喷雾宽度与雾滴粒径设置对无人机定点喷雾沉积的影响

《Weed Science》：Effects of droplet size and spray width settings on drone spot spray deposition

　　

专业术语翻译的摘要 农业中喷雾无人机的快速普及已经超出了支撑其有效和安全使用所需的科学研究速度。尽管当前关于喷雾无人机的研究考察了飞行速度、飞行高度、施药量及雾滴粒径等参数，但喷雾宽度与雾滴粒径设置的联合效应仍未得到研究，尤其是在定点喷雾应用中。本研究采用三因素三水平随机完全区组设计，利用大疆T40（DJI Agras T40）无人机评估沉积与飘移响应。研究人员以水为介质进行单次喷洒，水敏纸（water-sensitive cards）被布置于三种喷雾宽度设置（3.0 m、4.6 m和6.1 m）和三种雾滴粒径设置（220 μm、280 μm和340 μm）下。较宽的喷雾宽度（4.6 m和6.1 m）和较大的雾滴粒径设置（340 μm）显著增加了水敏纸上观测到的施药体积，反映出更高的流量以及雾滴对下洗气流（downwash effects）敏感性降低。流量的增加降低了离心喷嘴转速，导致在6.1 m设置下平均雾滴直径显著增大。有效喷幅（effective swath width, ESW）测量值因方法而异。双侧法（bilateral method）产生了最宽的有效喷幅，而50%沉积法和ESW30法产生的有效喷幅等于或低于设定的喷雾宽度。尽管雾滴分布均匀（直径变异系数<20%），但发生了显著的飘移，延伸距离高达设定喷雾宽度的八倍。总体而言，研究数据表明，将喷雾宽度设置增加到4.6 m和6.1 m并将雾滴粒径设置增加到340 μm可改善沉积并减少飘移，这是由于雾滴尺寸更大所致；然而，程序化设置并未始终反映田间实际效果。这表明需要：(1) 在处方图中考虑高飘移潜力，(2) 进行田间校准以优化有效喷幅选择和重叠，(3) 修改飞行计划和喷雾配方，以更好地使程序化喷雾性能与实际喷雾性能保持一致。

论文主体解读文章

研究背景与问题

近年来，农业喷雾无人机技术发展迅速，但其商业化推广速度远超科研数据的积累速度。当前农药标签上的航空施药说明多针对有人驾驶飞机和直升机制定，而无人机在空气动力学、旋翼下洗气流、飞行速度、载重能力和作业高度等方面与传统航空器存在根本差异，亟需针对性的平台专用指南。现有研究虽探讨了飞行速度、高度、施药量和雾滴粒径等参数，但喷雾宽度（spray width）与雾滴粒径（droplet size）设置的联合效应仍属空白，尤其是对于基于处方图的定点喷雾（spot spray）应用。此外，有效喷幅（effective swath width, ESW）作为决定喷雾覆盖效率和作业路径规划的关键参数，其与无人机程序化喷雾宽度设置之间的关系尚不明确。同时，喷雾飘移（drift）是无人机施药中最令人担忧的环境风险之一，如何通过优化作业参数来降低飘移潜力是亟待解决的问题。为此，研究人员开展了本项研究，旨在量化旋盘雾化器（rotary disk atomizer）无人机的沉积特性，确定用于杂草定点喷雾的最优参数组合。

研究方法概述

本研究在美国缅因大学Lengyel Recreation Field的活草坪上进行，以平均高度10.2 cm的草坪草作为替代杂草。实验采用三因素三水平随机完全区组设计（randomized complete block design），设置三个喷雾宽度水平（3.0 m、4.6 m和6.1 m）和三个雾滴粒径水平（220 μm、280 μm和340 μm），重复三次，以实验日期（2025年7月2日、3日和9日）作为区组。飞行高度固定为3.0 m，飞行速度为3.5 m s^-1，施药量为65.48 L ha^-1。使用水敏纸（water-sensitive cards）收集沉积样本，沿中心样线按1.83 m间距布设17张卡片，起始和结束样线各按7.32 m间距布设5张卡片。采用DropScope扫描仪测定施药体积（application volume, μL cm^-2）和平均雾滴直径（average diameter, μm）。有效喷幅分别采用双侧法（bilateral method）、50%沉积法和ESW30法（基于30%变异系数阈值）测定。飘移距离定义为总喷幅（total swath width）减去设定喷雾宽度。数据分析采用混合模型方差分析（mixed-model ANOVA）和Tukey HSD多重比较（P ≤ 0.05）。

研究结果

沉积响应的喷雾宽度与雾滴粒径效应

方差分析显示，喷雾宽度和雾滴粒径均显著影响中心样线的施药体积。4.6 m和6.1 m喷雾宽度设置下的施药体积显著高于3.0 m设置，分别高出0.025 μL cm^-2和0.063 μL cm^-2。在平均雾滴直径方面，6.1 m设置（79.23 μm）显著大于3.0 m设置（63.40 μm）。雾滴粒径设置方面，340 μm设置下的施药体积（0.084 μL cm^-2）显著高于220 μm设置（0.048 μL cm^-2）。研究人员认为，较宽喷雾宽度导致流量增加，进而降低了离心喷嘴转速，产生更大雾滴；较大雾滴受下洗气流影响较小，沉降更快，从而提高了沉积量。

有效喷幅的测定

沉积模式呈典型钟形曲线。双侧法测得的有效喷幅随喷雾宽度增加而显著增大，3.0 m、4.6 m和6.1 m设置分别为8.74 m、11.38 m和15.85 m，其中6.1 m设置超过了制造商标称的最大有效喷幅（11 m）。50%沉积法和ESW30法测得的有效喷幅无显著处理效应，范围分别在0~14.63 m和0~5.49 m之间，且多数情况下等于或低于设定喷雾宽度。值得注意的是，4.6 m设置在两种方法中均表现出最窄的有效喷幅，研究人员认为这与中等雾滴动量及旋翼下洗气流的交互作用有关。所有有效喷幅内的雾滴直径变异系数（diameter variation coefficient, DVC）均低于20%，符合行业标准（≤25%~30%），表明旋盘雾化器能产生均匀的雾滴谱。

飘移定量

尽管雾滴粒径和喷雾宽度对飘移距离无显著统计效应，但观测到飘移距离极为显著。3.0 m、4.6 m和6.1 m设置的平均飘移距离分别达到23.16 m、21.24 m和20.88 m，相当于设定喷雾宽度的近八倍、四倍和三倍以上。研究人员将此归因于3.0 m的飞行高度增加了雾滴横向移动的机会，以及旋翼引起的地面扩散气流和未添加抗飘移助剂等因素。

讨论与结论

研究表明，使用旋盘雾化器无人机以水为介质进行定点喷雾时，在65.48 L ha^-1施药量、3.0 m飞行高度和3.5 m s^-1飞行速度条件下，飘移距离远超设定喷雾宽度。这意味着在制定杂草处方图进行精准管理时，必须充分考虑无人机的高飘移潜力——喷雾可能影响到距靶区约八倍喷雾宽度距离以外的非目标区域。因此，此类系统更适合大面积聚集性杂草斑块的定点处理，而非小面积均匀分布的杂草防治。研究人员建议：(1) 在处方图设计中纳入飘移缓冲区；(2) 进行田间校准以优化有效喷幅选择和飞行路线重叠；(3) 修改飞行计划和喷雾配方以缩小程序化设置与实际喷雾性能之间的差距。为改善沉积效果，推荐将喷雾宽度设置为4.6 m或6.1 m，雾滴粒径设置为340 μm，这些设置可通过增大雾滴直径来降低其被下洗气流卷挟的风险。有效喷幅的选择取决于施药者的偏好，但研究人员倾向于推荐50%沉积法，因其产生的有效喷幅更接近设定喷雾宽度（除4.6 m设置外）。总体而言，本研究揭示了无人机程序化设置未能一致反映田间实际效果的问题，强调了针对旋盘雾化器无人机建立平台特异性操作指南的必要性，并为未来杂草定点喷雾的参数优化提供了实证依据。