疾風上的耕耘

2024-10-03 00:00:00張瑞瑞唐青

知識就是力量 2024年9期

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，固定翼飛機、直升機和無人機等航空器，正在扮演著越來越重要的角色。它們像空中農(nóng)夫一樣，在廣袤的田野上空播種、噴灑農(nóng)藥、監(jiān)測作物長勢。這些“空中農(nóng)夫”之所以能高效地工作，離不開農(nóng)業(yè)風洞這個“訓練場”。農(nóng)業(yè)風洞技術是如何助力農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的？讓我們一起走進農(nóng)業(yè)風洞的世界。

在地面制造“天空”

風洞是進行空氣動力試驗最常用、最有效的工具之一（詳見2023年4月《知識就是力量》雜志）。

農(nóng)業(yè)風洞實驗是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科研領域中的一項關鍵技術。在這個微縮環(huán)境中，科研人員可以精確地模擬不同條件的氣流，進行系統(tǒng)性實驗，了解作物生長過程中的風險因素，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

農(nóng)業(yè)風洞相當于在地面制造了一個微型的“天空”，為“空中農(nóng)夫”模擬天空中氣流的速度、方向、溫度、濕度等，幫助它們更好地完成工作。

為無人機打造的漂移風洞

難點：惱人的漂移污染

植保無人機（用于農(nóng)林植物保護作業(yè)的無人駕駛飛機）從農(nóng)田上空飛過并噴施農(nóng)藥時，一部分農(nóng)藥落在作物表面，一部分則會隨風飄向更遠處，并有可能對蜜蜂、桑蠶、魚、牲畜甚至人類健康造成威脅，這就是漂移污染。

漂移污染一直是困擾農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的難題，因為農(nóng)藥在空氣中的運動看不見、摸不著，且風向和風速的變化會影響農(nóng)藥的運動和最終的落點，這使科研人員無法準確把握它們的漂移軌跡。

破解：“抓”住漂移的農(nóng)藥

專門為無人機打造的漂移風洞能解決上述問題。在6米長的漂移風洞里，科研人員可以將風速精確、穩(wěn)定地設定在0.5米/秒～7米/秒。

2015年6月，國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術研究中心建成了國內(nèi)首個農(nóng)業(yè)航空施藥專用風洞實驗平臺。包括一座模擬有人駕駛飛機高速飛行環(huán)境的高速直流風洞（左），以及一座專為植保無人機打造的農(nóng)藥漂移實驗風洞（右）

無人機噴灑的微量農(nóng)藥液滴雖然無法用肉眼觀察到，但是，漂移風洞配備的高速粒子圖像測速儀就像超級慢動作相機，能夠?qū)⑦@些液滴的運動軌跡與漂移過程精確地顯示出來，讓科研人員“抓”住漂移的農(nóng)藥。

通過觀察不同風速對農(nóng)藥落點的影響，科研人員可以總結出規(guī)律，為無人機選擇合適的噴灑時機、更優(yōu)的噴頭位置和噴灑壓力。

通過實驗，某型植保無人機的施藥有效沉積率提高了15%，漂移損失則減少了20%。這意味著農(nóng)民可以使用更少的農(nóng)藥，達到更好的病蟲害防治效果，既省錢又環(huán)保。

模擬高速飛行環(huán)境的高速直流風洞

難點：破碎和蒸發(fā)的液滴

一些大型、有人駕駛飛機，施藥作業(yè)時的速度高達260千米/小時，飛行高度也比無人機更高。它們噴施的農(nóng)藥液滴在短短幾秒內(nèi)經(jīng)歷巨大的氣流沖擊，會破碎、蒸發(fā)。因此，預測它們的運動軌跡和落點更加困難。

破解：在“管道”中飛行

能模擬真實飛行環(huán)境的高速直流風洞，可以輔助科研人員分析飛機施藥后藥液的運動過程。

高速直流風洞能產(chǎn)生98米/秒的超級快風，相當于時速350千米，達到了復興號動車組的速度！更厲害的是，這里的氣流湍流度（度量氣流速度脈動程度的一種標準）小于1%，比平靜的湖面還要平穩(wěn)。

在高速直流風洞中，相對氣流運動的速度與真實的飛行環(huán)境是一樣的，安裝在其中的航空施藥專用霧化器就好像是在管道中飛行。而霧化器噴灑出的農(nóng)藥液滴的破碎和蒸發(fā)過程，可以被激光霧滴掃描系統(tǒng)精準地捕捉到。這讓科研人員能夠測量出液滴的大小和分散程度，從而分析它們的運動軌跡和潛在落點。