直升机航空喷施雾滴飘移分布特性

0 引 言

粮食产量问题是世界性问题，关系着经济发展与社会稳定，为了保障粮食产量，世界范围内每年都有大量的化肥农药在使用，但由此对生态环境造成了极大的损害，又引发了粮食安全问题。为解决这一难题，将化肥农药减量减施作为目的的精准农业航空技术应运而生[1-3]。

美国在2013年就有20多种型号的4 000多架有人驾驶农用飞机用于航空喷施作业[4]。以飞机为施药载体的航空喷施具有防控面积大、突击能力强、作业效率高等地面机械不可比拟的优势，但受空中施药条件与气流的影响，航空喷施更易产生农药飘移现象[5-6]。农药飘移是指在施药过程中或者施药后一段时间，在非控制条件下，农药雾滴或颗粒在空中从靶标区迁移到非靶标区的一种物理运动，若控制不当，往往会产生药害[7]。雾滴沉积行为及飘移特性是表征航空喷施效果的基本方面，当前，因受地理条件和农业生产布局及政策法规限制，国内研究人员对于农业航空雾滴飘移特性的研究大多集中在农用无人机领域[8-10]。

有人驾驶农用飞机在中国的发展速度一直较慢，其实际保有量及农业生产使用比例远低于发达国家，同时配套的航空喷施装备与核心技术研究也与发达国家有一定差距[11-12]。在国外已经有很多专家学者对有人驾驶农用飞机喷施作业的雾滴飘移情况进行了研究[13-17]，Hoffmann等借助Air Tractor 402B飞机对2种不同航空喷头分别在作物和混凝土跑道上方喷施的飘移特性进行了分析测试，并将实测结果与飘移预测模型AGDISP进行比对，以此对2种喷头喷施效果进行评估[13]。Lan等就4种不同助剂对固定翼飞机航空喷施雾滴飘移的影响效果进行了试验验证。结果表明，使用助剂有助于减轻雾滴的飘移，同时不同的助剂对于雾滴飘移的影响效果也明显不同[14]；Jin等利用有人直升机对水稻田进行超低容量施药，测定飘移距离在下风向30 m以内，并通过检测飘移区域内土壤农药含量对飘移效果做出评估[15]。Huang等提出了一种基于模拟优化的农用固定翼飞机雾滴飘移预测方法，通过独立研究各种因素对雾滴沉积飘移影响的特性，能够预测并试图选出最佳的飞机施药作业参数以减少药液雾滴漂移[16]。Fritz归纳总结了常用的航空飘移减轻技术及飘移产生的原因，并从环境风、温度、相对湿度和大气稳定性等因素入手，对Air Tractor 402B飞机喷施的飘移规律展开了研究，结果发现风速是影响飘移最主要的因素[17]。

目前国内有关航空施药的研究，尤其是有人直升机施药的研究大多还集中在施药后的防治效果方面，对于喷施雾滴飘移规律的研究基础还较为薄弱[18-20]。虽然国外学者对于雾滴飘移的相关研究很多，但结合上述研究现状不难发现，国外对于航空喷施雾滴飘移的研究大多是针对固定翼飞机的，围绕直升机开展的航空喷施飘移研究并不是很多。同时由于二者结构设计差异很大，固定翼飞机靠固定机翼产生升力，而直升机则靠自身旋翼产生升力。喷施作业时，二者形成的下压风场有着明显不同，雾滴的运动轨迹亦不相同。因此虽然已经有固定翼飞机使用助剂减飘的经验，但是其规律对于直升机喷施并不适用，还需要对直升机做进一步测试。除此之外，国外航空喷施设计参考的作业标准与中国实际作业标准也有所不同，在中国因受防风林、电力通信布线、作业安全及政策法规的影响，作业地块面积小且较为分散，飞机作业速度浮动范围较大，作业高度一般在4～20 m，与国外3～5 m的作业高度及大面积的稳定作业方式有很大差别[12, 21-23]。因此即使直接引进国外先进飞机机型与配套设备，国外有人飞机雾滴飘移相关的研究成果也并不能直接移植到中国，还需要对各类机型的实际施药参数进行实地测试[24]。针对这一现状，本文以轻型机载北斗RTK差分系统得到的精准作业飞行参数为参考，对安装有AG-NAV Guía进口喷施系统的AS350B3e直升机设计了不同飞行作业参数的航空喷施雾滴飘移试验，对其雾滴飘移规律进行了研究，以期为减少航空喷施作业雾滴飘移提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验机型及搭载设备

试验所使用的机型为AS350B3e（小松鼠）直升机（法国Eurocopter公司），喷施试验现场如图1所示。直升机安装有AG-NAV Guía系统（加拿大AG-NAV公司），用于精准变量喷施控制；同时搭载有华南农业大学自主研发的轻型机载北斗RTK差分系统，系统具有精准差分定位功能，数据采集间隔0.1 s，能够实时记录飞行参数并绘制出实际作业轨迹作为喷施效果的参考分析[25]。直升机技术参数及搭载设备的主要性能指标如表1所示。

文章来源：《航空动力学报》 网址: http://www.hkdlxbzz.cn/qikandaodu/2021/0316/682.html