農用無人機噴頭類型及其在農業航空中的應用*

秦維彩 ，陳盼陽

（1.蘇州農業職業技術學院，江蘇 蘇州 215008；2.南京工程學院，江蘇 南京 211167）

1 噴頭的分類和特點

噴嘴是農業航空施藥的關鍵部件之一，是植保機械中最重要的霧化零件，霧滴大小直接影響農藥霧滴的附著、滑落或飄移效果[1-4]。良好的噴嘴能夠提升霧滴沉積的均勻性，增加藥物沉積量，減少藥液飄移，提高防治效果。植保無人機是農業航空中重要的噴灑機具，其噴灑系統由噴嘴和噴頭主體組成，其中，噴頭主體與塑料軟管相連接，用于接收藥液泵傳輸過來的藥液，通過內部結構的作用，藥液最終流向安裝在其底部的噴嘴[5]。按霧化方式和霧流形狀分，噴嘴可分為錐形液力霧化噴嘴、扇形液力霧化噴嘴和旋轉離心霧化噴嘴。其中，錐形液力霧化噴嘴的噴霧霧滴粒徑較小，不會發生堵塞，依據牛頓流體特性，使得藥液沿切向流入噴嘴腔體內部，然后霧化出圓環狀霧滴[6]。扇形噴嘴在植保無人機施藥作業中的應用最為廣泛，其又可分為常規扇形噴嘴、防飄移噴嘴、氣吸型扇形噴嘴等。傳統的扇形噴嘴噴出的霧流會與較穩定的氣流產生摩擦，可以將霧流進一步粉碎為細小的霧滴，并以橢圓形的樣式均勻地散布于作物表面。防飄移式噴嘴在進液口處增設了一個孔板，該孔板的進液口較窄、噴管較寬，可以使藥液在噴管腔內形成漩渦，從而縮小噴霧頻譜，讓易漂移的霧滴比重大大降低，同時也顯著增大了霧滴的直徑，提高了霧滴的穿透能力和抗漂移能力。氣吸型扇形噴嘴基于文丘里效應，在噴嘴的側向有兩個對稱的入風口，使藥液與空氣充分混合，增大霧滴粒徑，降低噴施過程中霧滴飄移的可能性，并且使得霧滴到達靶區后還能破裂成更小的霧滴。扇形噴嘴能夠霧化出沖擊力較大的扇形噴霧，霧滴橫向沉積呈現出正態分布特征[7-8]。不同類型噴頭及其特點如表1所示。

表1 噴頭分類及特點

在外力作用下，液體的表面張力會發生變化而分散，稱為“霧化”。目前，國內的農藥施用技術相對落后，對噴霧霧化機理的研究也十分匱乏。反映液滴霧化特性的因素包括：液滴的速度分布和大小、液滴中的氣體流入液流中心、液滴與霧化區等。液力式霧化要求有一定的壓強，霧化量大，能耗低，經濟性好。它的結構比較簡單，但是它的霧滴顆粒很大（通常是150 μm～500 μm），而且流速也很快（1 L/min～2 L/min），很難達到低濃度的噴射。離心式霧化所得到的霧滴尺寸較均勻，易于調節，所需要的噴霧壓力較低，對生物殺蟲劑的活性影響較小。雖然可以得到更小的霧滴直徑（40 μm～150 μm），但影響其霧化效果的因素較多，參數調整變換較困難。

目前最常見的霧化方法是液力式霧化，它可以讓液體霧化的形狀更加均勻；藥液在經過特殊構造的噴嘴時，會產生一種霧氣，它的作用是讓藥液表面在一定的壓力下形成一層薄膜，在不穩定的液體中，液膜會與空氣產生摩擦，從而產生微小的水滴。離心噴霧技術是目前國際上公認的一種能夠獲得均勻性更好、更狹窄的霧滴的霧滴技術。在高速工作狀態下，離心力會使液體沿著噴嘴的切向方向噴射，通過與空氣的碰撞，將液體粉碎為具有高度集中顆粒尺寸的霧滴。在不同的旋轉速度下，離心噴霧頭可以得到相應的噴霧粒徑，這使它在可控噴霧技術中得到了快速發展。藥液噴霧時噴灑均勻，不僅可以提高防治效果，還能節約大量的農藥資源，降低農藥使用量。同時，可控霧滴噴霧技術的高效性還可以減少人為噴藥對農作物造成的各種危害或污染，具有良好的環境效益。綜上所述，離心式噴頭和液力式噴頭各有優缺點，需要根據實際作業的氣象條件、作物特點、防治對象、藥液理論性質和無人機旋翼下洗氣流場性能等因素綜合考慮，選擇合適的噴頭進行田間施藥作業。

2 噴頭類型對農業航空噴施的影響

植保無人機具有操作靈活、自動控制能力強、霧滴漂動少、藥水在旋轉作用下能夠穿過作物頂部等特點，特別適用于小面積的田間害蟲控制和精確施藥。對于無人機來說，由于其承載能力的限制，需要進行新型噴頭的設計與優化。噴頭參數優化技術是目前農業生產中普遍采用的一種實用技術。由于噴頭的結構參數、噴射壓力與霧化性能之間存在一定關系，可以幫助我們更好地了解影響噴頭性能的各種因素。目前，基于其理論的不斷改進，開發了各種類型的噴頭。噴口直徑越小，霧化效果越好。隨著噴口直徑的減小，噴頭霧化后的霧滴顆粒尺寸也相應減小，液核區域變得更細，能夠在噴口外1 mm處形成薄薄的霧氣。而當噴口直徑越大時，其液核區越粗，霧化效果越差。噴頭的孔徑、長徑比、入口角、切向孔的總面積、切向槽的位置、傾角等結構參數都會對噴嘴的霧化性能產生影響。因此，必須結合噴頭結構參數，才能合理地解釋不同結構噴頭的霧化現象。但是，由于噴霧機制具有復雜性，所以需要對噴頭的結構參數進行深入的研究，才能了解總體的情況。在不同的工作壓力條件下，噴頭所形成的霧滴大小存在一定的差異。噴頭的流量和液體進口壓力的變化規律被稱作噴頭的流量特征，它是噴頭霧化的一個重要參數，其流量和壓力之間有一一對應的關系。

噴頭類型的不同直接影響了霧滴的大小、運動軌跡和霧化效果[9-10]。霧滴的大小和運動軌跡直接影響到決定噴霧質量的3個主要指標——覆蓋率、飄移率、均勻性，進而影響到作物的病蟲害防治效果。一般來說，小霧滴的覆蓋率要高于大霧滴（相同噴霧量），穿透力強于大霧滴，但抗飄移性能不如大霧滴。在給定壓力下，所有的噴嘴都會產生一系列尺寸的霧滴，只有了解了霧滴從噴嘴到目標作物的運動軌跡受哪些因素影響，才能科學合理地選擇施藥設備和施藥方法。霧滴一般是按直徑大小分類的，分類方法也多種多樣。根據美國農業生物工程總會（ASABE）的標準ANSI/ASAE S572.1，依據噴頭霧化的霧滴體積中徑，將噴頭噴霧分為若干組別[11]，并且用不同的顏色標識，如表2所示。這些尺寸通常被稱為噴霧質量，是在使用國際認可的特殊噴頭進行比較的基礎上得出的[12]。

表2 噴霧質量分級表

對于噴霧施藥應用，霧滴尺寸譜起著關鍵作用，因為它會影響植物檢疫處理的生物學功效、環境污染和操作員安全。噴霧作業目標種類和農藥種類繁多，對噴霧作業的要求也不一樣。使用某一種農藥對某種作物進行噴霧作業時，選擇大小合適的霧滴是極為重要的，需要綜合考慮霧滴從噴嘴到靶標的運動狀態，并同時注意各種外部因素的影響[13]，從而選擇最合適的噴霧作業參數。選擇合適的藥劑，對防治農作物病蟲害、提高農作物產量有著非常重要的作用。隨著科技的不斷進步，農藥種類也越來越多。因此，要充分考慮到農藥對環境和農作物的影響，選擇高效、低毒、低殘留的農藥。使用噴霧技術來控制霧滴的大小是一項非常重要且實用的技術，并且可以在一定程度上提高農藥的利用率和防治效果。現在的植保施藥作業提倡減少農藥用量，這就更要求噴霧時盡量使用小霧滴噴霧，在節省農藥的同時還可以提高噴霧作業的覆蓋率。但是，目前農藥霧滴的粒徑都比較大，霧滴分布范圍也不是很廣，在施藥過程中如果使用大霧滴噴霧，由于霧滴粒徑較大容易導致農藥噴施不到位或漏噴。所以在進行植保作業時應盡量使用小霧滴噴霧，可以使藥液更均勻地分布于作物表面，有利于提高防治效果。小霧滴粒徑較小且呈線狀均勻地分布于葉片表面上，有利于藥液均勻分布在植物各組織上，從而達到防病、治病的目的。經試驗，當1 L藥液平均噴灑在1 hm2面積上時，霧滴的理論密度如表3所示。

由表3可知，在不考慮霧滴因外界環境條件影響而產生飄移的情況下，霧滴的大小很大程度上決定了霧滴對噴霧目標的覆蓋率。霧滴大小是農藥施用程序中最重要的參數之一，可能會影響靶標上的沉積物和噴霧覆蓋率。Derksen等用不同的噴霧技術評估了密集的大豆冠層中的噴霧滲透性，驗證了在相同的施用率下，使用扁平扇形噴嘴的中等霧滴比精細和粗大的霧滴性能更好[14]。Costa等的研究顯示，用雙平扇噴嘴（細霧滴）、雙平扇砧形噴嘴（中霧滴）和空氣感應平扇噴嘴（中霧滴）在相同的噴灑量下噴灑殺蟲劑時，在大豆植株底部的葉片上有類似的噴霧沉積結果[15]。

表3 1 L藥液平均噴灑在1 hm2面積上時霧滴的理論密度

最好的施藥技術必須提供足夠數量且能夠覆蓋目標的藥液，以達到令人滿意的生物功效。提高噴霧的覆蓋率不僅有助于控制作物的病蟲害情況，還可以減少整體的農藥使用量，同時減少環境污染和農藥與旁觀者的接觸。許多農戶對使用新的噴頭類型，特別是產生粗大霧滴的噴頭類型來施用殺蟲劑和殺菌劑持懷疑態度。因為產生粗大或非常粗大尺寸霧滴的噴嘴一般用于系統性除草劑和環繞操作中。此外，由于不同類型的害蟲對不同大小霧滴的吸收能力不同，通常體積中值粒徑在100 μm以下的霧滴能夠很好地被昆蟲吸收；不同種類、同一種類不同生長時期的作物對霧滴保持在其葉面上的要求不同。因葉面絨毛的作用，霧滴在葉面上的附著性降低，霧滴粒徑300 μm以上的大霧滴會從葉面上向下滾落，藥液不僅沒有起到作用，還會造成浪費。航空低量噴灑施藥量少且飛行高度高，容易產生飄移。粒徑在100 μm以下的霧滴在高溫、高濕環境的空氣流擾動下，容易蒸發和飄移。因此，植保無人機航空施藥要求霧滴粒徑在100 μm～300 μm之間，可以配合旋翼下旋氣流將霧滴盡快地沉積到靶標上，減少飄移[16-17]。

3 農業航空噴頭發展趨勢

目前，發達國家發展較快的低污染、低容量、低飄移的噴霧技術是可控霧滴施藥技術[18]。可控霧滴施藥技術以離心霧化為核心技術，主要通過調節離心霧化器的轉速來控制霧滴直徑，可以滿足不同作業目標和氣象條件對霧滴的要求，同時提高霧滴在靶標作物上的附著率、分布均勻性并減少無效霧滴數量，最終實現提高農藥有效利用率、病蟲害防治效果以及減少環境污染的目的。國內有關可控霧滴漂移和沉積的部件、農藥漂移與生物靶標的關系等方面的研究還很少。針對目前中國可控噴霧技術及機械裝備的問題和特點，借鑒國外先進技術，加大研發力度，努力設計并開發適合中國植保施藥的技術和關鍵施藥組件[19]。

國內對可控霧滴噴頭的制造工藝落后且精度較低，導致實際噴霧質量達不到農藥噴施要求。目前我國還沒有制定專門的標準用于植保專用噴頭，因此各個噴頭生產廠家都采用自己企業內部的標準，未形成標準化的格局。在噴霧壓力、噴嘴類型、施藥高度等方面對可控霧滴施藥技術的研究較多，但在試驗分析單因素對可控霧滴的影響時，很少從噴頭終端特點的角度來分析。可將新材料、新工藝以及新技術應用在可控霧滴噴頭的研發上，以達到延長噴頭使用壽命、提升噴頭可靠性、優化噴頭霧化特性的目的。研究并開發植保施藥專用噴頭，設計研制出與具體噴霧技術相配套的噴頭，使噴頭實現專用化、標準化以及配套化[20]。

此外，由于計算機技術的飛速發展，用數值模擬技術來研究可控霧滴噴頭的霧化性能是一種行之有效的方法。通過數值仿真，可以有效地減少試驗時間，快速地對噴頭的霧化性能進行分析，以便更好地了解噴頭的霧化性能和霧化機制，對噴頭的工作性能和幾何參數進行優化。可控霧滴施藥技術可以在未來農業生產的多個環節中發揮作用，將對中國乃至世界智慧農業的發展產生促進作用。目前，在農藥噴灑技術中，霧滴直徑是最容易控制的因素，它的大小對噴灑的品質和病蟲害的防治效果有很大的影響。另外，為了減少環境污染，達到最好的病蟲害防治效果，還應對噴霧顆粒尺寸進行適當的控制。