河北省棉花產(chǎn)業(yè)航空植?？尚行匝芯?/h1>
2017-08-07 15:01:04王建合楊欣李建平吳鵬坤郭龍
河北農(nóng)機(jī) 2017年7期
王建合楊欣李建平吳鵬坤郭龍
1、河北省農(nóng)機(jī)化技術(shù)推廣服務(wù)總站2、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院3、石家莊市農(nóng)業(yè)機(jī)械化推廣站
棉花航空植保研究
河北省棉花產(chǎn)業(yè)航空植?？尚行匝芯?/p>
王建合1楊欣2李建平2吳鵬坤3郭龍3
1、河北省農(nóng)機(jī)化技術(shù)推廣服務(wù)總站2、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院3、石家莊市農(nóng)業(yè)機(jī)械化推廣站
河北省棉花種植面積達(dá)500多萬畝，每年需要進(jìn)行8～10次的噴藥作業(yè)，任務(wù)繁重，特別是土地流轉(zhuǎn)形成的耕作規(guī)模日益擴(kuò)大，城鎮(zhèn)化人口流動(dòng)造成的結(jié)構(gòu)性農(nóng)業(yè)人力短缺，人力成本日益上升。目前，大面積棉田農(nóng)藥噴施、化肥噴施作業(yè)效率低，傳統(tǒng)人力背負(fù)和地面機(jī)械作業(yè)已不能滿足病蟲害防治時(shí)效性強(qiáng)的農(nóng)藝要求。隨著河北省棉花產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的建設(shè)和發(fā)展，開展棉花航空植保噴霧技術(shù)研究和作業(yè)示范已經(jīng)具備基礎(chǔ)條件，但棉田不同時(shí)期和不同飛行參數(shù)對(duì)霧滴粒徑及霧滴漂移的影響規(guī)律，無人機(jī)飛行器精確施藥及噴幅精確切換對(duì)接等問題尚需進(jìn)一步研究。
棉花產(chǎn)業(yè)；植保機(jī)械；航空噴藥
引言
農(nóng)業(yè)航空作業(yè)突出優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在速度快、效率高、質(zhì)量好，在對(duì)大面積集約型作物進(jìn)行航空作業(yè)時(shí)更具優(yōu)勢(shì)。農(nóng)用飛機(jī)的空中作業(yè)效率較高，大田作業(yè)比地面機(jī)械效率高5～7倍，相當(dāng)于人工噴霧的200～250倍。飛機(jī)噴霧突擊能力強(qiáng)，利于消滅爆發(fā)性病蟲害，且不受作物長(zhǎng)勢(shì)的限制，利于作物生長(zhǎng)后期作業(yè)。靜電噴霧技術(shù)在地面機(jī)械噴霧作業(yè)中的應(yīng)用已趨于成熟。采用無人駕駛農(nóng)用飛行器進(jìn)行靜電噴霧是目前國際上農(nóng)業(yè)植保剛剛起步的熱點(diǎn)技術(shù)。為了比較深入地了解農(nóng)業(yè)航空植保的發(fā)展現(xiàn)狀，河北省棉花產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)農(nóng)用飛機(jī)調(diào)研組自2014年3月中旬開始進(jìn)行專題調(diào)研和田間航空植保試驗(yàn)，以期掌握國內(nèi)農(nóng)用飛機(jī)發(fā)展動(dòng)態(tài)，探討河北省棉花實(shí)施航空植保的新途徑。
1 國外農(nóng)業(yè)植保發(fā)展現(xiàn)狀
美國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高度規(guī)模化，是世界上農(nóng)業(yè)航空技術(shù)最發(fā)達(dá)的國家之一。美國在1918年就第一次用飛機(jī)噴撒農(nóng)藥殺滅棉蟲，開創(chuàng)了農(nóng)業(yè)航空的歷史。隨后加拿大、前蘇聯(lián)、德國和新西蘭等國也將飛機(jī)用于農(nóng)業(yè)，第二次世界大戰(zhàn)以后，化學(xué)殺蟲劑、除草劑等農(nóng)藥相繼出現(xiàn)，迫切需要一種高效率的噴灑機(jī)具。同時(shí)戰(zhàn)后大量小型飛機(jī)過剩，紛紛轉(zhuǎn)用到農(nóng)業(yè)上來，農(nóng)業(yè)航空得到迅速發(fā)展。20世紀(jì)50年代以來，為農(nóng)業(yè)而設(shè)計(jì)的專用和多用途農(nóng)業(yè)飛機(jī)相繼出現(xiàn)。50年代末，直升機(jī)也加入到農(nóng)業(yè)航空行列，在農(nóng)業(yè)航空的發(fā)展中還曾少量使用過熱氣球和飛艇。美國現(xiàn)有農(nóng)業(yè)航空公司2000多家，在用農(nóng)用飛機(jī)約4000架左右，注冊(cè)農(nóng)用飛機(jī)駕駛員3000多名，年處理耕地面積近3400萬hm2，占美國年處理耕地面積的50%，森林植保100%采用航空作業(yè)[薛新宇,2013]。美國農(nóng)用飛機(jī)約有20多個(gè)品種，機(jī)型有固定翼飛機(jī)和直升飛機(jī)兩種，大部分機(jī)型是有人駕駛的固定翼飛機(jī)。農(nóng)用固定翼飛機(jī)基本上都使用活塞型發(fā)動(dòng)機(jī)，且多為后三點(diǎn)式。根據(jù)載荷分大型（載重1.5t）和中小型（載重0.5～1t）兩類，飛機(jī)價(jià)格通常在100～140萬美元之間。美國生產(chǎn)農(nóng)用飛機(jī)、農(nóng)用航空作業(yè)設(shè)備和相關(guān)器材的廠家有500多家，大型農(nóng)用飛機(jī)制造企業(yè)有4家，其中位于德克薩斯州的空中拖拉機(jī)公司（AirTractor）的產(chǎn)品在農(nóng)用飛機(jī)市場(chǎng)中占較大份額[楊林,2013]（見圖1）。
圖1 美國AirTractor的農(nóng)用飛機(jī)
20世紀(jì)40年代末，新西蘭空軍專門成立了一個(gè)部門，將道格拉斯DC-3、Grumman“復(fù)仇者”等中大型飛機(jī)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域開發(fā)。后來許多新西蘭空軍飛行員退役后購買前置料斗的小型飛機(jī)投入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域（見圖3）。
圖2 新西蘭的農(nóng)用飛機(jī)
日本由于種植規(guī)模較小，其施藥裝備以小型機(jī)動(dòng)噴霧機(jī)和直升飛機(jī)航空噴霧設(shè)備為主。近幾年來，具有作業(yè)效率高、單位面積施藥液量小、農(nóng)藥飄移少等優(yōu)點(diǎn)的無人駕駛超低空作業(yè)農(nóng)用輕型直升機(jī)在日本發(fā)展迅猛，目前，有超過1000架的農(nóng)用飛機(jī)在使用[張亦馳,2013]。日本無人直升機(jī)主要用于播種、施肥、噴灑農(nóng)藥等作業(yè)，每小時(shí)可噴灑農(nóng)藥7～10hm2。目前，日本擁有無人直升機(jī)2346架，操作人員14163名（每個(gè)機(jī)組2人），噴灑面積的總和達(dá)到963Mhm2（約合1450萬畝），超過了有人駕駛農(nóng)用直升飛機(jī)的防治面積[王輝,2014]。1990年，日本雅馬哈公司率先推出世界上第一架農(nóng)用無人機(jī)，主要用于噴灑農(nóng)藥。我國南方地區(qū)首先引進(jìn)，主要用于水稻噴藥，單價(jià)為160萬元人民幣左右。
該機(jī)型配置噴頭3個(gè)，90%裝配扇形霧噴頭，離心式噴頭較少。載藥液量為16L，兩邊各一個(gè)8L插入式藥箱（裝卸方便）。每架飛機(jī)每天作業(yè)面積約為約20～30公頃，約300～450畝/天，飛機(jī)的滯空作業(yè)時(shí)間5小時(shí)。日本幾乎100%進(jìn)行育苗，插秧后每季大約噴灑1～2次。飛機(jī)壽命達(dá)1000小時(shí)，使用年限為6～9年。
圖3 日本的農(nóng)用無人機(jī)
2 國內(nèi)農(nóng)業(yè)植保發(fā)展現(xiàn)狀
我國手動(dòng)植保機(jī)具約35個(gè)品種，社會(huì)保有量約5807.99萬架，擔(dān)負(fù)著全國農(nóng)作物病、蟲、草害防治面積的70%以上。其中，背負(fù)式機(jī)動(dòng)噴霧機(jī)及背負(fù)式機(jī)動(dòng)噴霧噴粉機(jī)約8個(gè)品種，社會(huì)保有量約261.73萬臺(tái)；擔(dān)架式機(jī)動(dòng)噴霧機(jī)社會(huì)保有量約16.82萬臺(tái)；小型機(jī)動(dòng)及電動(dòng)噴霧機(jī)社會(huì)保有量約25.35萬臺(tái)；拖拉機(jī)懸掛式或牽引的噴桿式噴霧機(jī)及風(fēng)送式噴霧機(jī)的社會(huì)保有量約4.16萬臺(tái)，我國航空植保作業(yè)裝備保有量?jī)H400架（2013）。
中國從1951年開始用飛機(jī)參加防治東亞飛蝗、護(hù)林防火和播種造林等工作。1956年中國民用航空局設(shè)立專業(yè)航空機(jī)構(gòu)開展多種農(nóng)業(yè)航空業(yè)務(wù)。目前，已有6個(gè)機(jī)種400多架飛機(jī)在大面積的墾區(qū)和農(nóng)場(chǎng)從事農(nóng)業(yè)航空工作，主要機(jī)型包括“農(nóng)業(yè)5”、“Y5B”、“Y1l”、“海燕650B”等固定翼飛機(jī)（見圖4）。目前，我國已有多家專門農(nóng)用飛機(jī)制造企業(yè)從事植保飛機(jī)的研制與改造。
中國東北的龍墾通用航空公司是1985年5月在中澳兩國援助項(xiàng)目的基礎(chǔ)上建立起來的，位于黑龍江省三江腹地的佳木斯市，隸屬于黑龍江省農(nóng)墾總局，是目前世界上最大的農(nóng)林專業(yè)航空公司，2010年更名為北大荒通用航空公司。
圖4 中國民用航空局的農(nóng)用飛機(jī)主要機(jī)型
北大荒通用航空公司主要經(jīng)營(yíng)業(yè)務(wù)包括農(nóng)林超低空噴灑農(nóng)藥、播種、勘探測(cè)量、人工增雨、森林滅火作業(yè)以及搶險(xiǎn)救災(zāi)、公務(wù)飛行、飛行員培訓(xùn)等。經(jīng)過近30年的發(fā)展，飛機(jī)保有量從最初的5架“空中農(nóng)夫”發(fā)展到現(xiàn)在的13種機(jī)型85架飛機(jī)[黑龍江日?qǐng)?bào),2014.7]，其中有8種類型飛行教練機(jī)12架，年飛行能力超過1萬小時(shí)，作業(yè)能力2000萬畝。
圖5 北大荒通用航空公司的農(nóng)用飛機(jī)
重慶金泰航空工業(yè)有限公司是一家以科研開發(fā)、加工制造、產(chǎn)業(yè)集成的綜合型通用航空器研發(fā)生產(chǎn)機(jī)構(gòu)，主要生產(chǎn)并銷售通用多軸無人飛行器，產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域到農(nóng)業(yè)保植、資源勘探、設(shè)備維修、搶險(xiǎn)救急等各行業(yè)。重慶金泰航空工業(yè)有限公司農(nóng)用飛機(jī)產(chǎn)品主要包括10公斤植保無人機(jī)和30公斤植保無人機(jī)兩種類型（見圖6）[2014.4調(diào)研]。
圖6 重慶金泰航空工業(yè)有限公司農(nóng)用飛機(jī)產(chǎn)品
2010年，西安韋德沃德航空科技有限公司與中航工業(yè)自控所合作開發(fā)了自動(dòng)導(dǎo)航無人機(jī)施藥技術(shù)并合作開發(fā)了AF811型農(nóng)用無人直升機(jī)（見圖7）[2014.4調(diào)研]。
圖7 西安韋德沃德航空科技有限公司農(nóng)用飛機(jī)產(chǎn)品
荊門航空科技有限公司（荊門605研究所）2003年10月8日由中國特種飛行器研究所發(fā)起組建成立，公司主要從事水上飛機(jī)、超輕型飛機(jī)、地效飛機(jī)、浮空飛行器等民用特種飛行器的研究、制造及對(duì)外服務(wù)，該公司生產(chǎn)的A2C固定翼飛機(jī)為有人駕駛的小型植保飛機(jī)（見圖8）。
圖8 A2C飛機(jī)在山東開展小麥病蟲害防治[2014.04.09]
珠海銀通航空器材有限公司是銀通集團(tuán)旗下的控股企業(yè)。該公司的銀通一號(hào)是國內(nèi)首臺(tái)電動(dòng)無人直升機(jī)（見圖9a），機(jī)身總長(zhǎng)1510mm，主旋翼長(zhǎng)度1820mm，功率3.5kw，載荷5kg，采用銀通高效儲(chǔ)能電池作為電源，可通過飛控師操控或自主飛行25分鐘，具備起飛調(diào)校時(shí)間短、機(jī)身震動(dòng)小、工作效率高、使用維護(hù)成本低、低噪音、隱蔽性強(qiáng)等特點(diǎn)。
2013年1月，珠海羽人飛行器有限公司應(yīng)羅錫文院士邀請(qǐng)參加“農(nóng)業(yè)航空應(yīng)用技術(shù)研討會(huì)暨863計(jì)劃課題啟動(dòng)會(huì)”羅院士提出建立“農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”，并由該公司擔(dān)任聯(lián)盟首任副理事長(zhǎng)。2013年3月，該公司“水?！憋w行器研發(fā)成功并正式上市；2013年8月，四旋翼農(nóng)用飛行器“谷上飛”試飛成功（見圖9b）。
圖9 珠海兩家農(nóng)用飛機(jī)企業(yè)的產(chǎn)品
2014年4月19～21日第五屆中國國際現(xiàn)代農(nóng)業(yè)博覽會(huì)在北京舉辦，參加的農(nóng)用飛機(jī)廠商包括：中航工業(yè)集團(tuán)旗下荊門航空、西安飛行自動(dòng)化控制研究所、貴州飛機(jī)、安陽全豐、無錫漢和、中航天宇、珠海銀通、山東新晨、高科新農(nóng)、韋德沃德等共計(jì)40多家企業(yè)。
2014年5月24日～26日，由安陽全豐航空植?？萍加邢薰竞腿A南農(nóng)業(yè)大學(xué)共同承辦的“農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟2014年第一次全體會(huì)議”在安陽隆重召開。會(huì)議由農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟主辦，來自科技部農(nóng)村技術(shù)開發(fā)中心、農(nóng)業(yè)部農(nóng)機(jī)推廣總站、民航二所通用航空研究所、中國農(nóng)大、中國航空航天大學(xué)、浙江大學(xué)、北斗重大專項(xiàng)組等60余家國家科研單位和院校的專家、學(xué)者、用戶共百余人參加了這次盛會(huì)。會(huì)上針對(duì)無人機(jī)飛行控制中的關(guān)鍵技術(shù)導(dǎo)航控制問題，特別邀請(qǐng)了我國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)專家組的4位領(lǐng)導(dǎo)和專家做了關(guān)于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的主題報(bào)告，針對(duì)無人機(jī)在市場(chǎng)上的實(shí)際應(yīng)用情況邀請(qǐng)了多家飛防公司做了主題報(bào)告。
綜上所述，我國農(nóng)林牧業(yè)在治蟲除草、飛播施肥、催熟矮化、綠化荒山、防火巡護(hù)、抗旱增雨和防汛瀉洪等作業(yè)項(xiàng)目上對(duì)農(nóng)用飛機(jī)的要求非常迫切，農(nóng)用飛機(jī)科研和產(chǎn)業(yè)化示范應(yīng)用已經(jīng)具備發(fā)展機(jī)遇。我國十二五期間設(shè)立了農(nóng)業(yè)航空補(bǔ)貼項(xiàng)目，將農(nóng)用飛機(jī)購置、油料保障納入農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼范圍。根據(jù)專家預(yù)測(cè)，未來10年，我國農(nóng)用飛機(jī)的需求量約為7500架，潛在市場(chǎng)規(guī)模超過500億元，到2018年需要的無人機(jī)操作維護(hù)等人員可達(dá)20萬[中國通用航空網(wǎng)，2013]。在如此巨大的市場(chǎng)需求和良好的政策環(huán)境下，我國農(nóng)用飛機(jī)將迎來快速發(fā)展的黃金時(shí)期。河北省棉花產(chǎn)業(yè)體系也必將借此東風(fēng)開展農(nóng)業(yè)航空植保技術(shù)，為解決日益增長(zhǎng)的棉花產(chǎn)業(yè)需求和人力成本增加的矛盾提供一種有效途徑。
3 農(nóng)用飛機(jī)研發(fā)和應(yīng)用技術(shù)關(guān)鍵
從目前技術(shù)發(fā)展看，農(nóng)業(yè)植保技術(shù)的發(fā)展依然是以化學(xué)防治為主，為避免或減輕農(nóng)藥對(duì)非靶標(biāo)生物的影響和對(duì)環(huán)境的污染，航空施藥作業(yè)必須考慮以下因素：（1）作業(yè)條件：如作業(yè)時(shí)的氣象條件，特別是風(fēng)向、風(fēng)速，溫度。（2）飛行參數(shù)：飛行高度和飛行速度需根據(jù)作業(yè)條件、氣象條件、田塊大小、噴液量的要求進(jìn)行調(diào)整。（3）影響飛機(jī)噴霧的因素：正確的噴霧時(shí)間、飛機(jī)的高度和導(dǎo)航、霧滴的大?。ㄉ婕暗絿婎^霧形與流場(chǎng)、霧滴大小與覆蓋密度）等。（4）安全性問題：監(jiān)管、技術(shù)、生產(chǎn)、作業(yè)四個(gè)層面。
其中，安全性問題中監(jiān)管層面包括建立行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：無人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)、人員培訓(xùn)考核標(biāo)準(zhǔn)、安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)等；建立無人機(jī)分級(jí)管理：依據(jù)最大起飛重量、載重量、飛行半徑、智能化程度等；建立不同的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)；建立作業(yè)人員資格分級(jí)、認(rèn)定、備案機(jī)制；建立無人機(jī)準(zhǔn)入機(jī)制：如鑒定、身份呼號(hào)備案（借鑒飛行器、車輛管理）；積極融入通用航空發(fā)展監(jiān)管：代表行業(yè)推動(dòng)與國家航空管理部門溝通，推進(jìn)低空農(nóng)業(yè)作業(yè)的有序開放和監(jiān)管；空域分級(jí)設(shè)立禁飛區(qū)管理、引入飛行器、作業(yè)人員、第三者商業(yè)保險(xiǎn)，監(jiān)督相關(guān)農(nóng)藥、藥械的管理等。
安全性問題中技術(shù)層面包括高可靠性的飛行控制設(shè)備、高可靠性的飛行器、優(yōu)秀的人機(jī)安全工程設(shè)計(jì)、將北斗系統(tǒng)作為主定位系統(tǒng)；推廣非作業(yè)區(qū)域禁飛功能、推廣無人機(jī)身份識(shí)別、跟蹤、應(yīng)答、控制、航程、高度限制功能，失控保護(hù)功能與安全性設(shè)計(jì)；流量與飛行速度匹配功能、斷點(diǎn)續(xù)接功能等。
在生產(chǎn)和質(zhì)量控制層面，還需要建立完整的質(zhì)量管理體系，建設(shè)完善的測(cè)試、試驗(yàn)環(huán)境，開展測(cè)試試驗(yàn)與統(tǒng)計(jì)方法研究。在作業(yè)層面，建立作業(yè)報(bào)備機(jī)制：時(shí)間、地點(diǎn)、無人機(jī)呼號(hào)、作物品種、作業(yè)面積、使用藥物等；建立后臺(tái)管理：電話報(bào)備、網(wǎng)絡(luò)報(bào)備；建立從業(yè)人員培訓(xùn)制度和機(jī)構(gòu)、作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的警示和隔離：聽得到、看得到、控得到（通訊暢通）。
4 已開展的工作和進(jìn)一步研究重點(diǎn)
農(nóng)用飛機(jī)研發(fā)和應(yīng)用諸多技術(shù)關(guān)鍵均可作為科研單位的技術(shù)切入點(diǎn)開展相關(guān)項(xiàng)目預(yù)研工作。河北農(nóng)業(yè)大學(xué)研究了多向射流分裂霧化機(jī)理及性能[崔瑾，2015]，從噴霧單一射流方向的液化霧化進(jìn)行研究，然后進(jìn)行了單、雙噴頭噴灑工況的CFD模擬計(jì)算，得出了霧化場(chǎng)中霧滴的軌跡、速度、密度以及湍流動(dòng)能等數(shù)據(jù)云圖。在此基礎(chǔ)上建立了多向射噴霧射流CFD模型，基于噴霧作業(yè)調(diào)節(jié)噴頭位置與靶標(biāo)間距的實(shí)際作業(yè)工況，模擬計(jì)算了多噴頭仿形噴桿在0～40°范圍內(nèi)霧滴分裂霧化過程和霧滴沉降漂移行為，為仿形噴霧工作裝置的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。河北農(nóng)業(yè)大學(xué)在無人駕駛飛行器靜電噴霧關(guān)鍵技術(shù)研究中，建立了農(nóng)用飛行器噴霧的霧滴分布仿真數(shù)學(xué)模型，通過模型分析霧滴沉降規(guī)律、不同飛行參數(shù)對(duì)霧滴粒徑及霧滴漂移的影響規(guī)律等，試制了樣機(jī)。2016年7月中旬，在河北省邯鄲市成安縣棉花試驗(yàn)站進(jìn)行了航空植保試驗(yàn)（見圖10），結(jié)果表明，目前河北省棉花種植模式在棉花生長(zhǎng)早期可以實(shí)施航空植保，但在中后期棉花植株茂密之后，航空植保對(duì)病蟲害防控尚存在一些不足，雖然旋翼氣流對(duì)棉花枝葉有一定吹動(dòng)作用，但藥液霧滴在枝葉背面和下面仍存在附著情況。
圖10 棉花無人機(jī)植保田間試驗(yàn)
河北省開展棉花航空植保還需要進(jìn)一步開展如下研究：（1）研究棉花中后期，噴施高度、風(fēng)速、不同飛行參數(shù)對(duì)霧滴粒徑及霧滴漂移的影響和無人機(jī)旋翼下沉氣流提高藥液的穿透性和沉積率的效果；（2）研究無人駕駛飛行器精確施藥及噴幅精確切換對(duì)接的方法。
王建合，研究員，研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程與推廣應(yīng)用。通訊作者：楊欣，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械性能設(shè)計(jì)。
河北省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系棉花配套農(nóng)機(jī)具研發(fā)與農(nóng)機(jī)農(nóng)藝結(jié)合崗專項(xiàng)（HBCT2013030204）；河北農(nóng)業(yè)大學(xué)理工基金項(xiàng)目（LG20140101）無人駕駛飛行器靜電噴霧關(guān)鍵技術(shù)研究。
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王建合楊欣李建平吳鵬坤郭龍
1、河北省農(nóng)機(jī)化技術(shù)推廣服務(wù)總站2、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院3、石家莊市農(nóng)業(yè)機(jī)械化推廣站
棉花航空植保研究
河北省棉花產(chǎn)業(yè)航空植?？尚行匝芯?/p>
王建合1楊欣2李建平2吳鵬坤3郭龍3
1、河北省農(nóng)機(jī)化技術(shù)推廣服務(wù)總站2、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院3、石家莊市農(nóng)業(yè)機(jī)械化推廣站
河北省棉花種植面積達(dá)500多萬畝，每年需要進(jìn)行8～10次的噴藥作業(yè)，任務(wù)繁重，特別是土地流轉(zhuǎn)形成的耕作規(guī)模日益擴(kuò)大，城鎮(zhèn)化人口流動(dòng)造成的結(jié)構(gòu)性農(nóng)業(yè)人力短缺，人力成本日益上升。目前，大面積棉田農(nóng)藥噴施、化肥噴施作業(yè)效率低，傳統(tǒng)人力背負(fù)和地面機(jī)械作業(yè)已不能滿足病蟲害防治時(shí)效性強(qiáng)的農(nóng)藝要求。隨著河北省棉花產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的建設(shè)和發(fā)展，開展棉花航空植保噴霧技術(shù)研究和作業(yè)示范已經(jīng)具備基礎(chǔ)條件，但棉田不同時(shí)期和不同飛行參數(shù)對(duì)霧滴粒徑及霧滴漂移的影響規(guī)律，無人機(jī)飛行器精確施藥及噴幅精確切換對(duì)接等問題尚需進(jìn)一步研究。
棉花產(chǎn)業(yè)；植保機(jī)械；航空噴藥
引言
農(nóng)業(yè)航空作業(yè)突出優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在速度快、效率高、質(zhì)量好，在對(duì)大面積集約型作物進(jìn)行航空作業(yè)時(shí)更具優(yōu)勢(shì)。農(nóng)用飛機(jī)的空中作業(yè)效率較高，大田作業(yè)比地面機(jī)械效率高5～7倍，相當(dāng)于人工噴霧的200～250倍。飛機(jī)噴霧突擊能力強(qiáng)，利于消滅爆發(fā)性病蟲害，且不受作物長(zhǎng)勢(shì)的限制，利于作物生長(zhǎng)后期作業(yè)。靜電噴霧技術(shù)在地面機(jī)械噴霧作業(yè)中的應(yīng)用已趨于成熟。采用無人駕駛農(nóng)用飛行器進(jìn)行靜電噴霧是目前國際上農(nóng)業(yè)植保剛剛起步的熱點(diǎn)技術(shù)。為了比較深入地了解農(nóng)業(yè)航空植保的發(fā)展現(xiàn)狀，河北省棉花產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)農(nóng)用飛機(jī)調(diào)研組自2014年3月中旬開始進(jìn)行專題調(diào)研和田間航空植保試驗(yàn)，以期掌握國內(nèi)農(nóng)用飛機(jī)發(fā)展動(dòng)態(tài)，探討河北省棉花實(shí)施航空植保的新途徑。
1 國外農(nóng)業(yè)植保發(fā)展現(xiàn)狀
美國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高度規(guī)模化，是世界上農(nóng)業(yè)航空技術(shù)最發(fā)達(dá)的國家之一。美國在1918年就第一次用飛機(jī)噴撒農(nóng)藥殺滅棉蟲，開創(chuàng)了農(nóng)業(yè)航空的歷史。隨后加拿大、前蘇聯(lián)、德國和新西蘭等國也將飛機(jī)用于農(nóng)業(yè)，第二次世界大戰(zhàn)以后，化學(xué)殺蟲劑、除草劑等農(nóng)藥相繼出現(xiàn)，迫切需要一種高效率的噴灑機(jī)具。同時(shí)戰(zhàn)后大量小型飛機(jī)過剩，紛紛轉(zhuǎn)用到農(nóng)業(yè)上來，農(nóng)業(yè)航空得到迅速發(fā)展。20世紀(jì)50年代以來，為農(nóng)業(yè)而設(shè)計(jì)的專用和多用途農(nóng)業(yè)飛機(jī)相繼出現(xiàn)。50年代末，直升機(jī)也加入到農(nóng)業(yè)航空行列，在農(nóng)業(yè)航空的發(fā)展中還曾少量使用過熱氣球和飛艇。美國現(xiàn)有農(nóng)業(yè)航空公司2000多家，在用農(nóng)用飛機(jī)約4000架左右，注冊(cè)農(nóng)用飛機(jī)駕駛員3000多名，年處理耕地面積近3400萬hm2，占美國年處理耕地面積的50%，森林植保100%采用航空作業(yè)[薛新宇,2013]。美國農(nóng)用飛機(jī)約有20多個(gè)品種，機(jī)型有固定翼飛機(jī)和直升飛機(jī)兩種，大部分機(jī)型是有人駕駛的固定翼飛機(jī)。農(nóng)用固定翼飛機(jī)基本上都使用活塞型發(fā)動(dòng)機(jī)，且多為后三點(diǎn)式。根據(jù)載荷分大型（載重1.5t）和中小型（載重0.5～1t）兩類，飛機(jī)價(jià)格通常在100～140萬美元之間。美國生產(chǎn)農(nóng)用飛機(jī)、農(nóng)用航空作業(yè)設(shè)備和相關(guān)器材的廠家有500多家，大型農(nóng)用飛機(jī)制造企業(yè)有4家，其中位于德克薩斯州的空中拖拉機(jī)公司（AirTractor）的產(chǎn)品在農(nóng)用飛機(jī)市場(chǎng)中占較大份額[楊林,2013]（見圖1）。
圖1 美國AirTractor的農(nóng)用飛機(jī)
20世紀(jì)40年代末，新西蘭空軍專門成立了一個(gè)部門，將道格拉斯DC-3、Grumman“復(fù)仇者”等中大型飛機(jī)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域開發(fā)。后來許多新西蘭空軍飛行員退役后購買前置料斗的小型飛機(jī)投入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域（見圖3）。
圖2 新西蘭的農(nóng)用飛機(jī)
日本由于種植規(guī)模較小，其施藥裝備以小型機(jī)動(dòng)噴霧機(jī)和直升飛機(jī)航空噴霧設(shè)備為主。近幾年來，具有作業(yè)效率高、單位面積施藥液量小、農(nóng)藥飄移少等優(yōu)點(diǎn)的無人駕駛超低空作業(yè)農(nóng)用輕型直升機(jī)在日本發(fā)展迅猛，目前，有超過1000架的農(nóng)用飛機(jī)在使用[張亦馳,2013]。日本無人直升機(jī)主要用于播種、施肥、噴灑農(nóng)藥等作業(yè)，每小時(shí)可噴灑農(nóng)藥7～10hm2。目前，日本擁有無人直升機(jī)2346架，操作人員14163名（每個(gè)機(jī)組2人），噴灑面積的總和達(dá)到963Mhm2（約合1450萬畝），超過了有人駕駛農(nóng)用直升飛機(jī)的防治面積[王輝,2014]。1990年，日本雅馬哈公司率先推出世界上第一架農(nóng)用無人機(jī)，主要用于噴灑農(nóng)藥。我國南方地區(qū)首先引進(jìn)，主要用于水稻噴藥，單價(jià)為160萬元人民幣左右。
該機(jī)型配置噴頭3個(gè)，90%裝配扇形霧噴頭，離心式噴頭較少。載藥液量為16L，兩邊各一個(gè)8L插入式藥箱（裝卸方便）。每架飛機(jī)每天作業(yè)面積約為約20～30公頃，約300～450畝/天，飛機(jī)的滯空作業(yè)時(shí)間5小時(shí)。日本幾乎100%進(jìn)行育苗，插秧后每季大約噴灑1～2次。飛機(jī)壽命達(dá)1000小時(shí)，使用年限為6～9年。
圖3 日本的農(nóng)用無人機(jī)
2 國內(nèi)農(nóng)業(yè)植保發(fā)展現(xiàn)狀
我國手動(dòng)植保機(jī)具約35個(gè)品種，社會(huì)保有量約5807.99萬架，擔(dān)負(fù)著全國農(nóng)作物病、蟲、草害防治面積的70%以上。其中，背負(fù)式機(jī)動(dòng)噴霧機(jī)及背負(fù)式機(jī)動(dòng)噴霧噴粉機(jī)約8個(gè)品種，社會(huì)保有量約261.73萬臺(tái)；擔(dān)架式機(jī)動(dòng)噴霧機(jī)社會(huì)保有量約16.82萬臺(tái)；小型機(jī)動(dòng)及電動(dòng)噴霧機(jī)社會(huì)保有量約25.35萬臺(tái)；拖拉機(jī)懸掛式或牽引的噴桿式噴霧機(jī)及風(fēng)送式噴霧機(jī)的社會(huì)保有量約4.16萬臺(tái)，我國航空植保作業(yè)裝備保有量?jī)H400架（2013）。
中國從1951年開始用飛機(jī)參加防治東亞飛蝗、護(hù)林防火和播種造林等工作。1956年中國民用航空局設(shè)立專業(yè)航空機(jī)構(gòu)開展多種農(nóng)業(yè)航空業(yè)務(wù)。目前，已有6個(gè)機(jī)種400多架飛機(jī)在大面積的墾區(qū)和農(nóng)場(chǎng)從事農(nóng)業(yè)航空工作，主要機(jī)型包括“農(nóng)業(yè)5”、“Y5B”、“Y1l”、“海燕650B”等固定翼飛機(jī)（見圖4）。目前，我國已有多家專門農(nóng)用飛機(jī)制造企業(yè)從事植保飛機(jī)的研制與改造。
中國東北的龍墾通用航空公司是1985年5月在中澳兩國援助項(xiàng)目的基礎(chǔ)上建立起來的，位于黑龍江省三江腹地的佳木斯市，隸屬于黑龍江省農(nóng)墾總局，是目前世界上最大的農(nóng)林專業(yè)航空公司，2010年更名為北大荒通用航空公司。
圖4 中國民用航空局的農(nóng)用飛機(jī)主要機(jī)型
北大荒通用航空公司主要經(jīng)營(yíng)業(yè)務(wù)包括農(nóng)林超低空噴灑農(nóng)藥、播種、勘探測(cè)量、人工增雨、森林滅火作業(yè)以及搶險(xiǎn)救災(zāi)、公務(wù)飛行、飛行員培訓(xùn)等。經(jīng)過近30年的發(fā)展，飛機(jī)保有量從最初的5架“空中農(nóng)夫”發(fā)展到現(xiàn)在的13種機(jī)型85架飛機(jī)[黑龍江日?qǐng)?bào),2014.7]，其中有8種類型飛行教練機(jī)12架，年飛行能力超過1萬小時(shí)，作業(yè)能力2000萬畝。
圖5 北大荒通用航空公司的農(nóng)用飛機(jī)
重慶金泰航空工業(yè)有限公司是一家以科研開發(fā)、加工制造、產(chǎn)業(yè)集成的綜合型通用航空器研發(fā)生產(chǎn)機(jī)構(gòu)，主要生產(chǎn)并銷售通用多軸無人飛行器，產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域到農(nóng)業(yè)保植、資源勘探、設(shè)備維修、搶險(xiǎn)救急等各行業(yè)。重慶金泰航空工業(yè)有限公司農(nóng)用飛機(jī)產(chǎn)品主要包括10公斤植保無人機(jī)和30公斤植保無人機(jī)兩種類型（見圖6）[2014.4調(diào)研]。
圖6 重慶金泰航空工業(yè)有限公司農(nóng)用飛機(jī)產(chǎn)品
2010年，西安韋德沃德航空科技有限公司與中航工業(yè)自控所合作開發(fā)了自動(dòng)導(dǎo)航無人機(jī)施藥技術(shù)并合作開發(fā)了AF811型農(nóng)用無人直升機(jī)（見圖7）[2014.4調(diào)研]。
圖7 西安韋德沃德航空科技有限公司農(nóng)用飛機(jī)產(chǎn)品
荊門航空科技有限公司（荊門605研究所）2003年10月8日由中國特種飛行器研究所發(fā)起組建成立，公司主要從事水上飛機(jī)、超輕型飛機(jī)、地效飛機(jī)、浮空飛行器等民用特種飛行器的研究、制造及對(duì)外服務(wù)，該公司生產(chǎn)的A2C固定翼飛機(jī)為有人駕駛的小型植保飛機(jī)（見圖8）。
圖8 A2C飛機(jī)在山東開展小麥病蟲害防治[2014.04.09]
珠海銀通航空器材有限公司是銀通集團(tuán)旗下的控股企業(yè)。該公司的銀通一號(hào)是國內(nèi)首臺(tái)電動(dòng)無人直升機(jī)（見圖9a），機(jī)身總長(zhǎng)1510mm，主旋翼長(zhǎng)度1820mm，功率3.5kw，載荷5kg，采用銀通高效儲(chǔ)能電池作為電源，可通過飛控師操控或自主飛行25分鐘，具備起飛調(diào)校時(shí)間短、機(jī)身震動(dòng)小、工作效率高、使用維護(hù)成本低、低噪音、隱蔽性強(qiáng)等特點(diǎn)。
2013年1月，珠海羽人飛行器有限公司應(yīng)羅錫文院士邀請(qǐng)參加“農(nóng)業(yè)航空應(yīng)用技術(shù)研討會(huì)暨863計(jì)劃課題啟動(dòng)會(huì)”羅院士提出建立“農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”，并由該公司擔(dān)任聯(lián)盟首任副理事長(zhǎng)。2013年3月，該公司“水?！憋w行器研發(fā)成功并正式上市；2013年8月，四旋翼農(nóng)用飛行器“谷上飛”試飛成功（見圖9b）。
圖9 珠海兩家農(nóng)用飛機(jī)企業(yè)的產(chǎn)品
2014年4月19～21日第五屆中國國際現(xiàn)代農(nóng)業(yè)博覽會(huì)在北京舉辦，參加的農(nóng)用飛機(jī)廠商包括：中航工業(yè)集團(tuán)旗下荊門航空、西安飛行自動(dòng)化控制研究所、貴州飛機(jī)、安陽全豐、無錫漢和、中航天宇、珠海銀通、山東新晨、高科新農(nóng)、韋德沃德等共計(jì)40多家企業(yè)。
2014年5月24日～26日，由安陽全豐航空植?？萍加邢薰竞腿A南農(nóng)業(yè)大學(xué)共同承辦的“農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟2014年第一次全體會(huì)議”在安陽隆重召開。會(huì)議由農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟主辦，來自科技部農(nóng)村技術(shù)開發(fā)中心、農(nóng)業(yè)部農(nóng)機(jī)推廣總站、民航二所通用航空研究所、中國農(nóng)大、中國航空航天大學(xué)、浙江大學(xué)、北斗重大專項(xiàng)組等60余家國家科研單位和院校的專家、學(xué)者、用戶共百余人參加了這次盛會(huì)。會(huì)上針對(duì)無人機(jī)飛行控制中的關(guān)鍵技術(shù)導(dǎo)航控制問題，特別邀請(qǐng)了我國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)專家組的4位領(lǐng)導(dǎo)和專家做了關(guān)于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的主題報(bào)告，針對(duì)無人機(jī)在市場(chǎng)上的實(shí)際應(yīng)用情況邀請(qǐng)了多家飛防公司做了主題報(bào)告。
綜上所述，我國農(nóng)林牧業(yè)在治蟲除草、飛播施肥、催熟矮化、綠化荒山、防火巡護(hù)、抗旱增雨和防汛瀉洪等作業(yè)項(xiàng)目上對(duì)農(nóng)用飛機(jī)的要求非常迫切，農(nóng)用飛機(jī)科研和產(chǎn)業(yè)化示范應(yīng)用已經(jīng)具備發(fā)展機(jī)遇。我國十二五期間設(shè)立了農(nóng)業(yè)航空補(bǔ)貼項(xiàng)目，將農(nóng)用飛機(jī)購置、油料保障納入農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼范圍。根據(jù)專家預(yù)測(cè)，未來10年，我國農(nóng)用飛機(jī)的需求量約為7500架，潛在市場(chǎng)規(guī)模超過500億元，到2018年需要的無人機(jī)操作維護(hù)等人員可達(dá)20萬[中國通用航空網(wǎng)，2013]。在如此巨大的市場(chǎng)需求和良好的政策環(huán)境下，我國農(nóng)用飛機(jī)將迎來快速發(fā)展的黃金時(shí)期。河北省棉花產(chǎn)業(yè)體系也必將借此東風(fēng)開展農(nóng)業(yè)航空植保技術(shù)，為解決日益增長(zhǎng)的棉花產(chǎn)業(yè)需求和人力成本增加的矛盾提供一種有效途徑。
3 農(nóng)用飛機(jī)研發(fā)和應(yīng)用技術(shù)關(guān)鍵
從目前技術(shù)發(fā)展看，農(nóng)業(yè)植保技術(shù)的發(fā)展依然是以化學(xué)防治為主，為避免或減輕農(nóng)藥對(duì)非靶標(biāo)生物的影響和對(duì)環(huán)境的污染，航空施藥作業(yè)必須考慮以下因素：（1）作業(yè)條件：如作業(yè)時(shí)的氣象條件，特別是風(fēng)向、風(fēng)速，溫度。（2）飛行參數(shù)：飛行高度和飛行速度需根據(jù)作業(yè)條件、氣象條件、田塊大小、噴液量的要求進(jìn)行調(diào)整。（3）影響飛機(jī)噴霧的因素：正確的噴霧時(shí)間、飛機(jī)的高度和導(dǎo)航、霧滴的大?。ㄉ婕暗絿婎^霧形與流場(chǎng)、霧滴大小與覆蓋密度）等。（4）安全性問題：監(jiān)管、技術(shù)、生產(chǎn)、作業(yè)四個(gè)層面。
其中，安全性問題中監(jiān)管層面包括建立行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：無人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)、人員培訓(xùn)考核標(biāo)準(zhǔn)、安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)等；建立無人機(jī)分級(jí)管理：依據(jù)最大起飛重量、載重量、飛行半徑、智能化程度等；建立不同的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)；建立作業(yè)人員資格分級(jí)、認(rèn)定、備案機(jī)制；建立無人機(jī)準(zhǔn)入機(jī)制：如鑒定、身份呼號(hào)備案（借鑒飛行器、車輛管理）；積極融入通用航空發(fā)展監(jiān)管：代表行業(yè)推動(dòng)與國家航空管理部門溝通，推進(jìn)低空農(nóng)業(yè)作業(yè)的有序開放和監(jiān)管；空域分級(jí)設(shè)立禁飛區(qū)管理、引入飛行器、作業(yè)人員、第三者商業(yè)保險(xiǎn)，監(jiān)督相關(guān)農(nóng)藥、藥械的管理等。
安全性問題中技術(shù)層面包括高可靠性的飛行控制設(shè)備、高可靠性的飛行器、優(yōu)秀的人機(jī)安全工程設(shè)計(jì)、將北斗系統(tǒng)作為主定位系統(tǒng)；推廣非作業(yè)區(qū)域禁飛功能、推廣無人機(jī)身份識(shí)別、跟蹤、應(yīng)答、控制、航程、高度限制功能，失控保護(hù)功能與安全性設(shè)計(jì)；流量與飛行速度匹配功能、斷點(diǎn)續(xù)接功能等。
在生產(chǎn)和質(zhì)量控制層面，還需要建立完整的質(zhì)量管理體系，建設(shè)完善的測(cè)試、試驗(yàn)環(huán)境，開展測(cè)試試驗(yàn)與統(tǒng)計(jì)方法研究。在作業(yè)層面，建立作業(yè)報(bào)備機(jī)制：時(shí)間、地點(diǎn)、無人機(jī)呼號(hào)、作物品種、作業(yè)面積、使用藥物等；建立后臺(tái)管理：電話報(bào)備、網(wǎng)絡(luò)報(bào)備；建立從業(yè)人員培訓(xùn)制度和機(jī)構(gòu)、作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的警示和隔離：聽得到、看得到、控得到（通訊暢通）。
4 已開展的工作和進(jìn)一步研究重點(diǎn)
農(nóng)用飛機(jī)研發(fā)和應(yīng)用諸多技術(shù)關(guān)鍵均可作為科研單位的技術(shù)切入點(diǎn)開展相關(guān)項(xiàng)目預(yù)研工作。河北農(nóng)業(yè)大學(xué)研究了多向射流分裂霧化機(jī)理及性能[崔瑾，2015]，從噴霧單一射流方向的液化霧化進(jìn)行研究，然后進(jìn)行了單、雙噴頭噴灑工況的CFD模擬計(jì)算，得出了霧化場(chǎng)中霧滴的軌跡、速度、密度以及湍流動(dòng)能等數(shù)據(jù)云圖。在此基礎(chǔ)上建立了多向射噴霧射流CFD模型，基于噴霧作業(yè)調(diào)節(jié)噴頭位置與靶標(biāo)間距的實(shí)際作業(yè)工況，模擬計(jì)算了多噴頭仿形噴桿在0～40°范圍內(nèi)霧滴分裂霧化過程和霧滴沉降漂移行為，為仿形噴霧工作裝置的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。河北農(nóng)業(yè)大學(xué)在無人駕駛飛行器靜電噴霧關(guān)鍵技術(shù)研究中，建立了農(nóng)用飛行器噴霧的霧滴分布仿真數(shù)學(xué)模型，通過模型分析霧滴沉降規(guī)律、不同飛行參數(shù)對(duì)霧滴粒徑及霧滴漂移的影響規(guī)律等，試制了樣機(jī)。2016年7月中旬，在河北省邯鄲市成安縣棉花試驗(yàn)站進(jìn)行了航空植保試驗(yàn)（見圖10），結(jié)果表明，目前河北省棉花種植模式在棉花生長(zhǎng)早期可以實(shí)施航空植保，但在中后期棉花植株茂密之后，航空植保對(duì)病蟲害防控尚存在一些不足，雖然旋翼氣流對(duì)棉花枝葉有一定吹動(dòng)作用，但藥液霧滴在枝葉背面和下面仍存在附著情況。
圖10 棉花無人機(jī)植保田間試驗(yàn)
河北省開展棉花航空植保還需要進(jìn)一步開展如下研究：（1）研究棉花中后期，噴施高度、風(fēng)速、不同飛行參數(shù)對(duì)霧滴粒徑及霧滴漂移的影響和無人機(jī)旋翼下沉氣流提高藥液的穿透性和沉積率的效果；（2）研究無人駕駛飛行器精確施藥及噴幅精確切換對(duì)接的方法。
王建合，研究員，研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程與推廣應(yīng)用。通訊作者：楊欣，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械性能設(shè)計(jì)。
河北省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系棉花配套農(nóng)機(jī)具研發(fā)與農(nóng)機(jī)農(nóng)藝結(jié)合崗專項(xiàng)（HBCT2013030204）；河北農(nóng)業(yè)大學(xué)理工基金項(xiàng)目（LG20140101）無人駕駛飛行器靜電噴霧關(guān)鍵技術(shù)研究。
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