近10多年來，植保無人機(jī)低空低量航空施藥由于其作業(yè)效率高、具有全地形作業(yè)能力和節(jié)水省藥等自身獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，同時(shí)由于我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展導(dǎo)致農(nóng)村勞動(dòng)力的大量轉(zhuǎn)移而造成的農(nóng)村勞動(dòng)力不足等原因，植保無人機(jī)在我國迅猛發(fā)展。

01

1911年，德國林務(wù)官阿爾福萊德•齊梅爾曼在世界上首次利用有人駕駛的飛機(jī)噴灑液體和粉末農(nóng)藥，以防治森林病蟲害。1918年，美國第一次使用有人駕駛飛機(jī)噴施農(nóng)藥滅殺棉花蟲害。自此，有人駕駛的航空施藥拉開了歷史序幕。

從全球來看，航空施藥裝備與技術(shù)的發(fā)展得益于高效農(nóng)藥的創(chuàng)制生產(chǎn)及應(yīng)用與發(fā)展，20世紀(jì)40年代中期至今，農(nóng)藥進(jìn)入有機(jī)合成高速發(fā)展的時(shí)代。大量有機(jī)合成品種，如雨后春筍般紛紛涌現(xiàn)，它們具有類型多、藥效高、對(duì)作物安全、應(yīng)用范圍寬等特點(diǎn)。這個(gè)時(shí)期可以分為前期(40年代中期至60年代末期)和當(dāng)代(60年代末期至今)兩個(gè)發(fā)展階段。有機(jī)合成農(nóng)藥前期，有機(jī)氯、有機(jī)磷和氨基甲酸酯三類神經(jīng)毒劑先后被開發(fā)出來并形成系列產(chǎn)品;保護(hù)性殺菌劑的應(yīng)用，使玉米、大豆、水稻、小麥等大田作物的部分病害有藥可治。這個(gè)階段，殺蟲劑和殺菌劑占世界農(nóng)藥市場(chǎng)份額的近70%。

20世紀(jì)60年代末期以后，有機(jī)農(nóng)藥向高效化方向發(fā)展，人們?cè)絹碓街匾曓r(nóng)藥對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響與農(nóng)藥殘留導(dǎo)致的農(nóng)產(chǎn)品的安全問題并強(qiáng)化對(duì)農(nóng)藥的全程管理。這一時(shí)期，除草劑出現(xiàn)了多種活性高、對(duì)作物有選擇性但高毒、高殘留的品種，采用航空施藥會(huì)因細(xì)小的農(nóng)藥霧滴極易造成飄移，從而污染非靶標(biāo)作物及水源、土壤。20世紀(jì)60-70年代，農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)歐洲國家逐步形成大型農(nóng)場(chǎng)專業(yè)化生產(chǎn)方式，建立了以大型地面植保機(jī)械和有人駕駛的航空植保為主體的防治體系。發(fā)展至20世紀(jì)80年代中后期，由于大型有人駕駛的航空施藥導(dǎo)致的因農(nóng)藥霧滴飄失引起的環(huán)境污染和農(nóng)藥藥害問題，歐洲共同體決定在歐盟國家內(nèi)部禁止使用航空施藥，至今只允許地面機(jī)械按非常嚴(yán)厲的歐盟標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行農(nóng)藥噴灑作業(yè)。

而在美國超大規(guī)模經(jīng)營農(nóng)場(chǎng)的規(guī)?；N植和同種作物大區(qū)連片種植的種植方式?jīng)Q定了美國有人駕駛的農(nóng)業(yè)航空主要使用作業(yè)效率較高的大型固定翼飛機(jī)和載人直升機(jī)。另外，美國政府也一直擔(dān)憂植保無人機(jī)施藥產(chǎn)生的農(nóng)藥飄失污染，尚未立法規(guī)定允許無人機(jī)從事農(nóng)藥噴灑作業(yè)。美國是農(nóng)業(yè)航空應(yīng)用技術(shù)最成熟的國家之一，已形成較完善的農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)業(yè)體系、政策法規(guī)以及大規(guī)模的運(yùn)行模式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國農(nóng)業(yè)航空對(duì)農(nóng)業(yè)的直接貢獻(xiàn)率為15%以上，年處理40%以上的耕地面積，全美65%的化學(xué)農(nóng)藥采用飛機(jī)作業(yè)完成噴灑，其中水稻施藥作業(yè)100%采用航空作業(yè)方式。

日本雅馬哈公司1985年生產(chǎn)的第一代R50型農(nóng)用植保無人機(jī)/圖 來源網(wǎng)絡(luò)

在亞洲，日本農(nóng)民戶均耕地面積較小，地形多山，不適合有人駕駛固定翼大飛機(jī)作業(yè)，因此日本農(nóng)業(yè)航空以直升機(jī)為主。日本是最早將小型單旋翼直升無人機(jī)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的國家之一，日本20世紀(jì)70年代開始經(jīng)濟(jì)騰飛，適齡勞動(dòng)力大多進(jìn)城尋找工作，農(nóng)村勞動(dòng)力極度匱乏，因此在引進(jìn)的美國軍方無人靶機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，日本山葉公司(YAMAHA)于1985年推出世界第一架用于噴灑農(nóng)藥的植保無人機(jī)“R50”，如圖1所示，掛載5kg藥箱。此后，單旋翼植保無人機(jī)在日本農(nóng)林業(yè)方面的應(yīng)用發(fā)展迅速，在日本無人機(jī)旋翼和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速被大大降低以適應(yīng)農(nóng)業(yè)植保作業(yè)的要求，植保無人機(jī)施藥技術(shù)參數(shù)不斷改進(jìn)，施藥霧滴分布均勻性降低到30%以下。從2005年開始，日本水稻生產(chǎn)中單旋翼植保無人機(jī)使用量已超過載人直升機(jī)。目前，采用小型單旋翼植保無人機(jī)進(jìn)行農(nóng)業(yè)噴霧已成為日本農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)之一;發(fā)展至今，小型植保無人機(jī)在日本經(jīng)歷了40余年的發(fā)展歷史。

02

中國的農(nóng)用航空始于20世紀(jì)50年代初，運(yùn)用的機(jī)型主要有“Y-5B(D)”、“Y-ll”、“藍(lán)鷹AD200N”、“蜜蜂3型”、“海燕650B”等固定翼有人駕駛機(jī)型。20世紀(jì)90年代專為超輕型飛機(jī)配套設(shè)計(jì)的3WQF型農(nóng)藥噴灑設(shè)備，可廣泛用于水稻、小麥、棉花等大田農(nóng)作物的病蟲害防治、化學(xué)除草、草原滅蝗、森林害蟲防治等。

1995年由北京科源輕型飛機(jī)實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的藍(lán)鷹AD200N型飛機(jī)主要用于農(nóng)田、林帶病蟲害防治、衛(wèi)生防疫及靜化水源等，有效噴幅達(dá)22～30m，作業(yè)速度110km/h，單日每架次作業(yè)量可達(dá)萬畝，而施藥量?jī)H0.10～0.25kg/畝，防效達(dá)90%以上。1999年由中國林業(yè)科學(xué)研究院研制的HU2-HWl型超低容量噴灑設(shè)備及NT100GPS導(dǎo)航系統(tǒng)與“海燕650B”飛機(jī)配套技術(shù)，應(yīng)用在廣西武鳴林區(qū)防治病蟲害，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究。

目前，中國有農(nóng)林用固定翼飛機(jī)1400架，直升機(jī)60余架，植保無人機(jī)10000余架，使用固定翼飛機(jī)和直升機(jī)防治農(nóng)林業(yè)病蟲草害和施肥的面積達(dá)到200多萬公頃。但和農(nóng)用航空發(fā)達(dá)國家相比差距仍十分巨大：我國農(nóng)用飛機(jī)擁有量?jī)H占世界農(nóng)用飛機(jī)總數(shù)的0.13%左右;農(nóng)業(yè)航空作業(yè)面積占耕地面積的1.70%;噴灑設(shè)備性能差。

在我國自“十一五”期間國家“863”計(jì)劃“新型施藥技術(shù)與農(nóng)用藥械”立項(xiàng)研發(fā)植保無人機(jī)至今已發(fā)展近10多年，植保無人機(jī)與低空低量航空施藥技術(shù)發(fā)展迅速。早在2000年，北京必威易創(chuàng)基科技有限公司從日本陸續(xù)進(jìn)口了6架日本雅馬哈YAMAHA-R50型植保無人機(jī)用于農(nóng)藥噴灑，必威易創(chuàng)基科技有限公司是我國首個(gè)應(yīng)用植保無人機(jī)的農(nóng)業(yè)服務(wù)公司。2005年12月，當(dāng)雅馬哈公司準(zhǔn)備將第10架同類型飛機(jī)出口給北京必威易公司時(shí)，被名古屋海關(guān)扣押，日本政府以植保無人機(jī)可能被用于軍事用途為由禁止雅馬哈公司繼續(xù)將植保無人機(jī)銷售到中國。

2005年至2006年，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究院、農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所等科研機(jī)構(gòu)開始向科技部、農(nóng)業(yè)部、教育部等相關(guān)部門提議立項(xiàng)進(jìn)行植保無人機(jī)的研制工作。經(jīng)過前期準(zhǔn)備和申報(bào)工作，2008年由農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究院、南京林業(yè)大學(xué)、總參謀部第六十研究所等單位共同承擔(dān)的科技部國家“863”計(jì)劃項(xiàng)目“水田超低空低量施藥技術(shù)研究與裝備創(chuàng)制”正式啟動(dòng)實(shí)施，這一項(xiàng)目的實(shí)施，標(biāo)志著國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)正式開始探索植保無人機(jī)航空施藥技術(shù)與裝備研發(fā)。該項(xiàng)目研制出基于總參謀部第六十研究所已研發(fā)出的“Z-3”飛行平臺(tái)的油動(dòng)單旋翼植保無人機(jī)，裝配10kg藥箱，搭載2個(gè)超低量離心霧化噴頭，如圖(2)所示。

 國家“863”項(xiàng)目研發(fā)的基于“Z-3”型油動(dòng)單旋翼植保無人機(jī)/圖 來源網(wǎng)絡(luò)

2008年，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)植保機(jī)械與施藥技術(shù)研究中心與山東衛(wèi)士植保機(jī)械有限公司、臨沂風(fēng)云航空科技有限公司開始合作進(jìn)行低空低量遙控多旋翼無人施藥機(jī)的研發(fā)工作，于2010年研制出國內(nèi)也是世界上第一款多旋翼電動(dòng)植保無人機(jī)，包括搭載10L藥箱的8旋翼機(jī)和搭載15L藥箱的18旋翼機(jī)2種機(jī)型(圖3)，裝配專為多旋翼植保無人機(jī)研發(fā)的專用變量離心噴頭，此后幾年里這種機(jī)型在全國10多個(gè)省市進(jìn)行了示范和推廣。2013年山東省科技廳組織的由羅錫文院士作為主任的鑒定委員會(huì)對(duì)該成果的鑒定結(jié)論為：“項(xiàng)目取得了多項(xiàng)創(chuàng)新，在低空低量遙控多旋翼無人施藥技術(shù)方面，該項(xiàng)目綜合性能達(dá)到國際先進(jìn)水平。”同年，該“低空低量遙控多旋翼無人施藥機(jī)”獲得山東省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

獲獎(jiǎng)的中國農(nóng)業(yè)大學(xué)與山東衛(wèi)士公司聯(lián)合研發(fā)的“3WSZ-15”型18旋翼植保無人機(jī)/圖 來源網(wǎng)絡(luò)

2010年，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)植保機(jī)械與施藥技術(shù)研究中心與珠海銀通公司開始合作進(jìn)行低空低量遙控電動(dòng)單旋翼植保無人機(jī)的研發(fā)合作，于2012年研制出國內(nèi)第一款電動(dòng)單旋翼植保無人機(jī)，可搭載10L藥箱的藥箱，裝備4個(gè)扇形噴頭的國內(nèi)首款電動(dòng)單旋翼無人機(jī)機(jī)型如圖4所示。