭載GPS定位系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)定位.此外，為保證采樣區(qū)域內(nèi)噴霧的穩(wěn)定性，無人直升機(jī)在距離采樣區(qū)10m處提前開啟噴霧，飛離采樣區(qū)10m后再關(guān)閉噴霧.每個(gè)工況重復(fù)試驗(yàn)3次，取3次試驗(yàn)的沉積量平均值作為有效值.

圖4 采樣點(diǎn)布置圖

為防止農(nóng)藥對試驗(yàn)人員造成傷害，試驗(yàn)時(shí)使用純水進(jìn)行噴灑作業(yè).每組試驗(yàn)完成后，將晾干的水敏紙逐張編號(hào)，收入并保存在密封袋中.利用DepositionScan軟件處理從水敏紙上采集到的霧滴沉積圖像，獲取各樣本上的單位面積沉積量.

FR-200型大載荷無人直升機(jī)每完成1組試驗(yàn)所需飛行時(shí)間為10～20s.試驗(yàn)過程中霧滴沉積特性易受風(fēng)速和溫濕度的影響，因此需時(shí)刻監(jiān)測試驗(yàn)過程中風(fēng)速和溫濕度的變化，剔除變化過大的試驗(yàn)組數(shù)據(jù)，以減小試驗(yàn)誤差.

1.3.2 響應(yīng)面法試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)以荷電電壓U、飛行速度v和飛行高度H(噴嘴距水敏紙的垂直距離)為影響因素，以單位面積沉積量Y1和沉積量變異系數(shù)Y2作為霧滴沉積特性的評價(jià)參數(shù)，通過單因素試驗(yàn)與Box-Behnken響應(yīng)面法試驗(yàn)相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，總計(jì)需進(jìn)行15組試驗(yàn).響應(yīng)面試驗(yàn)各影響因素參數(shù)值設(shè)定：荷電電壓參數(shù)值為4,6,8kV;飛行速度參考數(shù)值為3,5,7m/s；飛行高度為3,4,5m.

1.3.3 數(shù)據(jù)處理方法

(1)

(2)

(3)

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)分析

2.1.1 荷電電壓的影響規(guī)律

圖5為飛行高度4m、飛行速度5m/s時(shí)，霧滴隨荷電電壓變化呈現(xiàn)出的沉積分布情況，圖中D為水平位置.從圖中可以看出，靜電噴霧的沉積量明顯高于非靜電噴霧，且隨著電壓增加，各組試驗(yàn)采樣點(diǎn)的單位面積沉積量Xi峰值也隨之增大，由0kV的0.376μL/cm2提高到8kV時(shí)的0.651μL/cm2.

圖5 電壓對沉積分布的影響

從圖6不同電壓下的沉積特性計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)霧滴荷質(zhì)比隨荷電電壓U升高而增加時(shí)，霧滴與靶標(biāo)作物間的靜電力亦隨之增強(qiáng)，從而達(dá)到了增大霧滴在靶標(biāo)作物表面沉積量Y1的效果.此外，從圖6還能看出，隨著荷電電壓的升高，變異系數(shù)Y2不斷減小，即升高荷電電壓能有效提高靜電噴霧的沉積均勻性.

圖6 沉積特性隨荷電電壓變化的曲線

2.1.2 飛行速度的影響規(guī)律

圖7為飛行高度4m、荷電電壓8kV時(shí)，霧滴隨飛行速度變化而呈現(xiàn)的沉積分布情況.從圖中可以看出，隨著飛行速度v的增加，霧滴在靶標(biāo)作物表面的沉積量不斷減少，單位面積沉積量峰值由飛行速度3m/s時(shí)的0.705μL/cm2逐漸減小至飛行速度7m/s時(shí)的0.458μL/cm2.原因是單位時(shí)間內(nèi)靜電噴霧系統(tǒng)的噴灑量保持不變，飛行速度越快，無人機(jī)在單次作業(yè)噴灑的時(shí)間越短，總噴霧量減小，沉積量隨之減少.圖8為沉積特性隨飛行速度變化的曲線.

圖7 飛行速度對沉積分布的影響

圖8 沉積特性隨飛行速度變化的曲線

從圖8不同飛行速度下的沉積特性計(jì)算結(jié)果可以看出，減小飛行速度能改善無人機(jī)靜電噴霧沉積均勻性.這主要是由于無人機(jī)飛行速度越慢，下洗氣流對空氣中霧滴的擾動(dòng)越小，越有利于霧滴在空氣中的自然彌散，從而提高了噴霧霧滴的沉積均勻性.

2.1.3 飛行高度的影響規(guī)律

圖9為飛行速度5 m/s、荷電電壓8 kV時(shí)，霧滴隨飛行高度H變化而呈現(xiàn)的沉積分布情況.從圖中可以看出，隨著飛行高度的增加，霧滴單位面積沉積量呈現(xiàn)出下降趨勢.這是由于增加飛行高度延長了霧滴沉降到靶標(biāo)作物表面的時(shí)間，造成了霧滴的大量蒸發(fā)，使實(shí)際沉積到靶標(biāo)表面的霧滴量減少.

圖9 飛行高度對沉積分布的影響

圖10為不同飛行高度下的沉積特性計(jì)算結(jié)果.由圖可以看出，沉積均勻性隨著飛行高度的增加得到了略微的改善.這是由于飛行高度增加的同時(shí)，削弱了無人機(jī)下洗氣流對靶標(biāo)附近霧滴的擾動(dòng)，霧滴在空氣中自然彌散能力增強(qiáng)，沉積均勻性得到相應(yīng)提高.

圖10 沉積特性隨飛行高度變化的曲線

2.2 響應(yīng)面法試驗(yàn)分析

2.2.1 Box-Behnken響應(yīng)面法試驗(yàn)結(jié)果

單因素試驗(yàn)對沉積特性受荷電電壓、飛行速度和飛行高度的影響規(guī)律做出了定性的分析.為了對各影響因素做進(jìn)一步定量分析，推導(dǎo)出沉積特性參數(shù)與荷電電壓以及飛行參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，采用Box-Behnken響應(yīng)面法設(shè)計(jì)并開展試驗(yàn).Box-Behnken響應(yīng)面法試驗(yàn)工況和試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，表中U為荷電電壓，v為飛行速度，H為飛行高度，Y1為單位面積沉積量，Y2為沉積量變異系數(shù).

表1 不同工況下的沉積特性

2.2.2 響應(yīng)面數(shù)學(xué)模型建立

將FR-200型大載荷無人直升機(jī)飛行參數(shù)和荷電電壓作為函數(shù)的自變量，將沉積特性參數(shù)作為函數(shù)的因變量，借助Design Expert軟件對表3中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元擬合，擬合出的單位面積沉積量Y1、沉積量變異系數(shù)Y2與荷電電壓U、飛行速度v、飛行高度H的二次多項(xiàng)式數(shù)學(xué)模型如下：

Y1=0.39+0.05U+0.04v-0.12H-3.36×10-3Uv+7.21×10-3UH+0.01vH-3.34×10-3U2-0.01v2-5.87×10-3H2,

(4)

Y2=99.21-14.46U-12.07v+22.25H+0.37Uv+1.77UH-0.04vH+0.26U2+1.33v2-4.41H2.

(5)

2.2.3 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

分析Box-Behnken響應(yīng)面法擬合出的預(yù)測模型可得，F(xiàn)R-200型大載荷無人直升機(jī)靜電噴霧的最佳噴灑參數(shù)對應(yīng)的荷電電壓、飛行速度和飛行高度分別為8kV,3.02m/s和3m.為方便操作人員農(nóng)藥噴灑作業(yè)時(shí)設(shè)定參數(shù)，將最佳參數(shù)值四舍五入進(jìn)行修正，修正后的荷電電壓、飛行速度和飛行高度值分別為8kV,3m/s和3m，其對應(yīng)的單位面積沉積量預(yù)測結(jié)果為0.3758μL/cm2，同條件下的沉積量變異系數(shù)預(yù)測結(jié)果為53.99%.為證實(shí)預(yù)測模型的可靠性，對最佳噴灑參數(shù)下的沉積特性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如表2所示，表中e為誤差.由表可知，模型預(yù)測值與試驗(yàn)值之間的相對誤差均低于20%，證實(shí)了該數(shù)學(xué)模型具有一定的預(yù)測效果.

表2 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

文中采用單因素試驗(yàn)定性分析與Box-Behnken響應(yīng)面法定量分析相結(jié)合的試驗(yàn)方法進(jìn)行研究.揭示了FR-200型大載荷無人直升機(jī)靜電噴霧過程中荷電電壓和飛行參數(shù)對沉積特性的影響規(guī)律，建立起單位面積沉積量和霧滴沉積均勻性的預(yù)測數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上確定了能用于指導(dǎo)FR-200型大載荷無人直升機(jī)靜電噴霧施藥的最佳噴灑參數(shù).主要結(jié)論如下：

1) FR-200型大載荷無人直升機(jī)靜電噴霧沉積特性與荷電電壓、飛行速度和飛行高度之間具有直接聯(lián)系.合理地提高荷電電壓，或者適當(dāng)?shù)亟档蛧姙⒆鳂I(yè)時(shí)的飛行速度和高度，能有效提高靜電噴霧霧滴在靶標(biāo)表面的沉積量.此外通過降低飛行速度、提高荷電電壓和飛行高度的方法可以改善靜電噴霧的沉積均勻性.

2) FR-200型大載荷無人直升機(jī)靜電噴霧沉積特性參數(shù)與施藥時(shí)的荷電電壓和飛行參數(shù)之間的預(yù)測模型為

Y1=0.39+0.05U+0.04v-0.12H-3.36×10-3Uv+7.21×10-3UH+0.01vH-3.34×10-3U2-0.01v2-5.87×10-3H2,

Y2=99.21-14.46U-12.07v+22.25H+0.37Uv+1.77UH-0.04vH+0.26U2+1.33v2-4.41H2.

3) 實(shí)際噴灑作業(yè)時(shí)，可將荷電電壓8kV、飛行速度3m/s、飛行高度3m設(shè)定為FR-200型大載荷無人直升機(jī)靜電噴霧的最佳噴灑參數(shù)，該工況能實(shí)現(xiàn)噴霧霧滴沉積量和均勻性的最優(yōu)匹配.