為什么說油動單旋翼植保效果好、效率高、效益多

從2012年我國航空植保的起始元年開始，植保無人機經(jīng)歷了從玩具到工具的轉變，我國進入了航空植保的第一階段。解決了我國植保無人機有無的問題，但是沒有解決效果與效率之間的矛盾?，F(xiàn)在市場上主要有兩種植保器具，油動單旋翼和電動多旋翼。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)航空植保開始之時提出了低容量噴灑技術，有的企業(yè)使用500ml的畝用量來進行噴灑，但是從效果來看，小于1000ml的效果不甚理想，因此國內(nèi)在實際使用時對待病蟲害發(fā)生時、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比，為什么說油動單旋翼比電動多旋翼植保效果好、效率高、效益多?，F(xiàn)從風場、使用壽命、作業(yè)高度和速度上分析，也就是從兩種飛機設計理念上來分析。

一、油動單旋翼比電動多旋翼風場好

單旋翼無人機啟動和飛行時，槳翼始終向右方向旋轉，產(chǎn)生下行的純凈風場，如圖1所示；與多旋翼不同，多旋翼是相鄰的機臂上的槳翼正反旋轉，產(chǎn)生相互抵消的擾流風場；同時，單旋翼翼展比較長，以昆豫K60機型為例，翼展長達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單旋翼植保無人機流場

 

圖2油動單旋翼植保無人機作業(yè)效果圖

多旋翼風場

旋翼在高速旋轉后，旋翼下方一定范圍內(nèi)會形成一種有一定流速、壓力和方向性的氣流場，俗稱風場。不同的飛行平臺，風場差異很大；風場內(nèi)外的空氣流速、風壓等差異也很大。

多旋翼的風場極為復雜，目前尚無有效的理論計算和仿真方法，實踐中大都采用實際測量的方法研究霧滴分布的均勻性和穿透力。

相對單旋翼而言，多旋翼的風場更為復雜，由于多旋翼的相鄰槳需要反向旋轉，不同螺旋槳產(chǎn)生的風場相互干擾，導致多旋翼的風場相對單旋翼要紊亂。同時，隨著旋翼旋翼數(shù)量的增多，風場越紊亂、風壓越小，霧滴分布均勻性、霧滴穿透力、霧滴的沉降率等都會逐漸變差。四旋翼風場計算機簡單仿真圖如圖3所示。

 

圖3四旋翼風場計算機簡單仿真圖

多旋翼植保無人機按照氣動布局分類，可分為X型、十型。

X型氣動布局是在無人機前進方向的等分角度（左前-右前距機頭方向均45°，機尾相同）放置相反方向電機以抵消電機轉動時產(chǎn)生的反扭力（見圖4）。

圖4  X型旋翼氣動布局與電機轉向示意

 

圖5  X型多旋翼植保無人機大疆MG-1S

X型結構是目前多旋翼植保無人機常見的布局，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型結構。它是兩個臂同時朝前，從外形來看恰好是一個X的形狀。

十字型多旋翼氣動結構是早出現(xiàn)的一種多旋翼無人機氣動布局之一（見圖6）。因其氣動布局簡單，只需要改變軸向上電機的轉速，即可改變無人機姿態(tài)從而實現(xiàn)基礎飛行。便于簡化飛控算法的開發(fā)。但由于其構造的原因，導致無人機航拍時前行會導致正前方螺旋槳進入畫面造成不便，隨著飛控系統(tǒng)的進化，在航拍領域X型布局較為普遍，在植保領域十字、X型均有應用。

圖6 十型旋翼氣動布局與電機轉向示意

 

可以看出電動多旋翼先天上風場和油動單旋翼有差別，是經(jīng)過科學驗證的。

設計上也有影響

現(xiàn)在市場上多旋翼多是噴頭-旋翼臂一體化設計和一字噴灑桿式設計：

噴頭-旋翼臂一體化設計是一種成熟的工業(yè)化設計思路，相應產(chǎn)品具有更好的結構統(tǒng)一性。例如，大疆將其植保無人機設計為可折疊式，這極大方便了存放和搬運，在我國中小板塊農(nóng)田作業(yè)的專場過程中，為工作人員提供了便利，節(jié)省了大量勞動力。但另一方面，這種設計必然造成噴頭必須配合旋翼臂的設計尺寸，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，必須對噴灑參數(shù)進行精確而苛刻的設置，一旦出現(xiàn)一點誤差，則會出現(xiàn)重噴或漏噴的情況。

 

 

圖7 噴頭-旋翼臂一體化設計

一字形噴灑桿結構是借鑒了傳統(tǒng)自走式噴桿噴霧機的噴灑系統(tǒng)。這種設計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噴灑效果優(yōu)于噴頭懸臂一體式，昆豫K60植保無人機噴桿可以折疊，方便運輸?shù)耐瑫r有保持了噴桿上的植保優(yōu)勢。

 

 

圖8昆豫一字噴灑桿式設計

二、油動單旋翼和電動多旋翼使用壽命的的差別

1、按機身材質(zhì)分類

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

油動單旋翼植保無人機主要材料是合金，機身重，強度大，通過合理設計，使植保無人機具備了“耐摔”的特質(zhì)，很好地解決了在使用無人機進行大規(guī)模、高強度、連續(xù)性作業(yè)中事故頻發(fā)，經(jīng)濟成本、時間成本過高的問題。

另外，通過多年摸索，業(yè)內(nèi)逐漸認識到，植保無人機的重量和噴灑效果具有很強相關性。因為無人機空中重量和下壓風場強度成正比，而下壓風場的強弱對噴灑效果，尤其是霧滴的穿透性影響很大。“植保無人機不能太輕”這個理念正在被越來越多的業(yè)內(nèi)人士和用戶所接受。

植保無人機作為航空飛行器的一種，首先應該保障飛行器飛行的穩(wěn)定性、安全性。這是對植保飛行器基本的技術要求，而農(nóng)藥噴灑效果則是評定農(nóng)業(yè)植保設備性能優(yōu)劣的重要標準。昆豫K60實現(xiàn)了油動單旋翼的穩(wěn)定性、安全性的同時，購買綜合成本低，模塊化設計易維護，合金機體耐使用

2、按可靠性設計理念分類。

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

為了解決植保無人機“炸機”的問題，在通過合理氣動設計，盡量提高飛機穩(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：

一種是增強飛機規(guī)避“炸機”因素的能力，比如：雷達定高（仿地形飛行）、自動避障等*技術在植保無人機上的應用。特別是自動避障，在一定程度上，能夠有效規(guī)避障礙物，大大降低了“炸機”風險。這是通過*的航電技術，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“炸機后”因飛機損毀帶來的維修和更換成本（經(jīng)濟成本），以及因“炸機”后失去作業(yè)工具而造成的農(nóng)時的耽誤（時間成本）。解決辦法是通過合理的結構設計，使飛機在出現(xiàn)炸機事故后，能夠只通過簡單的易損件更換等操作，實現(xiàn)現(xiàn)場快速修復，一方面不耽誤農(nóng)時，另一方面不產(chǎn)生返廠維修動輒上千的費用。

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

提高事故規(guī)避能力，無法達到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，甚至打擊用戶對無人機的信心。

昆豫K60油動單旋翼植保無人機在兩者兼?zhèn)涞幕A上研發(fā)的，具有自主飛行的功能同時，采用模塊化設計，采用合金材料，耐用性強，可在田間地頭快速維修，單架作業(yè)面積可達20萬畝以上。降低了植保作業(yè)的時間成本、機會成本、經(jīng)濟成本。

 

圖9 昆豫K60地頭快速維修

三、飛行速度和高度的差別

植保無人機施藥技術參數(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/min；w為有效噴幅，單位為m；V為作業(yè)速度，單位為km/h。

植保無人機的噴幅能夠顯著影響霧滴沉積分布均勻性與藥效，噴幅設定過大或者過小都會造成沉積分布均勻性下降，噴幅設定過小還易造成農(nóng)藥局部過大，可能形成藥害，浪費農(nóng)藥；噴幅設定過大易造成農(nóng)藥噴施量過小甚至漏噴，降低防效。根據(jù)標準規(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，即通過計算得到小的沉積量變異系數(shù)時的噴幅即為有效噴幅，計算方法為：以不同間距疊加3個單噴幅，計算中心噴幅的沉積變異系數(shù)，系數(shù)小值所對應的間距為有效噴幅；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的兩點間距為有效噴幅。有效噴幅寬度計算如圖10所示。

 

圖10 有效噴幅寬度計算

植保無人機的作業(yè)速度能夠顯著影響下洗氣流對于作物枝葉的扭轉作用，在作業(yè)速度小時，下洗氣流對作物枝葉的扭轉作用大，霧滴定向沉降能力強。對于部分下洗氣流強度大的植保無人機不能選用過小的作業(yè)速度，以防止過強的下洗氣流破壞作物枝葉。作業(yè)速度過大時，霧滴受到下洗氣流的脅迫能力弱，穿透能力差，易飄失。植保無人機在作業(yè)過程中應保持作業(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)過測試，植保無人機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。

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

植保無人機作業(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、下洗氣流對作物枝葉的扭轉作用、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、減少下洗氣流對作物枝葉的扭轉作用，易造成飄失。目前部分植保無人機為了確保穩(wěn)定的作業(yè)高度，安裝了高度測量傳感器，以實現(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際噴施率相對于設定噴施率的大允許偏差。依據(jù)《農(nóng)業(yè)航空作業(yè)質(zhì)量技術指標 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)量技術指標 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參數(shù)，對不同噴灑對象的霧滴覆蓋密度范圍進行劃分，如表11所示。

表11  不同噴灑對象的霧滴覆蓋密度

噴灑類型	噴灑對象		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于霧滴的脅迫作用和霧滴的飛行時間。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的沉積距離，增加霧滴沉積過程中的飛行時間，減弱下洗氣流對于霧滴的脅迫作用，增加霧滴飄失。

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