秦维彩 ，陈盼阳

（1.苏州农业职业技术学院，江苏 苏州 215008；2.南京工程学院，江苏 南京 211167）

1 喷头的分类和特点

喷嘴是农业航空施药的关键部件之一，是植保机械中最重要的雾化零件，雾滴大小直接影响农药雾滴的附着、滑落或飘移效果[1-4]。良好的喷嘴能够提升雾滴沉积的均匀性，增加药物沉积量，减少药液飘移，提高防治效果。植保无人机是农业航空中重要的喷洒机具，其喷洒系统由喷嘴和喷头主体组成，其中，喷头主体与塑料软管相连接，用于接收药液泵传输过来的药液，通过内部结构的作用，药液最终流向安装在其底部的喷嘴[5]。按雾化方式和雾流形状分，喷嘴可分为锥形液力雾化喷嘴、扇形液力雾化喷嘴和旋转离心雾化喷嘴。其中，锥形液力雾化喷嘴的喷雾雾滴粒径较小，不会发生堵塞，依据牛顿流体特性，使得药液沿切向流入喷嘴腔体内部，然后雾化出圆环状雾滴[6]。扇形喷嘴在植保无人机施药作业中的应用最为广泛，其又可分为常规扇形喷嘴、防飘移喷嘴、气吸型扇形喷嘴等。传统的扇形喷嘴喷出的雾流会与较稳定的气流产生摩擦，可以将雾流进一步粉碎为细小的雾滴，并以椭圆形的样式均匀地散布于作物表面。防飘移式喷嘴在进液口处增设了一个孔板，该孔板的进液口较窄、喷管较宽，可以使药液在喷管腔内形成漩涡，从而缩小喷雾频谱，让易漂移的雾滴比重大大降低，同时也显著增大了雾滴的直径，提高了雾滴的穿透能力和抗漂移能力。气吸型扇形喷嘴基于文丘里效应，在喷嘴的侧向有两个对称的入风口，使药液与空气充分混合，增大雾滴粒径，降低喷施过程中雾滴飘移的可能性，并且使得雾滴到达靶区后还能破裂成更小的雾滴。扇形喷嘴能够雾化出冲击力较大的扇形喷雾，雾滴横向沉积呈现出正态分布特征[7-8]。不同类型喷头及其特点如表1所示。

表1 喷头分类及特点

在外力作用下，液体的表面张力会发生变化而分散，称为“雾化”。目前，国内的农药施用技术相对落后，对喷雾雾化机理的研究也十分匮乏。反映液滴雾化特性的因素包括：液滴的速度分布和大小、液滴中的气体流入液流中心、液滴与雾化区等。液力式雾化要求有一定的压强，雾化量大，能耗低，经济性好。它的结构比较简单，但是它的雾滴颗粒很大（通常是150 μm～500 μm），而且流速也很快（1 L/min～2 L/min），很难达到低浓度的喷射。离心式雾化所得到的雾滴尺寸较均匀，易于调节，所需要的喷雾压力较低，对生物杀虫剂的活性影响较小。虽然可以得到更小的雾滴直径（40 μm～150 μm），但影响其雾化效果的因素较多，参数调整变换较困难。

目前最常见的雾化方法是液力式雾化，它可以让液体雾化的形状更加均匀；药液在经过特殊构造的喷嘴时，会产生一种雾气，它的作用是让药液表面在一定的压力下形成一层薄膜，在不稳定的液体中，液膜会与空气产生摩擦，从而产生微小的水滴。离心喷雾技术是目前国际上公认的一种能够获得均匀性更好、更狭窄的雾滴的雾滴技术。在高速工作状态下，离心力会使液体沿着喷嘴的切向方向喷射，通过与空气的碰撞，将液体粉碎为具有高度集中颗粒尺寸的雾滴。在不同的旋转速度下，离心喷雾头可以得到相应的喷雾粒径，这使它在可控喷雾技术中得到了快速发展。药液喷雾时喷洒均匀，不仅可以提高防治效果，还能节约大量的农药资源，降低农药使用量。同时，可控雾滴喷雾技术的高效性还可以减少人为喷药对农作物造成的各种危害或污染，具有良好的环境效益。综上所述，离心式喷头和液力式喷头各有优缺点，需要根据实际作业的气象条件、作物特点、防治对象、药液理论性质和无人机旋翼下洗气流场性能等因素综合考虑，选择合适的喷头进行田间施药作业。

2 喷头类型对农业航空喷施的影响

植保无人机具有操作灵活、自动控制能力强、雾滴漂动少、药水在旋转作用下能够穿过作物顶部等特点，特别适用于小面积的田间害虫控制和精确施药。对于无人机来说，由于其承载能力的限制，需要进行新型喷头的设计与优化。喷头参数优化技术是目前农业生产中普遍采用的一种实用技术。由于喷头的结构参数、喷射压力与雾化性能之间存在一定关系，可以帮助我们更好地了解影响喷头性能的各种因素。目前，基于其理论的不断改进，开发了各种类型的喷头。喷口直径越小，雾化效果越好。随着喷口直径的减小，喷头雾化后的雾滴颗粒尺寸也相应减小，液核区域变得更细，能够在喷口外1 mm处形成薄薄的雾气。而当喷口直径越大时，其液核区越粗，雾化效果越差。喷头的孔径、长径比、入口角、切向孔的总面积、切向槽的位置、倾角等结构参数都会对喷嘴的雾化性能产生影响。因此，必须结合喷头结构参数，才能合理地解释不同结构喷头的雾化现象。但是，由于喷雾机制具有复杂性，所以需要对喷头的结构参数进行深入的研究，才能了解总体的情况。在不同的工作压力条件下，喷头所形成的雾滴大小存在一定的差异。喷头的流量和液体进口压力的变化规律被称作喷头的流量特征，它是喷头雾化的一个重要参数，其流量和压力之间有一一对应的关系。

喷头类型的不同直接影响了雾滴的大小、运动轨迹和雾化效果[9-10]。雾滴的大小和运动轨迹直接影响到决定喷雾质量的3个主要指标——覆盖率、飘移率、均匀性，进而影响到作物的病虫害防治效果。一般来说，小雾滴的覆盖率要高于大雾滴（相同喷雾量），穿透力强于大雾滴，但抗飘移性能不如大雾滴。在给定压力下，所有的喷嘴都会产生一系列尺寸的雾滴，只有了解了雾滴从喷嘴到目标作物的运动轨迹受哪些因素影响，才能科学合理地选择施药设备和施药方法。雾滴一般是按直径大小分类的，分类方法也多种多样。根据美国农业生物工程总会（ASABE）的标准ANSI/ASAE S572.1，依据喷头雾化的雾滴体积中径，将喷头喷雾分为若干组别[11]，并且用不同的颜色标识，如表2所示。这些尺寸通常被称为喷雾质量，是在使用国际认可的特殊喷头进行比较的基础上得出的[12]。

表2 喷雾质量分级表

对于喷雾施药应用，雾滴尺寸谱起着关键作用，因为它会影响植物检疫处理的生物学功效、环境污染和操作员安全。喷雾作业目标种类和农药种类繁多，对喷雾作业的要求也不一样。使用某一种农药对某种作物进行喷雾作业时，选择大小合适的雾滴是极为重要的，需要综合考虑雾滴从喷嘴到靶标的运动状态，并同时注意各种外部因素的影响[13]，从而选择最合适的喷雾作业参数。选择合适的药剂，对防治农作物病虫害、提高农作物产量有着非常重要的作用。随着科技的不断进步，农药种类也越来越多。因此，要充分考虑到农药对环境和农作物的影响，选择高效、低毒、低残留的农药。使用喷雾技术来控制雾滴的大小是一项非常重要且实用的技术，并且可以在一定程度上提高农药的利用率和防治效果。现在的植保施药作业提倡减少农药用量，这就更要求喷雾时尽量使用小雾滴喷雾，在节省农药的同时还可以提高喷雾作业的覆盖率。但是，目前农药雾滴的粒径都比较大，雾滴分布范围也不是很广，在施药过程中如果使用大雾滴喷雾，由于雾滴粒径较大容易导致农药喷施不到位或漏喷。所以在进行植保作业时应尽量使用小雾滴喷雾，可以使药液更均匀地分布于作物表面，有利于提高防治效果。小雾滴粒径较小且呈线状均匀地分布于叶片表面上，有利于药液均匀分布在植物各组织上，从而达到防病、治病的目的。经试验，当1 L药液平均喷洒在1 hm2面积上时，雾滴的理论密度如表3所示。

由表3可知，在不考虑雾滴因外界环境条件影响而产生飘移的情况下，雾滴的大小很大程度上决定了雾滴对喷雾目标的覆盖率。雾滴大小是农药施用程序中最重要的参数之一，可能会影响靶标上的沉积物和喷雾覆盖率。Derksen等用不同的喷雾技术评估了密集的大豆冠层中的喷雾渗透性，验证了在相同的施用率下，使用扁平扇形喷嘴的中等雾滴比精细和粗大的雾滴性能更好[14]。Costa等的研究显示，用双平扇喷嘴（细雾滴）、双平扇砧形喷嘴（中雾滴）和空气感应平扇喷嘴（中雾滴）在相同的喷洒量下喷洒杀虫剂时，在大豆植株底部的叶片上有类似的喷雾沉积结果[15]。

表3 1 L药液平均喷洒在1 hm2面积上时雾滴的理论密度

最好的施药技术必须提供足够数量且能够覆盖目标的药液，以达到令人满意的生物功效。提高喷雾的覆盖率不仅有助于控制作物的病虫害情况，还可以减少整体的农药使用量，同时减少环境污染和农药与旁观者的接触。许多农户对使用新的喷头类型，特别是产生粗大雾滴的喷头类型来施用杀虫剂和杀菌剂持怀疑态度。因为产生粗大或非常粗大尺寸雾滴的喷嘴一般用于系统性除草剂和环绕操作中。此外，由于不同类型的害虫对不同大小雾滴的吸收能力不同，通常体积中值粒径在100 μm以下的雾滴能够很好地被昆虫吸收；不同种类、同一种类不同生长时期的作物对雾滴保持在其叶面上的要求不同。因叶面绒毛的作用，雾滴在叶面上的附着性降低，雾滴粒径300 μm以上的大雾滴会从叶面上向下滚落，药液不仅没有起到作用，还会造成浪费。航空低量喷洒施药量少且飞行高度高，容易产生飘移。粒径在100 μm以下的雾滴在高温、高湿环境的空气流扰动下，容易蒸发和飘移。因此，植保无人机航空施药要求雾滴粒径在100 μm～300 μm之间，可以配合旋翼下旋气流将雾滴尽快地沉积到靶标上，减少飘移[16-17]。

3 农业航空喷头发展趋势

目前，发达国家发展较快的低污染、低容量、低飘移的喷雾技术是可控雾滴施药技术[18]。可控雾滴施药技术以离心雾化为核心技术，主要通过调节离心雾化器的转速来控制雾滴直径，可以满足不同作业目标和气象条件对雾滴的要求，同时提高雾滴在靶标作物上的附着率、分布均匀性并减少无效雾滴数量，最终实现提高农药有效利用率、病虫害防治效果以及减少环境污染的目的。国内有关可控雾滴漂移和沉积的部件、农药漂移与生物靶标的关系等方面的研究还很少。针对目前中国可控喷雾技术及机械装备的问题和特点，借鉴国外先进技术，加大研发力度，努力设计并开发适合中国植保施药的技术和关键施药组件[19]。

国内对可控雾滴喷头的制造工艺落后且精度较低，导致实际喷雾质量达不到农药喷施要求。目前我国还没有制定专门的标准用于植保专用喷头，因此各个喷头生产厂家都采用自己企业内部的标准，未形成标准化的格局。在喷雾压力、喷嘴类型、施药高度等方面对可控雾滴施药技术的研究较多，但在试验分析单因素对可控雾滴的影响时，很少从喷头终端特点的角度来分析。可将新材料、新工艺以及新技术应用在可控雾滴喷头的研发上，以达到延长喷头使用寿命、提升喷头可靠性、优化喷头雾化特性的目的。研究并开发植保施药专用喷头，设计研制出与具体喷雾技术相配套的喷头，使喷头实现专用化、标准化以及配套化[20]。

此外，由于计算机技术的飞速发展，用数值模拟技术来研究可控雾滴喷头的雾化性能是一种行之有效的方法。通过数值仿真，可以有效地减少试验时间，快速地对喷头的雾化性能进行分析，以便更好地了解喷头的雾化性能和雾化机制，对喷头的工作性能和几何参数进行优化。可控雾滴施药技术可以在未来农业生产的多个环节中发挥作用，将对中国乃至世界智慧农业的发展产生促进作用。目前，在农药喷洒技术中，雾滴直径是最容易控制的因素，它的大小对喷洒的品质和病虫害的防治效果有很大的影响。另外，为了减少环境污染，达到最好的病虫害防治效果，还应对喷雾颗粒尺寸进行适当的控制。