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摘要：简述静电喷雾技术的工作原理及优点，论述航空静电喷雾技术发展历程及国外主要成果。从机具研制与设计、影响喷雾效果因素2个方面，介绍我国航空静电喷雾技术及装置研究现状，为航空静电喷雾技术的发展及应用提供理论依据。
关键词：静电喷雾；无人机；综述；喷雾装置
中图分类号：S224.3 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2017）07-0069-02
使用大容量和大雾滴的传统喷雾技术，农药大部分流淌或散落到地面上，农药有效利用率仅为20%～30%，农药不仅未发挥杀病虫作用，反而染污环境。静电喷雾技术能很好地解决上述问题，是现代植保施药机械的主攻方向之一。为达到更好的病虫害防治效果，国内外科研工作者对航空静电喷雾技术进行深入研究，研制许多航空静电喷雾系统，并将其广泛应用于大田、果园和温室作物植保作业。
1 静电喷药技术工作原理
静电喷药技术用静电发生器在喷头和大地之间形成高压静电场，使雾滴表面带有电荷，药液更易附着在植株叶片尤其是植株背面，有效增加药液沉积。静电雾化形成的雾滴细微、分布均匀。药液荷电后可提高药剂活性，提高防治效果，节省农药用量50%以上。同时，静电喷雾装备的用水量仅为传统喷雾装备的一半，不用频繁加水加药，大幅提高喷洒效率。
静电喷头的充电电极被充上正或负的高压后，药液雾滴流经电场感应区时会被充上电荷，处在电场区内的靶标作物表面感应与电极极性相反的电荷，荷电雾滴在充电电极排斥力的作用下，沿电场线向靶标作物做定向运动。因电场线分布于目标的各个部位且呈环抱式分布，因此雾滴会在各个位置沉降。这样不仅使作物叶片正面药液吸附雾滴，背面和隐蔽部位也可附着药液雾滴。静电喷雾装置的工作原理见图1。
2 航空静电喷雾技术发展历程
自20世纪40年代，法国的Hampe首次将静电技术应用于喷撒农药后，英国、加拿大、美国等相继展开相关试验。20世纪60年代，为达到更好的病虫害防治效果，各国深入研究农业航空静电喷雾技术。美国农业部（USDA-ARS）Calton 博士和Isler 博士最早研制了一种电动旋转喷嘴，利用高压充电环为喷雾雾滴充电。2003年，Kirk等采用飞机搭载航空静电喷雾系统进行喷雾作业，施药量明显减少，药液雾滴沉降速度及沉积率明显提高，但病虫害防治效果和下风处喷雾飘移没有得到明显改善。
在航天静电喷雾技术及系统方面，国内外学者做了大量试验，并提出了相应理论。目前，美国将DSDAARS 的DropKirk 模型作为航空施药作业条件选择的重要依据。该模型为航空静电喷头的研究设计提供技术基础，为解决航空静电喷头静电雾化、荷电特性和喷头结构优化等问题提供了理论依据，也为后期研究适用于植保无人机的静电喷头提供了技术基础。
3 我国航空静电喷雾系统研发现状
3.1 机具研制与设计
某些昆虫如棉铃虫易隐藏在植物的隐蔽侧，需要使用精准定位的施药手段。加之大型农场、草原、森林等大面积地块的病虫草害逐年加重，使航空噴雾技术得到空前发展。农用飞机通常用于大范围连片土地，而小范围地块采用无人机方式。与其他植保机械相比，航空无人机喷雾技术具有全地形均可使用、作业时间短、作业面积大、降低中毒风险性等优势。针对航空植保作业过程中存在的雾滴漂移量高、沉积量少等问题，国内外学者将静电喷雾技术与航空植保技术相结合，设计航空静电喷雾设备，以提高雾滴在作物表面的沉积量。
廉琦等以多旋翼无人机为载体，设计与无人机相配套的静电喷雾系统，其有效喷幅为2.5 m，雾滴在采集装置上的平均沉积密度为上部133.8个/cm2、中部113.8个/cm2；相比于非静电喷雾，雾滴在上方的平均沉积密度提高13.6%，中部提高32.6%。
针对南方丘陵地区果园种植模式，牛萌萌设计一种果园在线混药型静电喷雾机并进行喷头类型与喷雾角度试验、在线混药系统性能试验和喷雾飘移试验。研究结果表明：静电喷雾适合在无风或低风速环境下作业。施药区环境风速较大时，应采用低电压喷雾或非静电式喷雾；仿真柑橘树冠层内部叶片正面的雾滴附着率为48个/cm2左右，叶片反面为37个/cm2；风辅静电方式可显著提高喷杆式喷雾机的雾滴吸附能力和穿透能力，并抑制雾滴飘移。
茹煜等以固定翼Y5B农用飞机为基础，设计由航空喷嘴、高压直流电源、内嵌式圆柱电极感应充电装置组成的航空静电喷雾系统。有效喷幅、雾滴沉积、雾滴飘移试验结果表明：与常规喷雾相比，静电喷雾使雾滴沉积提高14个/cm2，有效喷幅42 m，雾滴飘移明显减少。
田源等基于无人机设计一种静电离心雾化装置，在静电喷雾的基础上，喷头部分采用静电雾化和离心雾化结合的方法，使得雾化后的液滴粒径更小，为植保喷雾低量化提供了思路。
3.2 参数优化研究
杨洲等在研究不同侧风和静电电压对静电喷雾雾滴飘移的影响规律时发现，随着静电电压的增大，雾滴粒径减小，雾滴荷质比增大，0～8 kV电压下电极干燥和电极打湿的雾滴荷质比没有显著影响；相同静电电压下，2 m/s恒速风和0～4 m/s模拟自然风的雾滴飘失率无显著差异。
周良富等针对农药雾滴难以穿透果树冠层、雾滴在叶背面附着率低的问题，采用4 因素3 水平的中心组合设计与响应面分析方法，研究感应电压、风机频率、喷雾距离和喷雾压力对雾滴覆盖率的影响，提出风送喷雾与静电喷雾技术相结合的方法；荷电雾滴主要受气流曳力和静电力作用，合理匹配工作参数有利于提高反面的雾滴覆盖率。
除适用性和广泛性外，我国在喷施基础理论、药液雾滴沉积特性、雾滴荷电原理、变量控制施药、精准施药等方面的试验研究进程稍显缓慢，需要进一步进行大量试验及测试，为航空静电喷雾技术提供理论依据和技术保障。
4 结语 在农业环境污染备受关注的当今，具有药液覆盖均匀、雾滴沉降快、飘移损失少等优势的航空静电喷雾技术成为研究热点，具有广阔的发展空间和良好的应用前景。科研工作者应结合不同农业区域的特点，研制适用性强的航空静电喷雾喷雾机械，再根据试用结果进行改进，促使农药利用率不断提高。
参考文献
[1] 廉琦.多旋翼无人机静电喷雾系統的试验研究[D].大庆：黑龙江八一农垦大学，2016.
[2] 牛萌萌.果园在线混药型静电喷雾机的设计与试验[D].广州：华南农业大学学报，2016，2015，31（增刊2）：52-59.
[3] 茹煜，金兰，贾志成，等.无人机静电喷雾系统设计及试验[J].农业工程学报，2015，31（8）：42-47.
[4] 田源，邹凡，杨金星，等.基于无人机的静电离心喷雾装置的设计[J].科研课题，2017（6）：9.
Abstract： This paper summarized in brief the working principle and advantages of electrostatic spraying technology， discussed development history and main achievements abroad of aviation electrostatic spraying technology and device. From 2 aspects of research and design of machine and factors influencing spraying effect， it introduced research status of aviation electrostatic spraying technology and device in China， in order to provide theoretical basis for the development and application of aviation electrostatic spraying technology.
Key words： electrostatic spraying； UAV； summarization； spraying device
关键词：静电喷雾；无人机；综述；喷雾装置
中图分类号：S224.3 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2017）07-0069-02
使用大容量和大雾滴的传统喷雾技术，农药大部分流淌或散落到地面上，农药有效利用率仅为20%～30%，农药不仅未发挥杀病虫作用，反而染污环境。静电喷雾技术能很好地解决上述问题，是现代植保施药机械的主攻方向之一。为达到更好的病虫害防治效果，国内外科研工作者对航空静电喷雾技术进行深入研究，研制许多航空静电喷雾系统，并将其广泛应用于大田、果园和温室作物植保作业。
1 静电喷药技术工作原理
静电喷药技术用静电发生器在喷头和大地之间形成高压静电场，使雾滴表面带有电荷，药液更易附着在植株叶片尤其是植株背面，有效增加药液沉积。静电雾化形成的雾滴细微、分布均匀。药液荷电后可提高药剂活性，提高防治效果，节省农药用量50%以上。同时，静电喷雾装备的用水量仅为传统喷雾装备的一半，不用频繁加水加药，大幅提高喷洒效率。
静电喷头的充电电极被充上正或负的高压后，药液雾滴流经电场感应区时会被充上电荷，处在电场区内的靶标作物表面感应与电极极性相反的电荷，荷电雾滴在充电电极排斥力的作用下，沿电场线向靶标作物做定向运动。因电场线分布于目标的各个部位且呈环抱式分布，因此雾滴会在各个位置沉降。这样不仅使作物叶片正面药液吸附雾滴，背面和隐蔽部位也可附着药液雾滴。静电喷雾装置的工作原理见图1。
2 航空静电喷雾技术发展历程
自20世纪40年代，法国的Hampe首次将静电技术应用于喷撒农药后，英国、加拿大、美国等相继展开相关试验。20世纪60年代，为达到更好的病虫害防治效果，各国深入研究农业航空静电喷雾技术。美国农业部（USDA-ARS）Calton 博士和Isler 博士最早研制了一种电动旋转喷嘴，利用高压充电环为喷雾雾滴充电。2003年，Kirk等采用飞机搭载航空静电喷雾系统进行喷雾作业，施药量明显减少，药液雾滴沉降速度及沉积率明显提高，但病虫害防治效果和下风处喷雾飘移没有得到明显改善。
在航天静电喷雾技术及系统方面，国内外学者做了大量试验，并提出了相应理论。目前，美国将DSDAARS 的DropKirk 模型作为航空施药作业条件选择的重要依据。该模型为航空静电喷头的研究设计提供技术基础，为解决航空静电喷头静电雾化、荷电特性和喷头结构优化等问题提供了理论依据，也为后期研究适用于植保无人机的静电喷头提供了技术基础。
3 我国航空静电喷雾系统研发现状
3.1 机具研制与设计
某些昆虫如棉铃虫易隐藏在植物的隐蔽侧，需要使用精准定位的施药手段。加之大型农场、草原、森林等大面积地块的病虫草害逐年加重，使航空噴雾技术得到空前发展。农用飞机通常用于大范围连片土地，而小范围地块采用无人机方式。与其他植保机械相比，航空无人机喷雾技术具有全地形均可使用、作业时间短、作业面积大、降低中毒风险性等优势。针对航空植保作业过程中存在的雾滴漂移量高、沉积量少等问题，国内外学者将静电喷雾技术与航空植保技术相结合，设计航空静电喷雾设备，以提高雾滴在作物表面的沉积量。
廉琦等以多旋翼无人机为载体，设计与无人机相配套的静电喷雾系统，其有效喷幅为2.5 m，雾滴在采集装置上的平均沉积密度为上部133.8个/cm2、中部113.8个/cm2；相比于非静电喷雾，雾滴在上方的平均沉积密度提高13.6%，中部提高32.6%。
针对南方丘陵地区果园种植模式，牛萌萌设计一种果园在线混药型静电喷雾机并进行喷头类型与喷雾角度试验、在线混药系统性能试验和喷雾飘移试验。研究结果表明：静电喷雾适合在无风或低风速环境下作业。施药区环境风速较大时，应采用低电压喷雾或非静电式喷雾；仿真柑橘树冠层内部叶片正面的雾滴附着率为48个/cm2左右，叶片反面为37个/cm2；风辅静电方式可显著提高喷杆式喷雾机的雾滴吸附能力和穿透能力，并抑制雾滴飘移。
茹煜等以固定翼Y5B农用飞机为基础，设计由航空喷嘴、高压直流电源、内嵌式圆柱电极感应充电装置组成的航空静电喷雾系统。有效喷幅、雾滴沉积、雾滴飘移试验结果表明：与常规喷雾相比，静电喷雾使雾滴沉积提高14个/cm2，有效喷幅42 m，雾滴飘移明显减少。
田源等基于无人机设计一种静电离心雾化装置，在静电喷雾的基础上，喷头部分采用静电雾化和离心雾化结合的方法，使得雾化后的液滴粒径更小，为植保喷雾低量化提供了思路。
3.2 参数优化研究
杨洲等在研究不同侧风和静电电压对静电喷雾雾滴飘移的影响规律时发现，随着静电电压的增大，雾滴粒径减小，雾滴荷质比增大，0～8 kV电压下电极干燥和电极打湿的雾滴荷质比没有显著影响；相同静电电压下，2 m/s恒速风和0～4 m/s模拟自然风的雾滴飘失率无显著差异。
周良富等针对农药雾滴难以穿透果树冠层、雾滴在叶背面附着率低的问题，采用4 因素3 水平的中心组合设计与响应面分析方法，研究感应电压、风机频率、喷雾距离和喷雾压力对雾滴覆盖率的影响，提出风送喷雾与静电喷雾技术相结合的方法；荷电雾滴主要受气流曳力和静电力作用，合理匹配工作参数有利于提高反面的雾滴覆盖率。
除适用性和广泛性外，我国在喷施基础理论、药液雾滴沉积特性、雾滴荷电原理、变量控制施药、精准施药等方面的试验研究进程稍显缓慢，需要进一步进行大量试验及测试，为航空静电喷雾技术提供理论依据和技术保障。
4 结语 在农业环境污染备受关注的当今，具有药液覆盖均匀、雾滴沉降快、飘移损失少等优势的航空静电喷雾技术成为研究热点，具有广阔的发展空间和良好的应用前景。科研工作者应结合不同农业区域的特点，研制适用性强的航空静电喷雾喷雾机械，再根据试用结果进行改进，促使农药利用率不断提高。
参考文献
[1] 廉琦.多旋翼无人机静电喷雾系統的试验研究[D].大庆：黑龙江八一农垦大学，2016.
[2] 牛萌萌.果园在线混药型静电喷雾机的设计与试验[D].广州：华南农业大学学报，2016，2015，31（增刊2）：52-59.
[3] 茹煜，金兰，贾志成，等.无人机静电喷雾系统设计及试验[J].农业工程学报，2015，31（8）：42-47.
[4] 田源，邹凡，杨金星，等.基于无人机的静电离心喷雾装置的设计[J].科研课题，2017（6）：9.
Abstract： This paper summarized in brief the working principle and advantages of electrostatic spraying technology， discussed development history and main achievements abroad of aviation electrostatic spraying technology and device. From 2 aspects of research and design of machine and factors influencing spraying effect， it introduced research status of aviation electrostatic spraying technology and device in China， in order to provide theoretical basis for the development and application of aviation electrostatic spraying technology.
Key words： electrostatic spraying； UAV； summarization； spraying device