Беспилотный летающий опрыскиватель
UNMANNED AERIAL SPRAYER

Изобретение относится к области сельскохозяйственного машиностроения, в частности к конструкциям устройств для внесения жидких средств защиты растений беспилотными летательными аппаратами вертикального взлета и посадки.
В настоящее время в связи с увеличением использования химических препаратов в растениеводстве актуальными становятся экологически чистые методы стимулирования роста и развития растений, а также уничтожение сорняков. К ним относятся, в том числе, электрофизические методы, в частности использование электроактивированной воды.
Кроме того, из источников интернет ресурсов известно, что при поливе электроактивированной водой уменьшается ее расход по сравнению с поливом обычной водопроводной водой, при прочих равных условиях (file:///C:/Users/Администратор/Downloads/22811-53060-1-PB.pdf).
Известен проточный электроактиватор воды, включающий коаксиально расположенные положительно и отрицательно заряженные электроды, полупроницаемую диафрагму между ними, наружный электрод, выполняющий функцию корпуса, имеет форму полого цилиндра с присоединительными резьбовыми наконечниками, устанавливаемыми в резьбовых выточках подводящего и отводящего трубопроводов, а установленный внутри электрод состоит из стержня с лопастями, установленными по винтовой линии левосторонней направленности, при этом лопасти закреплены к стержню ступенчато, а стержень электрода имеет входную коническую направляющую и сужающийся выходной конус, а установленный внутри электрод и полупроницаемая диафрагма размещены внутри наружного электрода с возможностью монтажа-демонтажа, в резьбовой выточке подводящего трубопровода установлены контактная и пружинная шайбы, имеющие электрический контакт с помощью пружинных амортизаторов с установленным внутри электродом, контактная шайба зафиксирована в резьбовой проточке с помощью стопорного болта и изолирована от наружного электрода диэлектрической прокладкой, а пружинная шайба зафиксирована в проточке контактной шайбы амортизаторами, подвод электрического потенциала к установленному внутри электроду осуществляется с помощью контактной и пружинной шайб через клемму, а к наружному электроду - через клемму, закрепленную на внешней поверхности наружного электрода, потенциал электродов может изменяться с помощью переключателя потенциалов, подводящий и отводящий трубопроводы выполнены из диэлектрического материала, а электроды из нержавеющей стали, стойкой к электрохимической коррозии (патент РФ №2449952, кл. C02F 1/46, 2012 г.).
Известен опрыскиватель для обработки сельскохозяйственных культур электроактивированной водой, представляющий собой мобильный агрегат, включающий базовый трактор, штангу с распылителями, резервуар рабочей жидкости, насос с приводом от вала отбора мощности, генератор постоянного тока, установленный на тракторе и получающий привод вращения от вала отбора мощности через редуктор, установку для электроактивации воды, гидравлически связанную посредством насоса с резервуаром для рабочей жидкости и трубопроводом с распылителями, отличающийся тем, что установка для электроактивации воды выполнена проточной, с возможностью получения положительного и отрицательного потенциала и состоит из двух электродов, наружного, выполненного из нержавеющей стали в виде отрезка трубы, имеющего на одном конце присоединительный фланец, а на другом резьбовой присоединительный наконечник, и внутреннего электрода (патент РФ №2485773, кл. А01М 7/00, 2013 г.).
Также известен беспилотный летающий опрыскиватель вертикального взлета и посадки, содержащий моторы, несущие винты, раму, опрыскивающее оборудование, состоящее из резервуара для жидкости, расположенного в верхней части рамы, электромагнитного клапана, форсунок, по периметру рамы закреплены лучи трубчатого профиля, на консольных участках которых распложены моторы и несущие винты, отличающийся тем, что рама имеет две пластины, между которыми расположены стойки, выполненные в виде телескопических труб, внутри которых расположены пружины, а резервуар для жидкости выполнен из эластичного материала и размещен между пластинами, при этом лучи трубчатого профиля с одной стороны соединены с резервуаром для жидкости, а с другой стороны - с форсунками (патент №194376, кл. B64D 1/18; 27/08 - прототип).
Достоинством прототипа является увеличение времени при прочих равных условиях, за счет уменьшения лобового сопротивления, что экономит расход электроэнергии аккумулятора, но отсутствует возможность полива разной фракции (католит и анолит) электроактивированной водой в реальном времени.
Кроме того, для заправки беспилотного летающего опрыскивателя электроактивированной водой для обработки растений требуется оборудование для получения этой воды и обслуживающий персонал, также отсутствует возможность одновременной заправки двух фракций воды: католита для стимулирования роста растений и анолита для уничтожения сорняков.
Для обработки растений на полях опрыскиватель заправляют католитом, а для уничтожения сорняков, произрастающих на обочинах по периметру полей, опрыскивателю необходимо вернуться на базу и заправиться анолитом, на что затрачивается время и расход электроэнергии аккумулятора.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей, сокращение энергетических и трудовых затрат.
Технический результат достигается тем, что в беспилотном летающем опрыскивателе, содержащем раму по периметру которой, закреплены лучи трубчатого профиля с моторами и несущими винтами расположенные на их консольных участках, опрыскивающее оборудование включающее из эластичного материала резервуар для жидкости установленного между двумя пластинами на верхней части рамы, между которыми также установлены стойки в виде телескопических труб с внутренними пружинами, форсунки сообщенные через лучи трубчатого профиля с резервуаром для жидкости и электромагнитный клапан, согласно изобретению опрыскивающее оборудование имеет установленный под нижней пластиной резервуара для жидкости соосно оси его центра тяжести и сообщенный с его полостью через электромагнитный клапан съемный проточный электроактиватор воды, включающий коаксиально расположенные относительно друг друга внешний отрицательно заряженный электрод выполняющий функцию корпуса в виде полого цилиндра закрученного по форме логарифмической спирали Архимеда, которая с торцов снабжена соосно расположенными относительно друг друга входным патрубком и выходным - снабженного крышкой в виде конфузора, полупроницаемая диафрагма и внутренний положительно заряженный электрод в виде изогнутого конгруэнтно форме полого цилиндра стержня с лопастями, установленными по винтовой линии левосторонней направленности с клеммой для подвода электрического тока, а для подвода электрического тока к внешнему отрицательно заряженному электроду использована клемма, закрепленная на внешней поверхности этого электрода, для распределения жидкости по форсункам крышка выходного патрубка снабжена многоканальным распределителем жидкости, при этом в качестве электромагнитного клапана использован нормально закрытый для воды электромагнитный клапан автоматического действия, который для обеспечения возможности монтажа и демонтажа проточного электроактиватора воды сообщен с ним, а тот в свою очередь - с многоканальным распределителем жидкости с помощью винтового соединения, причем для обеспечения переключения полярности электродов и подключения аккумулятора к электромагнитному клапану блок управления выполнен в виде дистанционно управляемого контролера.
Новизна заявляемого предложения обусловлена тем, что по сравнению с известными техническими решениями обеспечивается возможность полива разными рабочими растворами как экологически чистыми методами стимулирования роста и растений или уничтожения сорняков, используя разные фракции воды, католит или анолит, так и химических препаратов.
По данным научно-технической и патентной литературы не обнаружена аналогичная заявляемой совокупность признаков, позволяющая получить технический результат, который ранее не достигался известными средствами, что позволяет судить об изобретательском уровне заявляемого предложения.
Предлагаемое устройство работоспособно и может быть использовано для внесения жидких средств защиты растений беспилотными летательными аппаратами вертикального взлета и посадки, что соответствует критерию «промышленная применимость».
Сущность изобретения поясняется чертежами: на фиг. 1 приведен беспилотный летающий опрыскиватель, в аксонометрии; на фиг. 2 схематично показан проточный электроактиватор воды в аксонометрии (в растянутом виде); на фиг. 3 - блок-схема опрыскивающего оборудования беспилотного летающего опрыскивателя.
На графических материалах для большей ясности представлены только те детали, которые необходимы для понимания сущности технического решения, а сопутствующие элементы, хорошо известные специалистам в данной области, не представлены.
Беспилотный летающий опрыскиватель включает раму 1 по периметру которой, закреплены лучи 2 трубчатого профиля с моторами 3 и несущими винтами 4 расположенные на их консольных участках, опрыскивающее оборудование состоит из резервуара 5 для жидкости из эластичного материала и установленного между двумя пластинами 6 и 7 на верхней части рамы 1, стоек 8 (фиг. 1) в виде телескопических труб с внутренними пружинами (на рисунке не показано) расположенные между двумя пластинами 6 и 7, между которыми также расположен резервуар 5 для жидкости с горловиной 9 и обратным клапаном 10, форсунок 11, сообщенные через лучи 2 трубчатого профиля с резервуаром 5 для жидкости и электромагнитный клапан 12. Для предотвращения повторного опрыскивания уже обработанной поверхности растений, форсунки 11 расположены не под всеми несущими винтами 4, образуют ряд в виде дуги (фиг. 1). Опрыскивающее оборудование имеет установленный под нижней пластиной 7 резервуара 5 для жидкости соосно оси его центра тяжести и сообщенный с его полостью через электромагнитный клапан 12 съемный проточный электроактиватор воды. Он включает коаксиально расположенные относительно друг друга внешний отрицательно заряженный электрод 13 выполняющий функцию корпуса в виде полого цилиндра закрученного по форме логарифмической спирали Архимеда, которая с торцов снабжена соосно расположенными друг другу входным патрубком 14 и выходным - снабженного крышкой 15 в виде конфузора, полупроницаемая перегородка (на рисунке не показана) и внутренний положительно заряженный электрод 16 в виде изогнутого конгруэнтно форме полого цилиндра с лопастями 17, установленными по винтовой линии левосторонней направленности. Такое выполнение электродов в виде формы логарифмической спирали Архимеда, обеспечивает компактность конструкции в плане поперечного сечения опрыскивающего оборудования, что не значительно влияет на лобовое сопротивление и увеличение площади контакта молекул воды с электродами, что влияет на качество и производительность электролиза. Соосное расположение друг другу входного патрубка 14 и выходного предназначено для обеспечения равновесия системы. Внутренний положительно заряженный электрод 16 имеет контактную и пружинную шайбы (на рисунке не показаны) с клеммой 18, которая использована для подвода электрического тока, а для подвода электрического тока к внешнему отрицательно заряженному электроду 13 использована клемма 19, закрепленная на внешней поверхности цилиндра, выполняющего функцию отрицательно заряженного электрода 13. Для распределения жидкости по форсункам 11 крышка 15 снабжена многоканальным распределителем жидкости 20. В качестве электромагнитного клапана использован нормально закрытый для воды электромагнитный клапан автоматического действия, который сообщен через входной патрубок 14 с проточным электроактиватором воды, а тот в свою очередь через выходной патрубок с крышкой 15 с многоканальным распределителем жидкости 20 с помощью винтового соединения, для обеспечения возможности монтажа и демонтажа проточного электроактиватора воды. В винтовом соединении все наружные резьбы имеют правое направление для обеспечения надежного резьбового соединения. Наружные резьбы могут быть выполнены на концах внешнего отрицательно заряженного электрода 13 в виде полого цилиндра или на входном и выходном патрубках. Опрыскивающее оборудование имеет блок управления 21, который выполнен в виде дистанционно управляемого контролера, обеспечивающего подключение аккумулятора к электромагнитному клапану 12, переключение полярности электродов 13 и 16 и регулирование силы тока подаваемого на электроды с целью установления определенного уровня рН.
Беспилотный летающий опрыскиватель работает следующим образом Предварительно резервуар 5 заполняют водой, которую подают под давлением через горловину 9 и обратный клапан 10 (фиг. 1). Поскольку резервуар 5 для жидкости выполнен из эластичного материала, то заполняясь водой и увеличиваясь в объеме, он давит на пластины 6 и 7, раздвигая их относительно друг друга. При этом происходит растяжение пружин, размещенных в секциях стоек 8. После заполнения резервуара 5 для жидкости обратный клапан 10 предотвращает вытекание рабочего раствора через горловину 9, а стойки 8 в виде телескопических труб за счет внутренних пружин выдвигаются на наибольшую длину. Далее беспилотный летающий опрыскиватель с заполненным резервуаром 5, начинает перемещаться по заданной траектории над обрабатываемым полем. В процессе вытекания воды из резервуара 5 внутренние пружины стоек 8 сжимаются. Это позволяет обеспечивать силу сжатия пластиной 6 и пластиной 7 резервуара 5 и, как следствие, одинаковое давление на воду, как при заполненном резервуаре 5, так и в последующем по мере уменьшения воды в резервуаре 5 до полного его опорожнения.
При выходе потока воды из внутренней полости электоактиватора поток воды в крышке 15 в виде конфузора сжимается, скорость его возрастает и через многоканальный распределитель жидкости 20 подается в форсунки 11 с необходимым давлением, что позволяет получить заданное качество распыла, полную обработку растений или уничтожение сорняков, болезнетворных микробов и вредителей. Для увеличения давления и получение мелкодисперсной жидкости из форсунок 11 многоканальный распределитель жидкости 20 может быть снабжен насосом. Однако, как показали производственные опыты, при поливе с высоты менее 150 метров, то давление, которое получает жидкость после прохождения через проточный электроактиватор, а затем через крышку 15 в виде конфузора достаточно для получения распыла жидкости диаметром 6-8 метров, которое достаточно для обработки растений.
После расхода воды пластины 6 и 7 с помощью внутренних пружин стоек 8 сжимают полый резервуар 5 для жидкости, на фиг.3 пунктирной линией показано положение пластины 6 при опорожненном резервуаре 5. После обработки растений беспилотный летающий опрыскиватель возвращается к месту для очередной заправки.
При использовании заявляемого предложения возможны три режима работы:
1. Обработка католитом, для стимулирования роста и развития растений;
2. Обработка анолитом, для уничтожения сорняков и вредителей;
3. Обработка рабочими растворами химических препаратов как для стимулирования роста и развития растений, так и для уничтожения сорняков и вредителей, для этого необходимо демонтировать проточный электроактиватор, который установлен между электромагнитным клапаном 12 и многоканальным распределителем жидкости 20 и соединен с ними с помощью винтового соединения. Затем электромагнитный клапан 12 и многоканальный распределитель жидкости 20 следует соединить между собой, также с помощью винтового соединения и далее обрабатывать растения в режиме, предусмотренном в прототипе.
1-й режим - обработка католитом
Для стимулирования роста растений используют фракцию воды - католит, имеющей отрицательно заряженный потенциал. Для его получения к клемме 19 через блок управления 21 подводится отрицательный потенциал от источника постоянного тока (аккумулятора), а к клемме 18 - положительный потенциал.
Для подачи воды, из блока управления 21 поступает команда на электромагнитный клапан 12, он открывается и вода под действием предварительного давления, созданного внутренней пружиной, размещенной в каждой стойке 8, из резервуара 5 поступает во внутрь проточного электроактиватор воды через входной патрубок 14 в полость отрицательно заряженного электрода в виде полого цилиндра закрученного по форме логарифмической спирали Архимеда на лопасти 17, где поток воды закручивается. Вода является вязкой и обладает внутренним трением, которое препятствует относительному перемещению ее слоев относительно друг друга, т.е. имеет разную скорость. Тот слой, а именно первый слой потока воды, который взаимодействует с лопастями 17, имеет меньшую скорость за счет внутреннего трения об эти лопасти, следующий слой потока воды за счет явления переноса импульса движения имеет большую скорость, и так до центра потока скорости слоев потока увеличиваются, а затем скорости слоев потока начинают уменьшаться. Если линейно аппроксимировать на прямолинейные участки периметр спиралеобразного канала (цилиндра), по которому проходит поток воды, то первый слой потока воды ударяется о внешние грани лопастей 17, образуя турбулентное завихрение потока в области внутренних граней этих лопастей. В образованном вращающемся потоке воды под действием центробежных сил он приобретает радиальное движение от центра вращающегося потока к его периферии, стекает по поверхности лопасти и выводится через выходной патрубок. Таким образом, за счет выполнения отрицательно заряженного электрода в виде полого цилиндра закрученного по форме логарифмической спирали Архимеда при взаимодействии с лопастями 17 поток воды приобретает вращательное движение, а при сходе с лопасти поток завихряется и его турбулентность возрастает, что обеспечивает увеличение точек контакта молекул воды с электродами и повышение коэффициента полезного действия электроактиватора.
В результате катодной обработки вода приобретает щелочную реакцию за счет превращения некоторой части растворенных солей в гидроксиды, при этом католит имеет уровень кислотности в пределах от 8,5 до 10,5 рН. Окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) воды повышается, уменьшается поверхностное натяжение, снижается содержание растворенных кислорода, азота, возрастает концентрация водорода, свободных гидроксильных групп, уменьшается электропроводность, изменяется структура не только гидратных оболочек ионов, но и свободного объема воды.
В результате образования растворимых гидроксидов натрия и калия, повышения вследствие этого водородного показателя рН происходит сдвиг углекислотного равновесия. В электроактивированном растворе образуются суперактивные метастабильные соединения с высокой восстановительной способностью, которые значительно усиливают проявление щелочных и восстановительных свойств католита.
При взаимодействии католита с листостебельной частью растений повышается их биологическая активность и урожайность. При этом повышается окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) воды, который может быть доведен до 950 мВ, а водородный показатель до 10,9.
Полив католитом оказывает влияние не только на продуктивность, но и на биохимический состав растений - снижается содержание протеина, клетчатки, Сахаров и влаги, повышается содержание сухого вещества. Более того, в варианте полива растений только католитом экономно осуществляется расход поливной воды - 3,5 г на грамм продукции. Это явление проявляется счет снижения поверхностного натяжения католита, в результате которого связи между молекулами воды ослабевают и растениям легче ее усваивать.
2-й режим - обработка анолитом
Для обработки сорняков используют анолит, имеющий положительно заряженный потенциал. Для его получения к клемме 19 через блок управления подводится положительный потенциал от источника постоянного тока, а к клемме 18 - отрицательный потенциал, и включается проточная вода.
При этом поток воды обтекает лопасти 17 внутреннего электрода 16 и приобретает вращательное и вихревое движение, что приводит к повышению ее биологической активности. В то же время положительный электрический потенциал от внутреннего электрода через стержень 15 и лопасти 17 передается потоку воды, которая приобретает положительный ОВП. При этом уменьшается величина водородного показателя рН.
Вода с положительным окислительно-восстановительным потенциалом и пониженным рН от 2,5 до 3,5, имеет сильные бактерицидные свойства, обеспечивающие уничтожение сорняков и вредителей.