單旋翼植保有人機霧滴飄移影響因素試驗研究

李宇飛,胡 軍,李慶達,初 鑫,張國慧

(1.黑龍江八一農墾大學 工程學院,黑龍江 大慶 163000;2.北大荒通用航空公司,黑龍江 佳木斯 154000)

0 引言

一直以來,病蟲草害防治都是困擾我國農業生產發展的突出問題,為了提高植保機械技術水平,進行高效、低污染施藥技術的研究是一項重要任務。與傳統地面施藥技術相比,農業航空噴灑施藥技術在應對突發、爆發性病蟲害的防控方面效果好,克服了農業機械或人工無法進地作業的難題,其發展前景受到農業植保領域的高度重視[1-3]。

由于航空植保機噴霧高度較高,霧滴受空氣氣流的影響更大,因此航空植保作業過程中容易產生霧滴飄移現象[4-5]。當前,受農業生產方式和法律法規的限制,國內學者主要圍繞無人機霧滴飄移試驗研究,在有人機方面研究較少。在有人機植保領域,我國相對落后,突出表現為國內保有量少、航空噴施設備與核心技術落后[6-7]。在國外,已經有眾多專家學者對有人植保機霧滴飄失情況進行了相關研究。Lan等就助劑對固定翼植保有人機霧滴飄失影響進行研究,發現助劑有利于減輕霧滴的飄移程度。Huang等通過研究各種因素對霧滴飄移影響的特性,建立了一種基于模擬優化的農用固定翼飛機霧滴飄移預測方法。

通過對國外已有航空植霧滴飄移研究可以發現:國外研究的主要對象為固定翼飛機,以單旋翼植保機為研究目標的研究較少。同時,由于二者在作業方面存在較大差異,尤其是作為霧滴飄移主要的影響因素-風場完全不同,因此原有固定翼植保機霧滴飄移軌跡規律不能推廣至單旋翼直升機。為此,本文以機載GPS記錄得到的精準飛行參數為參考,對安裝有進口噴施系統的貝爾407型直升機設計了不同飛行參數下的霧滴飄移試驗,以期探究不同工作狀態下霧滴飄移的實際情況,為后續改進單旋翼植保機作業規程提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗機型及配套噴施設備

試驗所使用的機型為貝爾407型直升機(加拿大達信集團),噴施現場如圖1所示。直升機安裝有配套進口農藥噴灑系統,可實現精準變量噴施控制;同時帶有GPS定位系統,能夠記錄飛行參數并繪制出實際作業軌跡。該型直升機的主要性能指標如表1所示。

試驗中,配套噴霧系統掛接于直升機機腹正下方,噴頭選用TR03型空心錐噴頭(德國Lecher公司),噴桿長度8.8m,噴頭間距12cm,呈水平均勻排布。直升機配套噴霧系統如圖2所示。噴霧藥箱外形尺寸為200cm×100cm×30cm,額定容積為500L,噴霧壓力調節范圍為0.2～0.4MPa,額定有效噴幅30m,可滿足試驗要求。

圖1 直升機噴施現場Fig.1 Helicopter spraying site

表1 貝爾407型直升機技術參數及設備主要性能指標

圖2 直升機配套噴霧系統

1.2 噴施藥液種類及水敏紙

試驗所用藥液種類為質量分數為1.25‰的氯蟲苯甲酰胺水溶液共300L,飛防專用助劑邁飛(北京廣源益農化學責任有限公司)。助劑的主要成分為植物油類,主要功能為抗蒸發、抗飄移、促進霧滴沉降、促進附著及促進藥液吸收。霧滴采集方面采用水敏紙(瑞士先正達公司)。

1.3 試驗方案設計

試驗地點為黑龍江省佳木斯市佳西機場,地形開闊,場地長120m、寬80m,場地內設置有一條長度為120m的水敏紙霧滴采集帶。航化飛行方向為采集帶的中垂線方向,利用水敏紙接收霧滴,并配合掃描儀、圖像處理軟件對霧滴粒徑和單位面積沉積量進行統計。試驗方案如圖3所示。

試驗按照三因素三水平的方式進行,總共飛行9個架次,試驗中自變量為飛行高度、飛行速度、助劑濃度,因變量為有效噴幅寬度及霧滴沉積均勻性。因自然側風風速不具備可控性,故作為觀測變量。

1.4 數據處理

1)氣象數據:在試驗進行中利用手持式小型風速儀和溫濕度測量儀對場地內的實時側風風速及空氣溫濕度進行測量。由于9個架次的飛行時間安排緊湊,空氣溫濕度不會產生較大差別,因此溫濕度測量值取平均值,平均溫度21.2℃,平均濕度72.5%。測量實時風速為1.1～2.6m/s。

2)水敏紙霧滴數據處理:將晾干的水敏紙按照編號順序收集到自封袋中,帶回實驗室進行圖像掃描,將掃描后的圖像輸入軟件中處理,可得到各采樣點的霧滴粒徑和平均沉積量。在此過程中,可根據霧滴沉積量的變異系數CV值來評價霧滴沉積均勻性,即

(1)

(2)

式中S—同一架次采集樣本標準差;

Xi—各采樣點霧滴沉積量(μL/cm2);

X—同一架次采集樣本沉積量平均值(μL/cm2);

N—各架次采樣點數。

1.5 有效噴幅及霧滴飄移量計算

有效噴幅是根據《航空噴施設備的噴施率和分布模式測定》的規定,以采集樣點上霧滴沉積量達到噴霧帶中沉積最大量的1/2來確定最終的有效噴幅寬度[8-9]。

在測定出有效噴幅后,可對有效噴幅外的霧滴飄移量進行積分計算,采樣點霧滴飄移量計算公式為

(3)

式中N—總飄移量占噴施量百分比;

Xe—有效噴幅外各點霧滴沉積量(μL/cm2)。

2 結果與分析

2.1 有效噴幅及霧滴均勻性

對幾次試驗數據進行采集匯總,可得出如表2所示的信息匯總表。由表2可以看出:由于飛行參數的改變及外界自然側風的實時變化,有效噴幅的變化范圍在20～34m,霧滴沉積性百分比在32.75%～110.42%。對各架次有效噴幅進行分析發現:飛機飛行高度會導致有效噴幅的變化;飛行速度對霧滴沉積均勻性具有較大影響,隨飛行速度的增大,霧滴沉積均勻性呈現先緩慢增大后急劇下降的趨勢。

表2 霧滴采集信息匯總表

2.2 各架次飄移量及飄移距離分析

對9個架次的霧滴飄移距離和飄移所占總噴施量的比例信息進行匯總如表3所示。

表3 各架次飄移量情況表

由各架次飄移測量數據可以得出:試驗中,霧滴實際飄移距離為28.5～43.6m。由此確定了在側風風速3m/s內的情況下至少設置40m航化作業緩沖地帶較為合理。

2.3 霧滴飄移區內霧滴粒徑分布

通過研究發現:不同粒徑的霧滴在側向風的作用下,飄移情況會產生較大差異。為從粒徑角度解釋霧滴飄移的特性及后期改進噴頭選型方式及其配套噴施壓力,需要對霧滴的粒徑分布進行分析。為了便于對各架次采集點上的霧滴粒徑的統計分析,準確全面掌握試驗區域內霧滴粒徑的分布情況,將霧滴粒徑分為5個粒徑譜區間進行統計,5個區間分別為:<100、100～200,200～300,300～400,400～500μm。統計區域以下風向15m為起始點,以下風向65m為計數終止點,選取比較具有噴霧高度、側風風速差異較大,具有代表性的第1、4、6等3個架次進行比較,結果如圖4～圖6所示。

圖4 第1架次霧滴粒徑分布圖

圖5 第4架次霧滴粒徑分布圖

圖6 第6架次霧滴粒徑分布圖

對3個架次的霧滴粒徑分布情況進行分析發現:隨下風向距離的增加,較小粒徑的霧滴占總沉積量的比例不斷增加,尤其是粒徑小于100μm的霧滴比例大幅上升,說明了100μm以下的霧滴占飄移總量的一大部分。

對比同樣噴霧高度下隨側風風速的增大,粒徑為100～200μm的霧滴飄移量增加,證明了在側風風速為3m以內的環境狀態下粒徑小于200μm的霧滴最易飄移。另外,噴霧高度過高也會加劇小粒徑霧滴的飄移作用。

2.4 航空助劑對霧滴飄移的影響分析

通過分析霧滴飄移量的試驗數據發現:助劑的加入在一定程度上可提高有效噴幅寬度,并減少30%左右霧滴飄移量,縮短霧滴飄移距離;但結合總體噴霧質量來說,過高濃度助劑的加入并不利于霧滴沉積均勻性的提高。其原因可能是:助劑的大量加入會增大霧滴粒徑減少霧滴個數。航空助劑加入量與平均飄移距離關系如表4所示。

表4 助劑加入量對飄移影響關系表

2.5 飄移影響因素相關性分析

得出試驗數據后,需要對影響霧滴均勻性、有效噴幅及飄移的各個影響因素的進行分析和排序,可找出影響單旋翼有人機噴霧質量的主要因素。將試驗數據導入SPSS軟件進行回歸性分析,得出影響因素相關性系數,如表5所示。由相關性系數可知:霧滴飄移距離的主要影響因素主要為飛行高度和側風風速,而霧滴均勻性則與飛行速度和側風風速呈現負相關關系。除此之外,助劑的加入與總飄移量也明顯呈負相關。

表5 各作業參數對飄移影響的相關性系數匯總表

3 結論

1)霧場飄移距離及有效噴幅寬度會因飛行高度和側風風速的變化產生相應差異。在平均溫度21.2℃、平均濕度72.5%、最大側風風速2.6m/s的條件下航化作業時,應設置不少于40m的航化緩沖區,以避免因霧滴飄移而造成藥害。

2)在飛行速度80～120km/h的航化作業范圍內,霧滴沉積均勻性隨飛行速度的增加呈現先增加后降低的趨勢;在95km/h左右出現霧滴沉積均勻性峰值拐點。航空助劑使霧滴總飄移量降低30%左右。

3)該型直升機航化作業時的最適噴霧高度在5m左右,在作業過程中飛行速度最宜保持在90～100km/h的范圍內,并添加適量航空助劑縮短霧滴飄移距離,提高噴霧質量。