河北省棉花产业航空植保可行性研究

2017-08-07王建合杨欣李建平吴鹏坤郭龙

河北农机 2017年7期

关键词：农用植保飞行器

王建合杨欣李建平吴鹏坤郭龙

1、河北省农机化技术推广服务总站2、河北农业大学机电工程学院3、石家庄市农业机械化推广站

棉花航空植保研究

河北省棉花产业航空植保可行性研究

王建合1杨欣2李建平2吴鹏坤3郭龙3

1、河北省农机化技术推广服务总站2、河北农业大学机电工程学院3、石家庄市农业机械化推广站

河北省棉花种植面积达500多万亩，每年需要进行8～10次的喷药作业，任务繁重，特别是土地流转形成的耕作规模日益扩大，城镇化人口流动造成的结构性农业人力短缺，人力成本日益上升。目前，大面积棉田农药喷施、化肥喷施作业效率低，传统人力背负和地面机械作业已不能满足病虫害防治时效性强的农艺要求。随着河北省棉花产业创新团队的建设和发展，开展棉花航空植保喷雾技术研究和作业示范已经具备基础条件，但棉田不同时期和不同飞行参数对雾滴粒径及雾滴漂移的影响规律，无人机飞行器精确施药及喷幅精确切换对接等问题尚需进一步研究。

棉花产业；植保机械；航空喷药

引言

农业航空作业突出优点主要表现在速度快、效率高、质量好，在对大面积集约型作物进行航空作业时更具优势。农用飞机的空中作业效率较高，大田作业比地面机械效率高5～7倍，相当于人工喷雾的200～250倍。飞机喷雾突击能力强，利于消灭爆发性病虫害，且不受作物长势的限制，利于作物生长后期作业。静电喷雾技术在地面机械喷雾作业中的应用已趋于成熟。采用无人驾驶农用飞行器进行静电喷雾是目前国际上农业植保刚刚起步的热点技术。为了比较深入地了解农业航空植保的发展现状，河北省棉花产业创新团队农用飞机调研组自2014年3月中旬开始进行专题调研和田间航空植保试验，以期掌握国内农用飞机发展动态，探讨河北省棉花实施航空植保的新途径。

1 国外农业植保发展现状

美国的农业生产高度规模化，是世界上农业航空技术最发达的国家之一。美国在1918年就第一次用飞机喷撒农药杀灭棉虫，开创了农业航空的历史。随后加拿大、前苏联、德国和新西兰等国也将飞机用于农业，第二次世界大战以后，化学杀虫剂、除草剂等农药相继出现，迫切需要一种高效率的喷洒机具。同时战后大量小型飞机过剩，纷纷转用到农业上来，农业航空得到迅速发展。20世纪50年代以来，为农业而设计的专用和多用途农业飞机相继出现。50年代末，直升机也加入到农业航空行列，在农业航空的发展中还曾少量使用过热气球和飞艇。美国现有农业航空公司2000多家，在用农用飞机约4000架左右，注册农用飞机驾驶员3000多名，年处理耕地面积近3400万hm2，占美国年处理耕地面积的50%，森林植保100%采用航空作业[薛新宇,2013]。美国农用飞机约有20多个品种，机型有固定翼飞机和直升飞机两种，大部分机型是有人驾驶的固定翼飞机。农用固定翼飞机基本上都使用活塞型发动机，且多为后三点式。根据载荷分大型（载重1.5t）和中小型（载重0.5～1t）两类，飞机价格通常在100～140万美元之间。美国生产农用飞机、农用航空作业设备和相关器材的厂家有500多家，大型农用飞机制造企业有4家，其中位于德克萨斯州的空中拖拉机公司（AirTractor）的产品在农用飞机市场中占较大份额[杨林,2013]（见图1）。

图1 美国AirTractor的农用飞机

20世纪40年代末，新西兰空军专门成立了一个部门，将道格拉斯DC-3、Grumman“复仇者”等中大型飞机应用到农业领域开发。后来许多新西兰空军飞行员退役后购买前置料斗的小型飞机投入农业领域（见图3）。

图2 新西兰的农用飞机

日本由于种植规模较小，其施药装备以小型机动喷雾机和直升飞机航空喷雾设备为主。近几年来，具有作业效率高、单位面积施药液量小、农药飘移少等优点的无人驾驶超低空作业农用轻型直升机在日本发展迅猛，目前，有超过1000架的农用飞机在使用[张亦驰,2013]。日本无人直升机主要用于播种、施肥、喷洒农药等作业，每小时可喷洒农药7～10hm2。目前，日本拥有无人直升机2346架，操作人员14163名（每个机组2人），喷洒面积的总和达到963Mhm2（约合1450万亩），超过了有人驾驶农用直升飞机的防治面积[王辉,2014]。1990年，日本雅马哈公司率先推出世界上第一架农用无人机，主要用于喷洒农药。我国南方地区首先引进，主要用于水稻喷药，单价为160万元人民币左右。

该机型配置喷头3个，90%装配扇形雾喷头，离心式喷头较少。载药液量为16L，两边各一个8L插入式药箱（装卸方便）。每架飞机每天作业面积约为约20～30公顷，约300～450亩/天，飞机的滞空作业时间5小时。日本几乎100%进行育苗，插秧后每季大约喷洒1～2次。飞机寿命达1000小时，使用年限为6～9年。

图3 日本的农用无人机

2 国内农业植保发展现状

我国手动植保机具约35个品种，社会保有量约5807.99万架，担负着全国农作物病、虫、草害防治面积的70%以上。其中，背负式机动喷雾机及背负式机动喷雾喷粉机约8个品种，社会保有量约261.73万台；担架式机动喷雾机社会保有量约16.82万台；小型机动及电动喷雾机社会保有量约25.35万台；拖拉机悬挂式或牵引的喷杆式喷雾机及风送式喷雾机的社会保有量约4.16万台，我国航空植保作业装备保有量仅400架（2013）。

中国从1951年开始用飞机参加防治东亚飞蝗、护林防火和播种造林等工作。1956年中国民用航空局设立专业航空机构开展多种农业航空业务。目前，已有6个机种400多架飞机在大面积的垦区和农场从事农业航空工作，主要机型包括“农业5”、“Y5B”、“Y1l”、“海燕650B”等固定翼飞机（见图4）。目前，我国已有多家专门农用飞机制造企业从事植保飞机的研制与改造。

中国东北的龙垦通用航空公司是1985年5月在中澳两国援助项目的基础上建立起来的，位于黑龙江省三江腹地的佳木斯市，隶属于黑龙江省农垦总局，是目前世界上最大的农林专业航空公司，2010年更名为北大荒通用航空公司。

图4 中国民用航空局的农用飞机主要机型

北大荒通用航空公司主要经营业务包括农林超低空喷洒农药、播种、勘探测量、人工增雨、森林灭火作业以及抢险救灾、公务飞行、飞行员培训等。经过近30年的发展，飞机保有量从最初的5架“空中农夫”发展到现在的13种机型85架飞机[黑龙江日报,2014.7]，其中有8种类型飞行教练机12架，年飞行能力超过1万小时，作业能力2000万亩。

图5 北大荒通用航空公司的农用飞机

重庆金泰航空工业有限公司是一家以科研开发、加工制造、产业集成的综合型通用航空器研发生产机构，主要生产并销售通用多轴无人飞行器，产品应用领域到农业保植、资源勘探、设备维修、抢险救急等各行业。重庆金泰航空工业有限公司农用飞机产品主要包括10公斤植保无人机和30公斤植保无人机两种类型（见图6）[2014.4调研]。

图6 重庆金泰航空工业有限公司农用飞机产品

2010年，西安韦德沃德航空科技有限公司与中航工业自控所合作开发了自动导航无人机施药技术并合作开发了AF811型农用无人直升机（见图7）[2014.4调研]。

图7 西安韦德沃德航空科技有限公司农用飞机产品

荆门航空科技有限公司（荆门605研究所）2003年10月8日由中国特种飞行器研究所发起组建成立，公司主要从事水上飞机、超轻型飞机、地效飞机、浮空飞行器等民用特种飞行器的研究、制造及对外服务，该公司生产的A2C固定翼飞机为有人驾驶的小型植保飞机（见图8）。

图8 A2C飞机在山东开展小麦病虫害防治[2014.04.09]

珠海银通航空器材有限公司是银通集团旗下的控股企业。该公司的银通一号是国内首台电动无人直升机（见图9a），机身总长1510mm，主旋翼长度1820mm，功率3.5kw，载荷5kg，采用银通高效储能电池作为电源，可通过飞控师操控或自主飞行25分钟，具备起飞调校时间短、机身震动小、工作效率高、使用维护成本低、低噪音、隐蔽性强等特点。

2013年1月，珠海羽人飞行器有限公司应罗锡文院士邀请参加“农业航空应用技术研讨会暨863计划课题启动会”罗院士提出建立“农业航空产业技术创新战略联盟”，并由该公司担任联盟首任副理事长。2013年3月，该公司“水牛”飞行器研发成功并正式上市；2013年8月，四旋翼农用飞行器“谷上飞”试飞成功（见图9b）。

图9 珠海两家农用飞机企业的产品

2014年4月19～21日第五届中国国际现代农业博览会在北京举办，参加的农用飞机厂商包括：中航工业集团旗下荆门航空、西安飞行自动化控制研究所、贵州飞机、安阳全丰、无锡汉和、中航天宇、珠海银通、山东新晨、高科新农、韦德沃德等共计40多家企业。

2014年5月24日～26日，由安阳全丰航空植保科技有限公司和华南农业大学共同承办的“农业航空产业技术创新战略联盟2014年第一次全体会议”在安阳隆重召开。会议由农业航空产业技术创新战略联盟主办，来自科技部农村技术开发中心、农业部农机推广总站、民航二所通用航空研究所、中国农大、中国航空航天大学、浙江大学、北斗重大专项组等60余家国家科研单位和院校的专家、学者、用户共百余人参加了这次盛会。会上针对无人机飞行控制中的关键技术导航控制问题，特别邀请了我国北斗卫星系统专家组的4位领导和专家做了关于北斗卫星导航的主题报告，针对无人机在市场上的实际应用情况邀请了多家飞防公司做了主题报告。

综上所述，我国农林牧业在治虫除草、飞播施肥、催熟矮化、绿化荒山、防火巡护、抗旱增雨和防汛泻洪等作业项目上对农用飞机的要求非常迫切，农用飞机科研和产业化示范应用已经具备发展机遇。我国十二五期间设立了农业航空补贴项目，将农用飞机购置、油料保障纳入农机补贴范围。根据专家预测，未来10年，我国农用飞机的需求量约为7500架，潜在市场规模超过500亿元，到2018年需要的无人机操作维护等人员可达20万[中国通用航空网，2013]。在如此巨大的市场需求和良好的政策环境下，我国农用飞机将迎来快速发展的黄金时期。河北省棉花产业体系也必将借此东风开展农业航空植保技术，为解决日益增长的棉花产业需求和人力成本增加的矛盾提供一种有效途径。

3 农用飞机研发和应用技术关键

从目前技术发展看，农业植保技术的发展依然是以化学防治为主，为避免或减轻农药对非靶标生物的影响和对环境的污染，航空施药作业必须考虑以下因素：（1）作业条件：如作业时的气象条件，特别是风向、风速，温度。（2）飞行参数：飞行高度和飞行速度需根据作业条件、气象条件、田块大小、喷液量的要求进行调整。（3）影响飞机喷雾的因素：正确的喷雾时间、飞机的高度和导航、雾滴的大小（涉及到喷头雾形与流场、雾滴大小与覆盖密度）等。（4）安全性问题：监管、技术、生产、作业四个层面。

其中，安全性问题中监管层面包括建立行业标准：无人机标准、人员培训考核标准、安全生产标准等；建立无人机分级管理：依据最大起飞重量、载重量、飞行半径、智能化程度等；建立不同的监管标准；建立作业人员资格分级、认定、备案机制；建立无人机准入机制：如鉴定、身份呼号备案（借鉴飞行器、车辆管理）；积极融入通用航空发展监管：代表行业推动与国家航空管理部门沟通，推进低空农业作业的有序开放和监管；空域分级设立禁飞区管理、引入飞行器、作业人员、第三者商业保险，监督相关农药、药械的管理等。

安全性问题中技术层面包括高可靠性的飞行控制设备、高可靠性的飞行器、优秀的人机安全工程设计、将北斗系统作为主定位系统；推广非作业区域禁飞功能、推广无人机身份识别、跟踪、应答、控制、航程、高度限制功能，失控保护功能与安全性设计；流量与飞行速度匹配功能、断点续接功能等。

在生产和质量控制层面，还需要建立完整的质量管理体系，建设完善的测试、试验环境，开展测试试验与统计方法研究。在作业层面，建立作业报备机制：时间、地点、无人机呼号、作物品种、作业面积、使用药物等；建立后台管理：电话报备、网络报备；建立从业人员培训制度和机构、作业现场的警示和隔离：听得到、看得到、控得到（通讯畅通）。

4 已开展的工作和进一步研究重点

农用飞机研发和应用诸多技术关键均可作为科研单位的技术切入点开展相关项目预研工作。河北农业大学研究了多向射流分裂雾化机理及性能[崔瑾，2015]，从喷雾单一射流方向的液化雾化进行研究，然后进行了单、双喷头喷洒工况的CFD模拟计算，得出了雾化场中雾滴的轨迹、速度、密度以及湍流动能等数据云图。在此基础上建立了多向射喷雾射流CFD模型，基于喷雾作业调节喷头位置与靶标间距的实际作业工况，模拟计算了多喷头仿形喷杆在0～40°范围内雾滴分裂雾化过程和雾滴沉降漂移行为，为仿形喷雾工作装置的设计提供了理论依据。河北农业大学在无人驾驶飞行器静电喷雾关键技术研究中，建立了农用飞行器喷雾的雾滴分布仿真数学模型，通过模型分析雾滴沉降规律、不同飞行参数对雾滴粒径及雾滴漂移的影响规律等，试制了样机。2016年7月中旬，在河北省邯郸市成安县棉花试验站进行了航空植保试验（见图10），结果表明，目前河北省棉花种植模式在棉花生长早期可以实施航空植保，但在中后期棉花植株茂密之后，航空植保对病虫害防控尚存在一些不足，虽然旋翼气流对棉花枝叶有一定吹动作用，但药液雾滴在枝叶背面和下面仍存在附着情况。