桨盘载荷对植保无人机构型的影响

摘 要：本文对目前植保无人机的现状进行了简介，从桨盘载荷出发，分析现有植保无人机桨盘载荷对植保作业的效果影响。在此基础上总结出桨盘载荷对植保无人机总体构型的影响，结合实验分析出适合我国国情的植保无人机构型。

关键词：桨盘载荷；植保作业；无人机

中图分类号：V19 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20180333067

隨着科技进步，无人机植保在我国迅速发展。旋翼气流对药剂施加作用力并附着到农作物，飞行流场是影响作业效果的关键。而旋翼桨盘载荷是影响流场的关键。

1 植保无人机总体构型现状

植保无人机包括飞行平台与喷洒系统。飞行平台分为直升机、电动多旋翼、油动多旋翼。

喷洒系统有：离心喷头，药液径向甩出后旋翼风场为雾滴雾化。压力喷头，农药加压后依靠喷头结构将雾化。离心喷头雾化效果较差，喷幅较大，主要用于直升机；压力喷头雾化效果较好，喷幅较小，主要用于多旋翼。

2 桨盘载荷对植保效果的影响

设起飞重量为G，桨盘拉力为T：

M为单位时间内流过滑流某截面A的空气质量，为滑流增速。设M所经过的截面A的半径为R，则：

故同一旋翼的P越大，滑流增速越大。

拉力相同的2个旋翼，若令同一截面位置A的滑流增速分别为，截面大小分别为和，由质量守恒定律：

因为：

故：

同拉力时，P越大，直径越小，滑流增速越大 。合适的P能将药液雾化扩散，扩大喷幅。P过小，喷幅小，折返次数增加，作业效率低；P过大，滑流速度高，溶剂提前挥发，甚至将作物茎秆吹断。直升机P值可控制在100之下；电动多旋翼的旋翼尺寸小，P值普遍高于直升机，滑流快，雾化时间短。油动直驱多旋翼能解决续航和载重问题，但P值达450以上，要在8m高度飞行，才不会导致作物倒伏。此高度无法准确喷洒，农药挥发严重。

3 桨盘载荷影响下我国植保无人机构型的发展趋势

国内发动机落后限制了直升机发展。作业667m2，日本政府补贴折合人民币100元左右，容易收回成本。国内无人机植保补贴10～20元/667m2，服务商没有能力负担直升机成本。我国的植保无人机需要较低成本和与R-max接近的P值。

下面提出适合我国国情的植保无人机构型。为防止P值超高，需使用大尺寸螺旋桨。为控制成本，采用多旋翼构型。电机难以对大尺寸旋翼迅速控制，要引入新的控制方法。通过改变旋翼迎角，能精确控制大尺寸旋翼的升力，4个旋翼可使用1台内燃机驱动同速旋转，相比电动多旋翼，可避免P值过大；成本低于直升机；载重、续航强于电动多旋翼，燃油成本低于电池损耗。

4 变桨距四旋翼构型的效果实验

经估算，成本为2架载荷10kg的电动多旋翼时，变桨距四旋翼载荷达21.5kg，桨盘载荷85。实现了依靠电动多旋翼的成本达到R-max 70%的载重量。

搭建1台油动变桨距四旋翼，与电动多旋翼进行喷幅和雾化对比。变桨距四旋翼起飞重量28.5kg，P值88.9。电动四旋翼起飞重量28.5kg，P值148。

4.1 喷幅实验

皆使用压力喷头，地面布置水敏测试卡记录喷幅。2m高度多次试验，电动多旋翼喷幅约6.5m。变桨距四旋翼喷幅约7.2m。

4.2 雾化效果实验

皆使用离心喷头。悬停高度2m。图1为电动四旋翼的雾化效果，最外端喷头没有得到气流雾化；图2为变桨距四旋翼的雾化效果。液滴直径明显小于电动四旋翼。

5 结语

无人机植保效果与桨盘载荷具有很大关系。我国植保无人机桨盘载荷普遍过大。实验证明，变桨距四旋翼对药滴的雾化和扩散效果强于同起飞重量的电动四旋翼。合理的桨盘载荷对作业效果至关重要；在我国无人直升机技术落后的背景下，变桨距四旋翼构型是达到合适桨盘载荷较为可行的发展趋势。

参考文献

[1]张呈林，郭才根.直升机总体设计[M].北京：国防工业出版社，2006.

作者简介：徐志雄，男，天津人，研究方向：航空工程专业。