飛機施藥是效率最高的施藥方法，可以快速進行病蟲害的防控，適于大面積成片種植的作物，如森林、草原、果園等。但由于飛行安全，與作物有一定高度要求，容易造成農藥飄移，對環境污染風險較高。因此，研究和提升航空噴霧技術及裝備，提高霧滴的靶標性、降低霧滴飄移損失、提高有效用藥量，成為近二十年來航空施藥技術研究和發展的目標。“航空靜電噴霧系統的關鍵技術創新及推廣應用”項目經過對國外技術的消化吸收和再創新，研制成功并批量生產具有自主知識產權的適于大、中、小型固定翼和旋翼飛機掛載的航空靜電噴霧系統成套設備，解決了常規航空噴霧所存在的霧滴沉積效果差、飄移損失大、環境污染大等問題，與常規噴霧相比,有效用藥量提高45%，防治成本降低40%以上，大幅提高了飛機噴灑作業效率，降低了防治成本，保護了環境。隨著成果的進一步推廣應用必將推動我國農林有害生物防治技術上一個新的臺階，對我國農、林有害生物防治事業的發展將產生深遠影響。

該項目系國家林業局948項目、國家林業局林業科技成果推廣項目，由國家林業局森林病蟲害防治總站、南京林業大學、河北省廊坊市林業局森林病蟲害防治檢疫站、海南環球飛行俱樂部有限公司、通遼市神鷹通用航空有限公司、江蘇省徐州農用航空站承擔完成，主要完成人有舒朝然、周宏平、茹煜、潘宏陽、李永成等。項目獲國家實用新型專利3項，發表論文9篇。

一、技術方案

1．國產航空靜電噴霧系統設備的總體結構設計方案

航空靜電噴霧設備主要由直流高壓電源系統和超低量靜電噴霧系統組成。該系統包括同時輸出正、負高壓的直流高壓開關電源和兩組靜電噴頭。直流高壓電源安裝在機艙里，通過低壓輸入分流控制器與飛機電源（12-28V）連接，輸出高壓范圍為0.5～20kV，直流高壓電源與飛機共地。從飛機的藥箱向左右兩側伸出兩根橫噴管，兩組靜電噴頭（20～50個）分別安裝在左、右橫噴管上，噴頭的前端安裝有管狀或喇叭管形金屬電極，兩組電極通過高壓絕緣密封電纜與高壓電源的正或負高壓輸出端并聯連接。這樣，兩組靜電噴頭所附加的靜電高壓極性相反，大小平衡，總的靜電場近似于零，實現了飛機的靜電安全防護。

工作時，電極附加正或負的直流高壓，噴嘴外周空間范圍產生正或負的高壓感應電場，使噴嘴噴出的空心錐型霧體被動帶上正電或負電，也即霧滴帶上正電荷或負電荷。攜帶電荷的霧滴在靜電場的作用下作定向運動飛向靶標植物，受植物表面異性電荷的吸引，很易被植物表面所俘獲。這樣，霧滴在植物表面各個部位的沉積率就會顯著提高，尤其是植物葉片背面和冠體內葉片；而且由于霧滴所帶電荷相同，在到達植物表面后不會產生聚集效應，使其分布的均勻性大為改善。同時霧滴飄移損失顯著減少，從而達到提高有效用藥量，降低成本，減少環境污染的目的。

2．霧滴荷電機理研究

通過對霧滴荷電方式、輸運過程、沉降規律的理論和試驗研究，表明飛機以70～150km/h航速和5～8m航高進行靜電噴灑（靜電高壓為7～15kV）時，霧滴譜為70～150μm，霧滴荷–質比大于0.8mC/kg，霧滴沉積密度成倍提高，霧滴的隨風飄移減少34%。

通過分析霧滴的感應充電機理，建立霧滴感應充電等效電學模型，探討了航空靜電噴霧霧滴的充電過程，測得了霧體或霧滴瞬間攜帶的電荷量q。通過分析荷電霧滴在運動過程中的受力情況，用單霧滴的運動方程來代替霧滴群的運動狀態，建立了荷電霧滴的運動方程，獲得了噴霧粒子的飛行距離和垂直降落高度隨時間變化的顯式表達式。針對霧滴空間電場和誘導電場對霧滴沉降的影響進行了理論研究。建立了噴霧液滴沉積分布的對數正態概率分布模型，獲得了航空靜電噴嘴在試驗噴灑條件時的最大、最小、平均沉積距離和任一沉積距離處的霧滴沉積質量的累計沉積概率。

3．研制了航空靜電噴霧專用高壓電源

首次將高頻開關電源技術和LED數顯技術應用于航空靜電噴霧專用直流高壓電源設備的設計制造。采用了新一代功率場效應晶體管MOSFET、絕緣柵雙極晶體管IGBT、準諧振變頻技術和多級硅整流倍壓技術，設計制造的直流高壓開關電源效率高、體積小、重量輕、反應快、儲能少、堅固耐用、安裝方便、使用安全（輸入電壓12～28V，輸入電源3～5A，輸出電壓±5～20kV，輸出電流±4～10mA）。

4．研制了適應不同機型的單噴嘴和雙噴嘴的航空靜電噴頭

研制了由噴嘴、噴嘴體、噴頭體和止回閥組成的單噴嘴和雙噴嘴航空靜電噴頭（見圖2-5）。噴嘴前端設計有70°～80°的空心錐內角，電極嵌裝在管形支撐架內，與安裝在支撐架軸心管內的噴嘴形成一個“輪狀”整體，確保噴出液體被充分剪切霧化并均勻荷電。航空噴灑時，高速氣流可順暢穿過管狀電極內壁與噴嘴前體之間的徑向間隙，風吹干燥避免電極潮濕和放電；高壓導線與電極之間采用插式絕緣端子組合連接，安裝方便。靜電噴嘴由耐高電壓、耐腐蝕且硬度和韌度符合要求的特殊工程塑料注塑而成，保證電極附加高壓靜電后不會因噴頭被擊穿而造成整個靜電噴霧系統短路，也減輕了噴頭重量和飛機負載。靜電噴頭95%的零部件已實現模具化批量生產，年批量生產能力可達5千～1萬套靜電噴頭。

5．航空靜電噴頭霧化性能試驗研究，優化了噴頭結構參數

搭建了航空靜電霧化裝置試驗系統，包括試驗臺架、霧化裝置、測試儀器和操縱控制等五大部分。通過PIV測量系統、激光粒度儀測試系統、荷–質比測試系統等先進手段進行試驗研究，主要測量不同型式的霧化裝置的性能參數如噴霧角、霧流場、霧滴粒徑、霧滴荷–質比等。試驗結果證實該航空靜電噴頭可以滿足航空靜電噴灑作業的要求。

6．研制開發了可適用多機型的國產航空靜電噴霧系統成套設備

首次成功研發了基于飛機直流發電系統的、適用于固定翼飛機和旋轉翼飛機掛載的國產航空靜電噴霧系統，填補了國內空白。應用蜜蜂飛機、直升機、Y5B進行了航空靜電噴霧試驗和靜電噴霧施藥防治楊小舟蛾、春尺蠖、草地蝗蟲、美國白蛾、油松毛蟲、粘蟲等作業。試驗結果表明，農藥有效利用率平均提高51.6%，防治成本平均降低44.8%，平均防治效果達95%。

二、技術關鍵

1．電極內嵌式航空靜電噴頭為本項目獨創，解決了管形電極與噴嘴難以同一軸線安裝的問題，可簡便地將噴嘴與管形電極固定在同一軸心上，不會因環境極端溫度變化發生形變。電極工作時，噴嘴外周產生均勻的靜電場，使噴嘴噴出的空心錐霧體均勻荷電，達到良好的靜電霧化效果。

2．靜電噴嘴由耐高電壓和耐腐蝕的特殊工程塑料注塑而成，其耐腐蝕、耐磨、耐沖擊及耐高電壓性能與陶瓷噴嘴相當，保證電極附加高壓靜電后不會因噴頭被擊穿而造成整個靜電噴霧系統短路，同時質量很輕，大大減輕了噴頭重量和飛機負荷。

3．將高頻開關電源技術和LED數顯控制技術應用于直流高壓電源設備的設計制造，使高壓電源設備體積小，自重輕，自動化程度高；采用雙極性高壓同步輸出并自動平衡調節，供給機身下左、右兩組電極負載的靜電高壓保持正、負平衡，使整個機身的總靜電場始終保持為零狀態，從而保證機身的靜電安全防護，性能穩定，安全可靠。

4．主要關鍵部件實現模具化批量生產，整個系統設備的批量生產成本僅為國外同類產品的1/3。

三、推廣應用情況：

截至2012年8月底，先后在湖北省嘉魚縣、江蘇省徐州市沛縣、內蒙古四子王旗、河北省廊坊、秦皇島、遼寧省北票、喀左縣、連云港市東海縣和通遼市科左中旗進行了航空靜電噴霧施藥防治楊小舟蛾、春尺蠖、草地蝗蟲、美國白蛾、油松毛蟲和粘蟲等作業，共計作業2,068架次，防治面積累計達209萬畝（林業害蟲42.25萬畝，玉米粘蟲150萬畝，草原蝗蟲16.8萬畝）。與常規航空噴霧比較，噴灑作業效率提高一倍，平均節省用藥達45.0%，防治效果在95%以上。僅作業費用和節省用藥兩項就為基層防治部門節省防治經費1123.6816萬元，綜合挽回經濟損失121,232.6816萬元。

未來農用飛機的擁有量將快速增長，特別是我國將逐步放開600米以下空域的管制，將大大促進民企通用航空事業特別是農林航空事業的飛速發展，中小型農用飛機數量將會急劇增長。因此，國產航空靜電噴霧系統設備擁有巨大的市場需求前景。保守估計，在3～5年內，全國將有近兩千臺套航空靜電噴霧系統設備的市場需求和近2～3億元的市場前景。隨著我國農林飛防飛播事業的快速發展，這個市場規模還將進一步發展和擴大。