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戰(zhàn) 艦

一份關(guān)于戰(zhàn)斗艦艇的

建造，防護，穩(wěn)性，轉(zhuǎn)向等方面

的教科書

作者：Edward L. Attwood

作者簡介：英國皇家海軍工程師會員，格林威治皇家海軍學校前海軍工程講師，《船舶工程理論教程》和《當代主力艦》的作者，船舶建造幾何學教材“Laying off”的聯(lián)合作者。

本書有大量圖表。

1917年第六版

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翻譯：弗林

純屬個人業(yè)余愛好，僅供交流學習使用；個人水平有限，難免與原意存在偏差，個人的額外注釋以【】標出。

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第二十二章

戰(zhàn)艦的整體設(shè)計考量

一艘艦船需要執(zhí)行的任務(wù)顯然會對其設(shè)計產(chǎn)生決定性的影響。像英國海軍這樣規(guī)模龐大的海軍所承接的任務(wù)有很多種，不存在能執(zhí)行所有任務(wù)的單一艦種。要在一艘船上兼顧很高的航速、厚重的裝甲防御跟強大的武備是不可能的，除非把船造的超級大。所以必須要對性能做出取舍，如果我們犧牲一部分防御和火炮來確保高航速和巨大的燃煤或者燃油載量，我們就得到了一艘巡洋艦；如果我們降低航速來將防御和武器的性能最大化，我們就得到了一艘戰(zhàn)列艦。如果我們需要一種能夠長時間停留在海上不用入塢維護的艦艇，我們必須對這種艦艇用木料和銅質(zhì)來包裹(sheathed)艦體，為此我們要接受相比一般的鋼制外殼的艦艇而言會增加造價且降低航速的代價。而對于岸防艦，只需要中等程度的燃煤載量和較淺的吃水。對于一些海軍來說這類艦艇是很有價值的；不過，英國海軍在這些年間時不時會造一些小型戰(zhàn)列艦【此處猜測指本書第一版1904年前英國建造的部分前無畏艦在試圖犧牲部分性能來減少噸位降低造價】。

戰(zhàn)艦的設(shè)計是幾乎離不開在之前的戰(zhàn)艦上積累的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)的。當一型新的戰(zhàn)艦設(shè)計的主要特征由上級(authorities)給出后，海軍造船師要完成這些設(shè)計并盡可能達到所有這些要求。在戰(zhàn)艦設(shè)計專業(yè)上的經(jīng)驗是很重要的資質(zhì)，因為在這上面要面對的情況跟在設(shè)計商用輪船時是完全不同的。

在任何一艘戰(zhàn)艦的設(shè)計上，有很多方面或多或少地需要保證。其中一些為：——

1.?結(jié)構(gòu)強度，包括整體和局部。本書之前已經(jīng)做了一定深度的介紹【見第一章】。

2.?穩(wěn)性。——這是一個非常重要的性質(zhì)。一艘戰(zhàn)艦必須在承受了一定程度的損傷之后仍然保留足夠的穩(wěn)性。這就是為什么戰(zhàn)艦的穩(wěn)心高度要求比商用輪船要高。在大傾角下的穩(wěn)心同樣需要仔細考慮，因為此時艦船的重心(C.G.)位于高處(?)。對確保最經(jīng)濟的推進效率的問題總是讓位來優(yōu)先保證戰(zhàn)艦具有足夠的穩(wěn)性。

3.?航速?！@取決于艦艇的任務(wù)需求。在近幾年間【猜測以本書第一版日期為準】戰(zhàn)艦的航速得到了顯著提高，這是因為采用了水管鍋爐，提高了蒸汽壓力和動力轉(zhuǎn)速，以及采用了蒸汽輪機。

4.?操縱性?！獙τ谂烎汉投婷嫘螤顚ε炌мD(zhuǎn)向性能的影響在前面已經(jīng)討論過了。在其他因素相同的條件下，更短的艦船比更長的艦船有更好的操縱性。

5.?居住性?！@點很重要，因為只有船員保持良好的健康狀況才能發(fā)揮出戰(zhàn)艦應(yīng)有的性能。一艘具有高干舷的戰(zhàn)艦跟低干舷戰(zhàn)艦相比有更好的居住性，乘員住艙有更好的通風和采光。

6.?方便轉(zhuǎn)運燃煤和彈藥。

7.?造價和維護的經(jīng)濟性?！@兩點有時候是相互沖突的。一艘鋼殼船會比一艘?guī)Я朔拦笇拥拇懈阋说脑靸r，因為省去了防垢所需的外層和金屬艏柱(?)等部位的價格。然而，一艘?guī)Х拦笇拥呐灤诰S護費用上要顯著低于一般的鋼殼船，因為這些艦船不會迅速長垢，不需要頻繁入塢維護。

8.?自持力。——一艘戰(zhàn)艦搭載的燃煤和彈藥等消耗品會決定這艘戰(zhàn)艦能保持多長時間的作戰(zhàn)能力。燃煤的搭載量會決定戰(zhàn)艦的作戰(zhàn)半徑。

9.?生存性?！@包括由裝甲帶和甲板提供的防御，以及細密的艙室分劃。

10.?武器?！脕砉舻难b備——火炮，魚雷，撞角。

對于在設(shè)計的初步階段，威廉·懷特說過（《船舶工程指南》，Manual of Naval Architecture）：——

“在設(shè)計初步階段，設(shè)計工作必須是暫定的，會不斷被修正。艦船設(shè)計的很多性能特征都是相互關(guān)聯(lián)的。在開始時，我們并不確定艦船的尺寸、形狀和排水量。當然這些因素會決定動力系統(tǒng)要輸出多少功率才能達到要求的航速，也決定了艦體的結(jié)構(gòu)重量，以及某些設(shè)備的重量。當完成一艘艦船的設(shè)計時，重量的總和，包括艦體結(jié)構(gòu)、動力裝置、設(shè)備、燃煤等項目，必須等于給定吃水線下的排水量。要解決結(jié)合這么多未知的相關(guān)因素的問題是很難的，我們不得不依賴于經(jīng)驗。通過經(jīng)驗、數(shù)據(jù)記錄和模型試驗，我們可以較好地解決艦船設(shè)計的問題。首先我們會估計大概的尺寸和艦體形狀。然后我們根據(jù)建造的方式和艦船的類型來估算艦體重量。我們也會基于之前艦艇的海試記錄或者模型試驗的結(jié)構(gòu)來給出對所需動力功率的估計。然后我們就可以基于動力功率來推算主機和鍋爐的重量，進而計算每小時的燃煤消耗量，從而推出要達到給定航速下的續(xù)航里程要求需要多少噸燃煤。將艦體、設(shè)備、動力系統(tǒng)、燃煤以及設(shè)定的載重量等這些項目的初步估計重量累計起來，得到的結(jié)果應(yīng)該要和所暫定估計的排水量相近。如果這一求和超過或者少于預設(shè)的排水量，就必須對之前所假定的艦體尺寸進行修正，以維持設(shè)計的平衡。在對艦體尺寸修改之后，艦體重量、設(shè)備、動力系統(tǒng)和燃煤的重量都要重新估算。最終我們應(yīng)該確保各項重量的總和與艦體形狀和尺寸所反映的排水量達到平衡。如果沒有對之前的設(shè)計案例或者經(jīng)驗方法做出巨大的改變，初步的設(shè)計工作是可以迅速進展的。在其他情況下，要選擇最為合適的艦體尺寸和形狀，有可能會考慮很多各種各樣的設(shè)計?！?/p>

對于一型設(shè)計完成的戰(zhàn)艦來說，總排水量[1]由以下部分的重量組成：——

1.?基本配件；

2.?武器；

3.?動力系統(tǒng)；

4.?工程師備件；

5.?燃煤；

6.?對艦體和武器的裝甲防御；

7.?艦體，包括結(jié)構(gòu)和舾裝；

8.?設(shè)計余量。

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1.?基本配件?！@些包括淡水、食物儲備（包括面包和酒）、官員倉庫（包括軍官起居室、槍械庫和出納員的船員服裝）、官員與水兵及其個人物品、船錨、纜繩、桅桿與繩索、小艇、準尉倉庫和防護網(wǎng)[1]。

2.?武器?！谖淦鞯脑敿毿畔⒈淮_定之后，全體武器的重量可以被估計的很精確。其中一個重要的相關(guān)參數(shù)是每門炮的備彈數(shù)量。

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[1]對于重量分配的案例，見本書第298頁。

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3.?動力系統(tǒng)?！斨甘抉R力(I.H.P.)得到初步設(shè)定之后[1]，工程師會對動力系統(tǒng)所需的重量進行估計。動力系統(tǒng)的重量取決于幾種因素，包括使用的鍋爐類型、蒸汽機的轉(zhuǎn)速和沖程與活塞的速度、鍋爐的強壓程度等。對于當前最大的單臺往復式蒸汽機（15,000指示馬力），最大轉(zhuǎn)速為120【應(yīng)該是每分鐘轉(zhuǎn)速rpm】；對于功率較小的蒸汽機，可以達到更高的轉(zhuǎn)速；于是功率為6250指示馬力的蒸汽機可以達到180轉(zhuǎn)，而4900馬力的蒸汽機能達到250轉(zhuǎn)。驅(qū)逐艦所采用的蒸汽機還能達到更快的轉(zhuǎn)速。在近幾年的設(shè)計上，水管鍋爐的使用產(chǎn)生了巨大影響，在動力系統(tǒng)重量跟之前相當?shù)臈l件下可以輸出更大的功率。蒸汽輪機的應(yīng)用已經(jīng)對近期的戰(zhàn)艦設(shè)計產(chǎn)生了很大的影響。詳見附錄中對無畏號戰(zhàn)列艦的描述。

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[1]見本書第二十一章。

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4.?工程師備件?！@些備件的數(shù)量取決于動力功率和戰(zhàn)艦的服役情況。

5.?燃料。——英國海軍戰(zhàn)艦的設(shè)計慣例是在設(shè)計排水量中包括一定重量的燃料。這一排水量被稱為設(shè)計排水量(legend weight)。君權(quán)級戰(zhàn)列艦和威嚴級(Majestic)、可畏級、鄧肯級、納爾遜勛爵級，以及無畏級戰(zhàn)列艦，在設(shè)計排水量下均搭載900噸燃料。而燃煤的最大搭載量遠高于這一數(shù)值，在近期的戰(zhàn)列艦上超過2000噸，而在無畏號上達到了2700噸。所有的官方航速測試會將戰(zhàn)艦保持在對應(yīng)設(shè)計排水量的吃水下。不過有時候會在戰(zhàn)艦建成之前就進行海試，以檢驗承包商的動力系統(tǒng)性能。這些測試只需要針對指示馬力來驗收，不需要特別考慮航速，進行測試的時候也不用刻意將戰(zhàn)艦用壓艙物來達到通常吃水線，只需要確保螺旋槳正常浸沒。

6.?裝甲和甲板防御。——用于防御的重量可以分為這些項目：——

(a)?側(cè)舷裝甲帶，用于保護浮力和穩(wěn)性；

(b)?對武器的豎直裝甲防御；以及

(c)?甲板防御。

在近期一型戰(zhàn)列艦上，這些項目的重量分配比例如下：(a)為38%，(b)34%，(c)28%。這些數(shù)字明顯反映出要對武器提供充足的防御需要付出如此巨大比例的裝甲重量。這些裝甲包括炮座裝甲和炮廓裝甲(casemates)，但是不計入炮盾，炮盾重量是算進武器里面的。對于炮座提供了特別厚重的防護。在鄧肯號戰(zhàn)列艦上，側(cè)舷裝甲帶為7英寸，但是炮座裝甲為11英寸。這一巨大差別的原因是，每一個炮座代表了戰(zhàn)艦的火力的很大一部分。一發(fā)炮彈如果是擊穿了裝甲帶，也許不怎么嚴重；但是如果擊穿了炮座裝甲，這就有可能直接摧毀戰(zhàn)艦差不多一半的火力?！驹谟臒o畏艦上情況似乎就不太一樣了】

現(xiàn)代戰(zhàn)列艦設(shè)計的一個特征是，其裝甲防御區(qū)域比之前的設(shè)計明顯增加了，相應(yīng)削減了裝甲厚度。這些在第十三章已經(jīng)講的很詳細了。裝甲材質(zhì)的改進對巡洋艦設(shè)計也產(chǎn)生了巨大影響。一直到王冠級(Diadem)巡洋艦的設(shè)計，裝甲防御最好的方式被認為是在水線布置一個較厚的防御甲板，如圖例21和22所示。然而，隨著克努伯裝甲的誕生，這種防御系統(tǒng)在克雷西號上被修改，采用了覆蓋超過一半艦體長度的較寬的6英寸裝甲帶，與厚甲板和艦艏的防御相結(jié)合（見圖例136和137）。這種裝甲防御設(shè)計一直沿用到現(xiàn)今的一等巡洋艦上。

7.?艦體?！烍w重量包括——

(a)?結(jié)構(gòu)重量；以及

(b)?不承擔結(jié)構(gòu)強度的配件等重量。

在大型戰(zhàn)艦上，艦體的總重量在排水量的占比在35-40%，并且要做到對材料最仔細設(shè)計的布置和最好的工藝，我們才能將艦體重量壓低到這一程度。大型商用輪船的艦體重量占比要明顯高于這一數(shù)值；值得注意的是，一艘戰(zhàn)艦的艦體重量有差不多一半都用在幾乎不承擔結(jié)構(gòu)強度的配件等部位上。

在建造戰(zhàn)艦時盡可能減輕重量是很重要的，我們可以在不降低結(jié)構(gòu)強度的條件下通過一些方法來較好實現(xiàn)減重。在戰(zhàn)艦的艦體上會大量使用減重的空洞。如圖例47所示的輕量內(nèi)襯(liner)就是一個沒有降低結(jié)構(gòu)強度而減輕了重量的例子。對于這些單個部件上的少量減重看起來意義不大，但是將所有部件的這些減重累計起來能夠節(jié)省相當大的重量。

在近期的艦船上通過移除了之前具有的重復部件(duplications)等實現(xiàn)了大量減重。一個例子是廢除了舵機的應(yīng)急舵具(relieving tackles)。目前使用的無桿錨可以省去之前所需的錨架(cathead)、錨爪架(bill-boards)等部件的大量重量。近期的戰(zhàn)艦通過移除了彈藥庫的木襯和燈箱、移除木甲板以及簡化水泵布局等手段節(jié)省了大量重量。

8.?設(shè)計余量?！@項是在設(shè)計階段預留的重量，為建造時的變更或者增設(shè)留出余量。除了先前設(shè)計重量已經(jīng)包括的部分之外的額外重量不得超過這一余量(?)，并且要特別告知海軍部征求同意。

節(jié)省或增加重量對戰(zhàn)艦設(shè)計的影響[1]。——值得注意的是在某一項所節(jié)省的重量對整個設(shè)計的減重效果是要遠遠大于其本身的數(shù)值的。假設(shè)在任何一項，比如設(shè)備這塊，可以節(jié)省50噸的重量；這一減重會對設(shè)計的各個部分都產(chǎn)生影響。更輕的艦船會降低相同航速所需的功率；于是減輕了主機等部位的重量，并減少了人員編制。這樣又可以降低艦體尺寸，從而減輕艦體重量，且再次降低了功率需求。這些影響會疊加迭代下去，最終我們會發(fā)現(xiàn)，節(jié)省50噸設(shè)備重量可以在整體設(shè)計上節(jié)省100噸或者更多的重量。

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[1]詳見海軍造船副主任(I.N.A., 1903)懷廷編寫的“現(xiàn)代新型配件對戰(zhàn)艦的尺寸和造價的影響”(The effect of modern accessories on the size and cost of warships)。

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一個極端案例：采用兩個56英尺（約17米）的小艇（每艘18噸）替代之前的37英尺（約11米）小艇（每艘9噸），會對大型艦船總共增加約150噸重量。單純在小艇上增加的重量不過18噸。但是更重的小艇會需要更堅固的桅桿(?)和起重機，以及更重的電力或者液壓動力的吊艇架，也需要特別的存放；結(jié)果這些項目加起來會增加70噸重量。然后就會導致跟搭載更輕小艇的設(shè)計相比總共需要增加150噸重量。

戰(zhàn)艦設(shè)計的穩(wěn)性。——除了要將排水量固定在設(shè)計指標附近，我們同時還要計算該設(shè)計在水平方向和豎直方向的重心位置。重心的豎直位置將決定戰(zhàn)艦能否保持足夠的穩(wěn)性，而其水平位置會影響戰(zhàn)艦建成時的縱傾狀態(tài)。

以下表對一艘小型巡洋艦的數(shù)據(jù)計算為例：——

總重2650英噸

重心距離水線上方0.89英尺

橫向穩(wěn)心距離水線上方2.9英尺

穩(wěn)心高度為2.9-0.89=2英尺

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于是在設(shè)計排水量下該艦的穩(wěn)心高度被估算為2英尺，艦體的形狀必須確保在2650英噸排水量下浮力中心位于長度中點后方11.8英尺，從而讓這些艦船處于所需要的吃水和縱傾狀態(tài)。并且，其橫向穩(wěn)心必須位于設(shè)計水線上方2.9英尺，以確保該艦有2英尺的穩(wěn)心高度。

這一參數(shù)（穩(wěn)心高度）決定了艦艇初始狀態(tài)的穩(wěn)定性。但是，也需要對“穩(wěn)性曲線”進行計算，以確保艦船在大傾斜角下具有足夠的穩(wěn)性。

對于重量和艦體重心的詳細計算是一個長期且復雜的過程，盡管這一般是在設(shè)計定型之后去完成，我們在設(shè)計的初步階段也有必要對此給出估計。對于這點來說，在之前的戰(zhàn)艦上做過的傾斜實驗的數(shù)據(jù)是非常有價值的。對海軍的艦艇進行傾斜實驗在現(xiàn)在已經(jīng)成為慣例，這不僅是為了檢驗這些艦船自身的穩(wěn)性，同時也是為后續(xù)的設(shè)計提供參考數(shù)據(jù)。由造船廠填寫的D.283表(?)以及由艦船的官員填寫的D.211表給海軍部的設(shè)計人員提供了重量方面十分寶貴的信息(?)。

戰(zhàn)艦設(shè)計向現(xiàn)代的演化呈現(xiàn)出增加重量的趨勢，采用了位于上甲板由厚重的炮盾防護的裝甲炮臺(armoured battery)以及更重的火炮。這一變化趨勢使得需要仔細計算戰(zhàn)艦的穩(wěn)性，因為這種變化會增加戰(zhàn)艦重心的高度。這一變化的影響可以從愛丁堡公爵號和更大排水量的德雷克號的艦寬上得到反映。

德雷克號，長500英尺x寬71英尺x吃水26英尺x14,100英噸；2門9.2英寸炮，具有炮盾；16門6英寸炮，位于炮廓。

愛丁堡公爵號，長480英尺x寬73.5英尺x吃水27英尺x13,550英噸；6門9.2英寸炮，具有炮盾；10門6英寸炮，位于炮臺(battery)。

我們在第17章節(jié)講過，艦船的寬度對其橫向穩(wěn)性的位置具有顯著的影響。對于那些重心高的艦船設(shè)計來說，其橫向穩(wěn)性也必須足夠高，來確保應(yīng)有的穩(wěn)心高度。

功率與航速。——給定任意航速估算所需功率的算法我們在第22章里講過了?；谛枰_到的航速來說，一艘艦船的長度對其動力功率的效率有最顯著的影響。比如說一艘船要跑15節(jié)，那對于這艘船來說，我們不能直接確定15節(jié)到底是高速還是低速，除非給出艦船的尺寸或者長度。對于一艘150英尺長（約45.7米）的艦船來說，15節(jié)已經(jīng)算高速了，但對于一艘500英尺長（152.4米）的艦船來說這不過是相當中等的航速。一種衡量航速的方法是跟艦體長度的平方根作比較。當這一比值，即航速除以長度的平方根大于一(unity)的時候，我們就認為這個航速相對這艘船來說算高速了，需要付出很大的功率代價來實現(xiàn)。值得注意的是，對于大西洋班輪來說，隨著航速的提升，其艦體長度也相應(yīng)增加，從而將航速跟艦體長度平方根的比值基本維持恒定。于是我們可以看下表數(shù)據(jù)——

而當我們?nèi)タ囱惭笈灥臄?shù)據(jù)時，我們會發(fā)現(xiàn)它們的最高航速相對其尺寸而言是明顯偏高的。于是我們可以看下表：

單獨考慮推進的經(jīng)濟性的話，毫無疑問增加巡洋艦的艦體長度會有利于這一點，但是最好不要讓它們超出必要的長度范圍，因為一艘更長的船會需要更重的構(gòu)件(scantlings)也需要更充分的裝甲防御，同時也增大了目標面積，而且轉(zhuǎn)向性能更差。單獨為了節(jié)省功率去過度拉長艦體會很大程度地犧牲其他方面的性能。當然，如果必須達到非常高的航速的話，就要接受巨大艦體長度的相應(yīng)代價。

對“朱諾”號和“風信子”號(Hyacinth)的對比。——將這兩艘船作比較是很有意思的，因為它們具有相同的尺寸和排水量，但是重量分配不一樣，這就使得它們的性能有很大差別。

于是我們可以看到，風信子號跟朱諾號相比具有更快的航速和更強的火炮，而排水量相同。這一差異的原因在于其動力系統(tǒng)的類型。朱諾號使用155磅壓力的筒式鍋爐，其主機為39英寸（1米）沖程、每分鐘140轉(zhuǎn)。風信子號使用300磅蒸汽壓力的水管鍋爐，其主機為30英寸（0.76米）沖程、每分鐘180轉(zhuǎn)。

后者的動力系統(tǒng)在通常最大負載下比前者多了25%的功率輸出，而得益于使用水管鍋爐、提高蒸汽壓力和增加主機轉(zhuǎn)速，其動力重量還要更輕。其主機也更低，從而可以直接塞在防御甲板下方，這就節(jié)省了對氣缸需要相應(yīng)抬高的裝甲防御重量。在動力和裝甲上節(jié)省的重量就可以用于將朱諾號的6門4.7英寸炮替換為6門6英寸炮，于是就得到了一艘戰(zhàn)斗力顯著增強的戰(zhàn)艦。

對“托帕茲”號(Topaze)和“森蒂納爾”號(Sentinel)的對比。——近期的兩個三等巡洋艦設(shè)計，托帕茲號和森蒂納爾號，它們在排水量上差不多，不過性能差別很大。下表展示了這兩艘戰(zhàn)艦的性能諸元：

在后者的例子上，我們看到這艘船只有12磅炮和更小的火炮這樣薄弱的火力，在設(shè)計吃水下僅僅搭載150噸燃煤。其動力可輸出17,000指示馬力推動該艦達到25節(jié)航速。所以為了達到25節(jié)的高速，這艘戰(zhàn)艦只有很小的載重。而在前者的例子上，這艘戰(zhàn)艦可以搭載4英寸炮和更多的燃煤，但是相應(yīng)地只能實現(xiàn)21.75節(jié)航速。我們可以看到將航速從21.75節(jié)增加到25節(jié)，或者說增加15%的航速，意味著需要增加差不多75%的動力功率。

重量分配。——皇家海軍的艦船重量分配細要暫時沒有公開，不過菲利普·瓦茨爵士，K.C.B.，提供了1905年7月I.N.A.之前一型1905年戰(zhàn)列艦設(shè)計的重量分配比，如下：——

設(shè)備，4%；兵裝，19%；動力系統(tǒng)，10.5%；燃煤，5.5%；裝甲，26%；艦體，35%。

下表展示了給日本海軍建造的一些艦船的重量分配，該表取自后來的海軍上將薩索，海軍建造協(xié)會會長(Director of the Naval Construction Corps)。

【注：原文此處可能部分日本艦名拼寫有誤，可能存在偏差】

以上就是本期專欄的全部內(nèi)容了。個人精力有限，不定期更新。有想法或建議歡迎在評論區(qū)留言。?