近10多年來，植保無人機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)水省藥等自身獨特優(yōu)勢，同時由于我國經(jīng)濟的高速發(fā)展導(dǎo)致農(nóng)村勞動力的大量轉(zhuǎn)移而造成的農(nóng)村勞動力不足等原因，植保無人機在我國迅猛發(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)藥進入有機合成高速發(fā)展的時代。大量有機合成品種，如雨后春筍般紛紛涌現(xiàn)，它們具有類型多、藥效高、對作物安全、應(yīng)用范圍寬等特點。這個時期可以分為前期(40年代中期至60年代末期)和當(dāng)代(60年代末期至今)兩個發(fā)展階段。有機合成農(nóng)藥前期，有機氯、有機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。這個階段，殺蟲劑和殺菌劑占世界農(nóng)藥市場份額的近70%。

20世紀(jì)60年代末期以后，有機農(nóng)藥向高效化方向發(fā)展，人們越來越重視農(nóng)藥對生態(tài)環(huán)境的影響與農(nóng)藥殘留導(dǎo)致的農(nóng)產(chǎn)品的安全問題并強化對農(nóng)藥的全程管理。這一時期，除草劑出現(xiàn)了多種活性高、對作物有選擇性但高毒、高殘留的品種，采用航空施藥會因細小的農(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)達歐洲國家逐步形成大型農(nóng)場專業(yè)化生產(chǎn)方式，建立了以大型地面植保機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，至今只允許地面機械按非常嚴(yán)厲的歐盟標(biāo)準(zhǔn)進行農(nóng)藥噴灑作業(yè)。

而在美國超大規(guī)模經(jīng)營農(nóng)場的規(guī)模化種植和同種作物大區(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和載人直升機。另外，美國政府也一直擔(dān)憂植保無人機施藥產(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)模的運行模式。據(jù)統(tǒng)計，美國農(nóng)業(yè)航空對農(nóng)業(yè)的直接貢獻率為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/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作業(yè)，因此日本農(nóng)業(yè)航空以直升機為主。日本是最早將小型單旋翼直升無人機用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的國家之一，日本20世紀(jì)70年代開始經(jīng)濟騰飛，適齡勞動力大多進城尋找工作，農(nóng)村勞動力極度匱乏，因此在引進的美國軍方無人靶機技術(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“R50”，如圖1所示，掛載5kg藥箱。此后，單旋翼植保無人機在日本農(nóng)林業(yè)方面的應(yīng)用發(fā)展迅速，在日本無人機旋翼和發(fā)動機轉(zhuǎn)速被大大降低以適應(yīng)農(nóng)業(yè)植保作業(yè)的要求，植保無人機施藥技術(shù)參數(shù)不斷改進，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使用量已超過載人直升機。目前，采用小型單旋翼植保無人機進行農(nóng)業(yè)噴霧已成為日本農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要趨勢之一;發(fā)展至今，小型植保無人機在日本經(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，運用的機型主要有“Y-5B(D)”、“Y-ll”、“藍鷹AD200N”、“蜜蜂3型”、“海燕650B”等固定翼有人駕駛機型。20世紀(jì)90年代專為超輕型飛機配套設(shè)計的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實業(yè)有限公司生產(chǎn)的藍鷹AD200N型飛機主要用于農(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22～30m，作業(yè)速度110km/h，單日每架次作業(yè)量可達萬畝，而施藥量僅0.10～0.25kg/畝，防效達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”飛機配套技術(shù)，應(yīng)用在廣西武鳴林區(qū)防治病蟲害，并進行了相關(guān)試驗研究。

目前，中國有農(nóng)林用固定翼飛機1400架，直升機60余架，植保無人機10000余架，使用固定翼飛機和直升機防治農(nóng)林業(yè)病蟲草害和施肥的面積達到200多萬公頃。但和農(nóng)用航空發(fā)達國家相比差距仍十分巨大：我國農(nóng)用飛機擁有量僅占世界農(nóng)用飛機總數(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”計劃“新型施藥技術(shù)與農(nóng)用藥械”立項研發(fā)植保無人機至今已發(fā)展近10多年，植保無人機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)進口了6架日本雅馬哈YAMAHA-R50型植保無人機用于農(nóng)藥噴灑，必威易創(chuàng)基科技有限公司是我國首個應(yīng)用植保無人機的農(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架同類型飛機出口給北京必威易公司時，被名古屋海關(guān)扣押，日本政府以植保無人機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)機械化研究院、農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所等科研機構(gòu)開始向科技部、農(nóng)業(yè)部、教育部等相關(guān)部門提議立項進行植保無人機的研制工作。經(jīng)過前期準(zhǔn)備和申報工作，2008年由農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)機械化研究院、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”計劃項目“水田超低空低量施藥技術(shù)研究與裝備創(chuàng)制”正式啟動實施，這一項目的實施，標(biāo)志著國內(nèi)科研機構(gòu)正式開始探索植保無人機航空施藥技術(shù)與裝備研發(fā)。該項目研制出基于總參謀部第六十研究所已研發(fā)出的“Z-3”飛行平臺的油動單旋翼植保無人機，裝配10kg藥箱，搭載2個超低量離心霧化噴頭，如圖(2)所示。

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

2008年，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)植保機械與施藥技術(shù)研究中心與山東衛(wèi)士植保機械有限公司、臨沂風(fēng)云航空科技有限公司開始合作進行低空低量遙控多旋翼無人施藥機的研發(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植保無人機，包括搭載10L藥箱的8旋翼機和搭載15L藥箱的18旋翼機2種機型(圖3)，裝配專為多旋翼植保無人機研發(fā)的專用變量離心噴頭，此后幾年里這種機型在全國10多個省市進行了示范和推廣。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對該成果的鑒定結(jié)論為：“項目取得了多項創(chuàng)新，在低空低量遙控多旋翼無人施藥技術(shù)方面，該項目綜合性能達到國際先進水平。”同年，該“低空低量遙控多旋翼無人施藥機”獲得山東省科學(xué)技術(shù)進步獎二等獎。

獲獎的中國農(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/圖 來源網(wǎng)絡(luò)

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