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，同時由于我國經濟的高速發(fā)展導致農村勞動力的大量轉移而造成的農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的發(fā)展得益于高效農藥的創(chuàng)制生產及應用與發(fā)展，20世紀40年代中期至今，農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，它們具有類型多、藥效高、對作物安全、應用范圍寬等特點。這個時期可以分為前期(40年代中期至60年代末期)和當代(60年代末期至今)兩個發(fā)展階段。有機合成農藥前期，有機氯、有機磷和氨基甲酸酯三類神經毒劑先后被開發(fā)出來并形成系列產品;保護性殺菌劑的應用，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藥市場份額的近70%。

20世紀60年代末期以后，有機農藥向高效化方向發(fā)展，人們越來越重視農藥對生態(tài)環(huán)境的影響與農藥殘留導致的農產品的安全問題并強化對農藥的全程管理。這一時期，除草劑出現了多種活性高、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藥霧滴極易造成飄移，從而污染非靶標作物及水源、土壤。20世紀60-70年代，農業(yè)發(fā)達歐洲國家逐步形成大型農場專業(yè)化生產方式，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80年代中后期，由于大型有人駕駛的航空施藥導致的因農藥霧滴飄失引起的環(huán)境污染和農藥藥害問題，歐洲共同體決定在歐盟國家內部禁止使用航空施藥，至今只允許地面機械按非常嚴厲的歐盟標準進行農藥噴灑作業(yè)。

而在美國超大規(guī)模經營農場的規(guī)模化種植和同種作物大區(qū)連片種植的種植方式決定了美國有人駕駛的農業(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，美國政府也一直擔憂植保無人機施藥產生的農藥飄失污染，尚未立法規(guī)定允許無人機從事農藥噴灑作業(yè)。美國是農業(yè)航空應用技術最成熟的國家之一，已形成較完善的農業(yè)航空產業(yè)體系、政策法規(guī)以及大規(guī)模的運行模式。據統(tǒng)計，美國農業(yè)航空對農業(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%的化學農藥采用飛機作業(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年生產的第一代R50型農用植保無人機/圖 來源網絡

在亞洲，日本農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業(yè)生產的國家之一，日本20世紀70年代開始經濟騰飛，適齡勞動力大多進城尋找工作，農村勞動力極度匱乏，因此在引進的美國軍方無人靶機技術的基礎上，日本山葉公司(YAMAHA)于1985年推出世界第一架用于噴灑農藥的植保無人機“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林業(yè)方面的應用發(fā)展迅速，在日本無人機旋翼和發(fā)動機轉速被大大降低以適應農業(yè)植保作業(yè)的要求，植保無人機施藥技術參數不斷改進，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業(yè)噴霧已成為日本農業(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歷了40余年的發(fā)展歷史。

02

中國的農用航空始于20世紀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90年代專為超輕型飛機配套設計的3WQF型農藥噴灑設備，可廣泛用于水稻、小麥、棉花等大田農作物的病蟲害防治、化學除草、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)有限公司生產的藍鷹AD200N型飛機主要用于農田、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)科學研究院研制的HU2-HWl型超低容量噴灑設備及NT100GPS導航系統(tǒng)與“海燕650B”飛機配套技術，應用在廣西武鳴林區(qū)防治病蟲害，并進行了相關試驗研究。

目前，中國有農林用固定翼飛機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林業(yè)病蟲草害和施肥的面積達到200多萬公頃。但和農用航空發(fā)達國家相比差距仍十分巨大：我國農用飛機擁有量僅占世界農用飛機總數的0.13%左右;農業(yè)航空作業(yè)面積占耕地面積的1.70%;噴灑設備性能差。

在我國自“十一五”期間國家“863”計劃“新型施藥技術與農用藥械”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藥噴灑，必威易創(chuàng)基科技有限公司是我國首個應用植保無人機的農業(yè)服務公司。2005年12月，當雅馬哈公司準備將第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，中國農業(yè)大學、中國農業(yè)機械化研究院、農業(yè)部南京農業(yè)機械化研究所等科研機構開始向科技部、農業(yè)部、教育部等相關部門提議立項進行植保無人機的研制工作。經過前期準備和申報工作，2008年由農業(yè)部南京農業(yè)機械化研究所、中國農業(yè)大學、中國農業(yè)機械化研究院、南京林業(yè)大學、總參謀部第六十研究所等單位共同承擔的科技部國家“863”計劃項目“水田超低空低量施藥技術研究與裝備創(chuàng)制”正式啟動實施，這一項目的實施，標志著國內科研機構正式開始探索植保無人機航空施藥技術與裝備研發(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 來源網絡

2008年，中國農業(yè)大學植保機械與施藥技術研究中心與山東衛(wèi)士植保機械有限公司、臨沂風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”獲得山東省科學技術進步獎二等獎。

獲獎的中國農業(yè)大學與山東衛(wèi)士公司聯合研發(fā)的“3WSZ-15”型18旋翼植保無人機/圖 來源網絡

2010年，中國農業(yè)大學植保機械與施藥技術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個扇形噴頭的國內首款電動單旋翼無人機機型如圖4所示。