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為什么說油動單旋翼植保效果好、效率高、效益多
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(zhuǎn)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(shù),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(fēng)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(shè)計理念上來分析。
一、油動單旋翼比電動多旋翼風(fēng)場好
單旋翼無人機啟動和飛行時,槳翼始終向右方向旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生下行的純凈風(fēng)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(zhuǎn),產(chǎn)生相互抵消的擾流風(fēng)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(fēng)場
旋翼在高速旋轉(zhuǎn)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(fēng)場。不同的飛行平臺,風(fēng)場差異很大;風(fēng)場內(nèi)外的空氣流速、風(fēng)壓等差異也很大。
多旋翼的風(fēng)場極為復(fù)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(fēng)場更為復(fù)雜,由于多旋翼的相鄰槳需要反向旋轉(zhuǎn),不同螺旋槳產(chǎn)生的風(fēng)場相互干擾,導(dǎo)致多旋翼的風(fēng)場相對單旋翼要紊亂。同時,隨著旋翼旋翼數(shù)量的增多,風(fēng)場越紊亂、風(fēng)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(fēng)場計算機簡單仿真圖如圖3所示。
圖3四旋翼風(fēng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向示意
圖5 X型多旋翼植保無人機大疆MG-1S
X型結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速,即可改變無人機姿態(tài)從而實現(xiàn)基礎(chǔ)飛行。便于簡化飛控算法的開發(fā)。但由于其構(gòu)造的原因,導(dǎo)致無人機航拍時前行會導(dǎo)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(lǐng)域X型布局較為普遍,在植保領(lǐng)域十字、X型均有應(yīng)用。
圖6 十型旋翼氣動布局與電機轉(zhuǎn)向示意
可以看出電動多旋翼先天上風(fēng)場和油動單旋翼有差別,是經(jīng)過科學(xué)驗證的。
設(shè)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(shè)計和一字噴灑桿式設(shè)計:
噴頭-旋翼臂一體化設(shè)計是一種成熟的工業(yè)化設(shè)計思路,相應(yīng)產(chǎn)品具有更好的結(jié)構(gòu)統(tǒng)一性。例如,大疆將其植保無人機設(shè)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(shè)計必然造成噴頭必須配合旋翼臂的設(shè)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(shè)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(shè)計
一字形噴灑桿結(jié)構(gòu)是借鑒了傳統(tǒng)自走式噴桿噴霧機的噴灑系統(tǒng)。這種設(shè)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(yīng)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(shè)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(zhuǎn)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(shè)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(rèn)識到,植保無人機的重量和噴灑效果具有很強相關(guān)性。因為無人機空中重量和下壓風(fēng)場強度成正比,而下壓風(fēng)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(yīng)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(shù)要求,而農(nóng)藥噴灑效果則是評定農(nóng)業(yè)植保設(shè)備性能優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)。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(shè)計易維護,合金機體耐使用
2、按可靠性設(shè)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(guān)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(shè)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(shù)在植保無人機上的應(yīng)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(fēng)險。這是通過*的航電技術(shù),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(jié)構(gòu)設(shè)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(fù),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(chǔ)上研發(fā)的,具有自主飛行的功能同時,采用模塊化設(shè)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(shù)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(shè)定過大或者過小都會造成沉積分布均勻性下降,噴幅設(shè)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(zhuǎn)作用,在作業(yè)速度小時,下洗氣流對作物枝葉的扭轉(zhuǎn)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(yīng)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(xué)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)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(shù)指標(biāo) 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(biāo)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(shù)指標(biāo) 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(biāo)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(xué)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(xué)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn),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(fēng)場明顯比電動多旋翼大,也就是說在同樣植保標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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。
下一篇:氣動切斷閥的安裝時注意事項
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