为什么说油动单旋翼植保效果好、效率高、效益多

从2012年我国航空植保的起始元年开始，植保无人机经历了从玩具到工具的转变，我国进入了航空植保的第一阶段。解决了我国植保无人机有无的问题，但是没有解决效果与效率之间的矛盾。现在市场上主要有两种植保器具，油动单旋翼和电动多旋翼。那种器具*要看植保效果、效率、效益。

在用药量上，从国外的航空植保分析来看，一般飞机打药的用水量为2L，以减少药液的蒸发和保持沉降的均匀性。国内航空植保开始之时提出了低容量喷洒技术，有的企业使用500ml的亩用量来进行喷洒，但是从效果来看，小于1000ml的效果不甚理想，因此国内在实际使用时对待病虫害发生时、或者在使用除草剂、棉花落叶剂多使用1L以上的用水量，从实际效果来看1.2-1.5L有着较好的防治效果。

而在同等用药量下，来做一下植保器具的对比，为什么说油动单旋翼比电动多旋翼植保效果好、效率高、效益多。现从风场、使用寿命、作业高度和速度上分析，也就是从两种飞机设计理念上来分析。

一、油动单旋翼比电动多旋翼风场好

单旋翼无人机启动和飞行时，桨翼始终向右方向旋转，产生下行的纯净风场，如图1所示；与多旋翼不同，多旋翼是相邻的机臂上的桨翼正反旋转，产生相互抵消的扰流风场；同时，单旋翼翼展比较长，以昆豫K60机型为例，翼展长达3.1米，是普通多旋翼翼展的5～6倍，因此，同等载荷情况下，单旋翼作业效率与效果通常远高于多旋翼作业效率与效果（见图1）。

图1单旋翼植保无人机流场

图2油动单旋翼植保无人机作业效果图

多旋翼风场

旋翼在高速旋转后，旋翼下方一定范围内会形成一种有一定流速、压力和方向性的气流场，俗称风场。不同的飞行平台，风场差异很大；风场内外的空气流速、风压等差异也很大。

多旋翼的风场极为复杂，目前尚无有效的理论计算和仿真方法，实践中大都采用实际测量的方法研究雾滴分布的均匀性和穿透力。

相对单旋翼而言，多旋翼的风场更为复杂，由于多旋翼的相邻桨需要反向旋转，不同螺旋桨产生的风场相互干扰，导致多旋翼的风场相对单旋翼要紊乱。同时，随着旋翼旋翼数量的增多，风场越紊乱、风压越小，雾滴分布均匀性、雾滴穿透力、雾滴的沉降率等都会逐渐变差。四旋翼风场计算机简单仿真图如图3所示。

图3四旋翼风场计算机简单仿真图

多旋翼植保无人机按照气动布局分类，可分为X型、十型。

X型气动布局是在无人机前进方向的等分角度（左前-右前距机头方向均45°，机尾相同）放置相反方向电机以抵消电机转动时产生的反扭力（见图4）。

图4  X型旋翼气动布局与电机转向示意

图5  X型多旋翼植保无人机大疆MG-1S

X型结构是目前多旋翼植保无人机常见的布局，大疆创新的MG-1/1S系列（见图5）、极飞科技的P-20系列都属于X型结构。它是两个臂同时朝前，从外形来看恰好是一个X的形状。

十字型多旋翼气动结构是早出现的一种多旋翼无人机气动布局之一（见图6）。因其气动布局简单，只需要改变轴向上电机的转速，即可改变无人机姿态从而实现基础飞行。便于简化飞控算法的开发。但由于其构造的原因，导致无人机航拍时前行会导致正前方螺旋桨进入画面造成不便，随着飞控系统的进化，在航拍领域X型布局较为普遍，在植保领域十字、X型均有应用。

图6 十型旋翼气动布局与电机转向示意

可以看出电动多旋翼先天上风场和油动单旋翼有差别，是经过科学验证的。

设计上也有影响

现在市场上多旋翼多是喷头-旋翼臂一体化设计和一字喷洒杆式设计：

喷头-旋翼臂一体化设计是一种成熟的工业化设计思路，相应产品具有更好的结构统一性。例如，大疆将其植保无人机设计为可折叠式，这极大方便了存放和搬运，在我国中小板块农田作业的专场过程中，为工作人员提供了便利，节省了大量劳动力。但另一方面，这种设计必然造成喷头必须配合旋翼臂的设计尺寸，因此喷头间距较大且无法方便调节喷头间距，因而为了保证不重喷或漏喷，必须对喷洒参数进行精确而苛刻的设置，一旦出现一点误差，则会出现重喷或漏喷的情况。

图7 喷头-旋翼臂一体化设计

一字形喷洒杆结构是借鉴了传统自走式喷杆喷雾机的喷洒系统。这种设计一般采用分体式安装方式，一字形喷洒杆上各喷头间距较小、分布均匀、间距方便调节，适应不同情况需要，保证了喷洒均匀性，不容易出现重喷漏喷。

总体来说，一字喷洒杆式植保无人机喷洒效果优于喷头悬臂一体式，昆豫K60植保无人机喷杆可以折叠，方便运输的同时有保持了喷杆上的植保优势。

图8昆豫一字喷洒杆式设计

二、油动单旋翼和电动多旋翼使用寿命的的差别

1、按机身材质分类

主流多旋翼植保无人机大多使用碳纤维材料，使用碳纤维材质的植保无人机典型代表包括大疆MG、极飞等。优势是机身轻，便于搬运，在频繁转场的作业过程中具有优势；

油动单旋翼植保无人机主要材料是合金，机身重，强度大，通过合理设计，使植保无人机具备了“耐摔”的特质，很好地解决了在使用无人机进行大规模、高强度、连续性作业中事故频发，经济成本、时间成本过高的问题。

另外，通过多年摸索，业内逐渐认识到，植保无人机的重量和喷洒效果具有很强相关性。因为无人机空中重量和下压风场强度成正比，而下压风场的强弱对喷洒效果，尤其是雾滴的穿透性影响很大。“植保无人机不能太轻”这个理念正在被越来越多的业内人士和用户所接受。

植保无人机作为航空飞行器的一种，首先应该保障飞行器飞行的稳定性、安全性。这是对植保飞行器基本的技术要求，而农药喷洒效果则是评定农业植保设备性能优劣的重要标准。昆豫K60实现了油动单旋翼的稳定性、安全性的同时，购买综合成本低，模块化设计易维护，合金机体耐使用

2、按可靠性设计理念分类。

大量实践证明，在大规模、高强度、连续性作业过程中，无人机由于各种主观、客观的因素造成撞机或坠机事故（俗称“炸机”），是大概率事件。为了不耽误农时，同时尽量降低“炸机”后的经济损失，越来越多的业内人士和用户开始关注植保无人机的可靠性。

为了解决植保无人机“炸机”的问题，在通过合理气动设计，尽量提高飞机稳定性的前提下，业界逐渐出现了两种具有代表性的思路：

一种是增强飞机规避“炸机”因素的能力，比如：雷达定高（仿地形飞行）、自动避障等*技术在植保无人机上的应用。特别是自动避障，在一定程度上，能够有效规避障碍物，大大降低了“炸机”风险。这是通过*的航电技术，提高产品可靠性。

另一种是尽量降低事故成本，这里的成本主要是指“炸机后”因飞机损毁带来的维修和更换成本（经济成本），以及因“炸机”后失去作业工具而造成的农时的耽误（时间成本）。解决办法是通过合理的结构设计，使飞机在出现炸机事故后，能够只通过简单的易损件更换等操作，实现现场快速修复，一方面不耽误农时，另一方面不产生返厂维修动辄上千的费用。

总的来说，要真正解决植保无人机的可靠性问题，需要“双管齐下”，既要提高飞机规避事故的能力，又要降低事故带来的成本。如果只发展其中一个方面，对问题的解决帮助是有限的。

提高事故规避能力，无法达到100%规避事故，而只要出现事故，损失就是不能承受的。

降低事故成本，固然可以控制损失，维持作业能力，但如果事故频率太高，同样大大影响作业效率，甚至打击用户对无人机的信心。

昆豫K60油动单旋翼植保无人机在两者兼备的基础上研发的，具有自主飞行的功能同时，采用模块化设计，采用合金材料，耐用性强，可在田间地头快速维修，单架作业面积可达20万亩以上。降低了植保作业的时间成本、机会成本、经济成本。

图9 昆豫K60地头快速维修

三、飞行速度和高度的差别

植保无人机施药技术参数有效喷幅、作业速度、作业高度、喷施率、喷头喷量、雾滴沉积密度等。

式中，M为喷施率，单位是l/ha；q为所有喷头流量，单位为L/min；w为有效喷幅，单位为m；V为作业速度，单位为km/h。

植保无人机的喷幅能够显著影响雾滴沉积分布均匀性与药效，喷幅设定过大或者过小都会造成沉积分布均匀性下降，喷幅设定过小还易造成农药局部过大，可能形成药害，浪费农药；喷幅设定过大易造成农药喷施量过小甚至漏喷，降低防效。根据标准规定，可以采用两种方法确定有效喷幅，一种方法是沉积变异系数小值判定法，即通过计算得到小的沉积量变异系数时的喷幅即为有效喷幅，计算方法为：以不同间距叠加3个单喷幅，计算中心喷幅的沉积变异系数，系数小值所对应的间距为有效喷幅；另一种方法是50%有效沉积判定法，即单喷幅中沉积量为有效沉积量1/2的两点间距为有效喷幅。有效喷幅宽度计算如图10所示。

图10 有效喷幅宽度计算

植保无人机的作业速度能够显著影响下洗气流对于作物枝叶的扭转作用，在作业速度小时，下洗气流对作物枝叶的扭转作用大，雾滴定向沉降能力强。对于部分下洗气流强度大的植保无人机不能选用过小的作业速度，以防止过强的下洗气流破坏作物枝叶。作业速度过大时，雾滴受到下洗气流的胁迫能力弱，穿透能力差，易飘失。植保无人机在作业过程中应保持作业速度稳定，作业速度变化能够显著影响沉积分布均匀性。经过测试，植保无人机因加减速而造成作业地块两头的沉积量能够超过田块中心沉积量的4~6倍。

油动单旋翼植保无人机下洗气流大，植保速度比电动多旋翼快，昆豫K60植保速度可达6-8米/秒。而市场上有电动多旋翼为了提高作业量把速度提到6-8米/秒明显是不科学的，造成药液飘失，污染环境。

植保无人机作业高度指喷头距离作物冠层的垂直距离，作业高度能够显著影响喷幅、雾滴沉积密度、下洗气流对作物枝叶的扭转作用、雾滴飘移。增大作业高度能够增大喷幅、降低雾滴沉积密度、减少下洗气流对作物枝叶的扭转作用，易造成飘失。目前部分植保无人机为了确保稳定的作业高度，安装了高度测量传感器，以实现定高作业。

喷施率即单位面积施药液量，喷施率允许误差为实际喷施率相对于设定喷施率的大允许偏差。依据《农业航空作业质量技术指标 第1部分：喷洒作业》喷施率允许误差为±5%。

雾滴沉积密度指靶标表面单位面积上的雾滴数，《农业航空作业质量技术指标 第1部分：喷洒作业》规定了不同喷洒类型的雾滴覆盖密度指标参数，对不同喷洒对象的雾滴覆盖密度范围进行划分，如表11所示。

表11  不同喷洒对象的雾滴覆盖密度

作业高度和作业速度能够显著影响下洗气流对于雾滴的胁迫作用和雾滴的飞行时间。增加作业高度和作业速度能够增加雾滴从喷头到靶标的沉积距离，增加雾滴沉积过程中的飞行时间，减弱下洗气流对于雾滴的胁迫作用，增加雾滴飘失。

为达到对不同对象的雾滴覆盖密度达到标准，植保无人机作业高度必须保持一致，而同等作业高度下油动单旋翼的下压风场明显比电动多旋翼大，也就是说在同样植保标准的要求下，油动单旋翼植保高度要比电动多旋翼高，油动单旋翼比电动多旋翼喷幅要宽。昆豫K60油动单旋翼植保高度是2-3米，喷幅是6-8米。而国内部分电动单旋翼把喷幅设为6-8米牺牲了农户的利益，同时雾滴漂移造成环境污染，明显是对用户的知识性欺骗。