飞机施药是效率最高的施药方法，可以快速进行病虫害的防控，适于大面积成片种植的作物，如森林、草原、果园等。但由于飞行安全，与作物有一定高度要求，容易造成农药飘移，对环境污染风险较高。因此，研究和提升航空喷雾技术及装备，提高雾滴的靶标性、降低雾滴飘移损失、提高有效用药量，成为近二十年来航空施药技术研究和发展的目标。“航空静电喷雾系统的关键技术创新及推广应用”项目经过对国外技术的消化吸收和再创新，研制成功并批量生产具有自主知识产权的适于大、中、小型固定翼和旋翼飞机挂载的航空静电喷雾系统成套设备，解决了常规航空喷雾所存在的雾滴沉积效果差、飘移损失大、环境污染大等问题，与常规喷雾相比,有效用药量提高45%，防治成本降低40%以上，大幅提高了飞机喷洒作业效率，降低了防治成本，保护了环境。随着成果的进一步推广应用必将推动我国农林有害生物防治技术上一个新的台阶，对我国农、林有害生物防治事业的发展将产生深远影响。
该项目系国家林业局948项目、国家林业局林业科技成果推广项目，由国家林业局森林病虫害防治总站、南京林业大学、河北省廊坊市林业局森林病虫害防治检疫站、海南环球飞行俱乐部有限公司、通辽市神鹰通用航空有限公司、江苏省徐州农用航空站承担完成，主要完成人有舒朝然、周宏平、茹煜、潘宏阳、李永成等。项目获国家实用新型专利3项，发表论文9篇。
一、技术方案
1．国产航空静电喷雾系统设备的总体结构设计方案
航空静电喷雾设备主要由直流高压电源系统和超低量静电喷雾系统组成。该系统包括同时输出正、负高压的直流高压开关电源和两组静电喷头。直流高压电源安装在机舱里，通过低压输入分流控制器与飞机电源（12-28V）连接，输出高压范围为0.5～20kV，直流高压电源与飞机共地。从飞机的药箱向左右两侧伸出两根横喷管，两组静电喷头（20～50个）分别安装在左、右横喷管上，喷头的前端安装有管状或喇叭管形金属电极，两组电极通过高压绝缘密封电缆与高压电源的正或负高压输出端并联连接。这样，两组静电喷头所附加的静电高压极性相反，大小平衡，总的静电场近似于零，实现了飞机的静电安全防护。
工作时，电极附加正或负的直流高压，喷嘴外周空间范围产生正或负的高压感应电场，使喷嘴喷出的空心锥型雾体被动带上正电或负电，也即雾滴带上正电荷或负电荷。携带电荷的雾滴在静电场的作用下作定向运动飞向靶标植物，受植物表面异性电荷的吸引，很易被植物表面所俘获。这样，雾滴在植物表面各个部位的沉积率就会显著提高，尤其是植物叶片背面和冠体内叶片；而且由于雾滴所带电荷相同，在到达植物表面后不会产生聚集效应，使其分布的均匀性大为改善。同时雾滴飘移损失显著减少，从而达到提高有效用药量，降低成本，减少环境污染的目的。
2．雾滴荷电机理研究
通过对雾滴荷电方式、输运过程、沉降规律的理论和试验研究，表明飞机以70～150km/h航速和5～8m航高进行静电喷洒（静电高压为7～15kV）时，雾滴谱为70～150μm，雾滴荷–质比大于0.8mC/kg，雾滴沉积密度成倍提高，雾滴的随风飘移减少34%。
通过分析雾滴的感应充电机理，建立雾滴感应充电等效电学模型，探讨了航空静电喷雾雾滴的充电过程，测得了雾体或雾滴瞬间携带的电荷量q。通过分析荷电雾滴在运动过程中的受力情况，用单雾滴的运动方程来代替雾滴群的运动状态，建立了荷电雾滴的运动方程，获得了喷雾粒子的飞行距离和垂直降落高度随时间变化的显式表达式。针对雾滴空间电场和诱导电场对雾滴沉降的影响进行了理论研究。建立了喷雾液滴沉积分布的对数正态概率分布模型，获得了航空静电喷嘴在试验喷洒条件时的最大、最小、平均沉积距离和任一沉积距离处的雾滴沉积质量的累计沉积概率。
3．研制了航空静电喷雾专用高压电源
首次将高频开关电源技术和LED数显技术应用于航空静电喷雾专用直流高压电源设备的设计制造。采用了新一代功率场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极晶体管IGBT、准谐振变频技术和多级硅整流倍压技术，设计制造的直流高压开关电源效率高、体积小、重量轻、反应快、储能少、坚固耐用、安装方便、使用安全（输入电压12～28V，输入电源3～5A，输出电压±5～20kV，输出电流±4～10mA）。
4．研制了适应不同机型的单喷嘴和双喷嘴的航空静电喷头
研制了由喷嘴、喷嘴体、喷头体和止回阀组成的单喷嘴和双喷嘴航空静电喷头（见图2-5）。喷嘴前端设计有70°～80°的空心锥内角，电极嵌装在管形支撑架内，与安装在支撑架轴心管内的喷嘴形成一个“轮状”整体，确保喷出液体被充分剪切雾化并均匀荷电。航空喷洒时，高速气流可顺畅穿过管状电极内壁与喷嘴前体之间的径向间隙，风吹干燥避免电极潮湿和放电；高压导线与电极之间采用插式绝缘端子组合连接，安装方便。静电喷嘴由耐高电压、耐腐蚀且硬度和韧度符合要求的特殊工程塑料注塑而成，保证电极附加高压静电后不会因喷头被击穿而造成整个静电喷雾系统短路，也减轻了喷头重量和飞机负载。静电喷头95%的零部件已实现模具化批量生产，年批量生产能力可达5千～1万套静电喷头。
5．航空静电喷头雾化性能试验研究，优化了喷头结构参数
搭建了航空静电雾化装置试验系统，包括试验台架、雾化装置、测试仪器和操纵控制等五大部分。通过PIV测量系统、激光粒度仪测试系统、荷–质比测试系统等先进手段进行试验研究，主要测量不同型式的雾化装置的性能参数如喷雾角、雾流场、雾滴粒径、雾滴荷–质比等。试验结果证实该航空静电喷头可以满足航空静电喷洒作业的要求。
6．研制开发了可适用多机型的国产航空静电喷雾系统成套设备
首次成功研发了基于飞机直流发电系统的、适用于固定翼飞机和旋转翼飞机挂载的国产航空静电喷雾系统，填补了国内空白。应用蜜蜂飞机、直升机、Y5B进行了航空静电喷雾试验和静电喷雾施药防治杨小舟蛾、春尺蠖、草地蝗虫、美国白蛾、油松毛虫、粘虫等作业。试验结果表明，农药有效利用率平均提高51.6%，防治成本平均降低44.8%，平均防治效果达95%。
二、技术关键
1．电极内嵌式航空静电喷头为本项目独创，解决了管形电极与喷嘴难以同一轴线安装的问题，可简便地将喷嘴与管形电极固定在同一轴心上，不会因环境极端温度变化发生形变。电极工作时，喷嘴外周产生均匀的静电场，使喷嘴喷出的空心锥雾体均匀荷电，达到良好的静电雾化效果。
2．静电喷嘴由耐高电压和耐腐蚀的特殊工程塑料注塑而成，其耐腐蚀、耐磨、耐冲击及耐高电压性能与陶瓷喷嘴相当，保证电极附加高压静电后不会因喷头被击穿而造成整个静电喷雾系统短路，同时质量很轻，大大减轻了喷头重量和飞机负荷。
3．将高频开关电源技术和LED数显控制技术应用于直流高压电源设备的设计制造，使高压电源设备体积小，自重轻，自动化程度高；采用双极性高压同步输出并自动平衡调节，供给机身下左、右两组电极负载的静电高压保持正、负平衡，使整个机身的总静电场始终保持为零状态，从而保证机身的静电安全防护，性能稳定，安全可靠。
4．主要关键部件实现模具化批量生产，整个系统设备的批量生产成本仅为国外同类产品的1/3。
三、推广应用情况：
截至2012年8月底，先后在湖北省嘉鱼县、江苏省徐州市沛县、内蒙古四子王旗、河北省廊坊、秦皇岛、辽宁省北票、喀左县、连云港市东海县和通辽市科左中旗进行了航空静电喷雾施药防治杨小舟蛾、春尺蠖、草地蝗虫、美国白蛾、油松毛虫和粘虫等作业，共计作业2,068架次，防治面积累计达209万亩（林业害虫42.25万亩，玉米粘虫150万亩，草原蝗虫16.8万亩）。与常规航空喷雾比较，喷洒作业效率提高一倍，平均节省用药达45.0%，防治效果在95%以上。仅作业费用和节省用药两项就为基层防治部门节省防治经费1123.6816万元，综合挽回经济损失121,232.6816万元。
未来农用飞机的拥有量将快速增长，特别是我国将逐步放开600米以下空域的管制，将大大促进民企通用航空事业特别是农林航空事业的飞速发展，中小型农用飞机数量将会急剧增长。因此，国产航空静电喷雾系统设备拥有巨大的市场需求前景。保守估计，在3～5年内，全国将有近两千台套航空静电喷雾系统设备的市场需求和近2～3亿元的市场前景。随着我国农林飞防飞播事业的快速发展，这个市场规模还将进一步发展和扩大。
