原標(biāo)題：

Progress in Technology of Main Liquid Rocket Engines of Launch Vehicles in China

摘要：

? ? ? ?運(yùn)載火箭的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是一項(xiàng)重要的航天技術(shù)，代表著一個(gè)國(guó)家的先進(jìn)技術(shù)水平。近年來(lái)，我國(guó)航天事業(yè)取得了令人矚目的成就，液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)也得到了有目共睹的發(fā)展。本文論述了我國(guó)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展過(guò)程。介紹了我國(guó)新一代液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的性能特點(diǎn)和新一代運(yùn)載火箭的飛行試驗(yàn)情況。最后介紹了下一代大推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向和最新進(jìn)展。

引言：

? ? ? ?中國(guó)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷史經(jīng)歷了三個(gè)階段：起步模仿、自主研究和全面創(chuàng)新升級(jí)。中國(guó)目前的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系列包括常溫推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)、低溫推進(jìn)劑（液氫/液氧）發(fā)動(dòng)機(jī)和高壓分級(jí)燃燒循環(huán)（High-Pressure Staged?Combustion，HPSC，按實(shí)際情況指的就是高壓補(bǔ)燃，YF-100系列發(fā)動(dòng)機(jī)）液氧/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

? ? ? ?我國(guó)從上世紀(jì)70年代開(kāi)始研制長(zhǎng)征二號(hào)、長(zhǎng)征三號(hào)、長(zhǎng)征四號(hào)系列運(yùn)載火箭，以750KN級(jí)四氧化二氮/偏二甲肼（N2O4/UDMH）火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為主要的動(dòng)力裝置。借助這些運(yùn)載火箭，我們成功地實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星發(fā)射、載人航天和前兩期的探月工程（繞、落階段）。

? ? ? ?盡管長(zhǎng)征二號(hào)、長(zhǎng)征三號(hào)和長(zhǎng)征四號(hào)家族仍在服役并執(zhí)行大部分的發(fā)射任務(wù)，但有限的發(fā)射能力限制了它們?cè)诂F(xiàn)在的服務(wù)能力。而且要注意的是，它們的推進(jìn)劑不是無(wú)毒或環(huán)保的。中國(guó)在上世紀(jì)90年代初決定進(jìn)行改革，發(fā)展1200KN高壓補(bǔ)燃液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和500KN液氫液氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。而到現(xiàn)在，長(zhǎng)征五號(hào)、長(zhǎng)征六號(hào)、長(zhǎng)征七號(hào)的發(fā)射陸續(xù)常規(guī)化，使我國(guó)運(yùn)載火箭的發(fā)射能力得到了顯著的提高，將全面承擔(dān)我國(guó)空間站建設(shè)，探月工程三四期等任務(wù)。

? ? ? ?進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，為適應(yīng)人類登月和其他航天工程的需要，以及廣闊的深空探索需求，中國(guó)在登月艙、重型運(yùn)載火箭及其推進(jìn)系統(tǒng)等方面進(jìn)行了構(gòu)想和十分先進(jìn)的研究，已確定研制4800KN液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（現(xiàn)稱YF-130，原稱YF-480/YF-460）和2000KN液氫液氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（現(xiàn)稱YF-90，原稱YF-220），這將是我國(guó)大推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制的重點(diǎn)任務(wù)。

我國(guó)現(xiàn)役液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的現(xiàn)狀：

【1】長(zhǎng)征二號(hào)、長(zhǎng)征三號(hào)及長(zhǎng)征四號(hào)家族的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

? ? ? ?長(zhǎng)征二號(hào)、長(zhǎng)征三號(hào)和長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭共有18個(gè)子版本，其中13個(gè)仍在服役。這其中第一個(gè)發(fā)展階段的產(chǎn)物是長(zhǎng)征二號(hào)，這枚運(yùn)載火箭是基于戰(zhàn)略洲際彈道導(dǎo)彈修改而來(lái)的。然后根據(jù)運(yùn)載火箭的技術(shù)和要求進(jìn)行發(fā)展，相繼研發(fā)出長(zhǎng)征三號(hào)、長(zhǎng)征三號(hào)甲和長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭，這三個(gè)運(yùn)載火箭是第二個(gè)發(fā)展階段的產(chǎn)物。在第三階段，長(zhǎng)二捆（長(zhǎng)征二號(hào)E）被研發(fā)并用于商業(yè)發(fā)射。在第四階段，成功研發(fā)出了為載人航天方面設(shè)計(jì)的長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭。長(zhǎng)征二號(hào)、長(zhǎng)征三號(hào)和長(zhǎng)征四號(hào)系列的主發(fā)動(dòng)機(jī)包括YF-20（710KN）、YF-40（49KN）常溫推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，YF-73（44KN）、YF-75（83KN）低溫推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，這四種發(fā)動(dòng)機(jī)是從20世紀(jì)60年代到80年代研發(fā)發(fā)展而來(lái)的，它成功地進(jìn)行了300多次發(fā)射，成為過(guò)去眾多發(fā)射成功的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

? ? ? ?YF-20是常規(guī)運(yùn)載火箭長(zhǎng)征二號(hào)、長(zhǎng)征三號(hào)和長(zhǎng)征四號(hào)系列的主發(fā)動(dòng)機(jī)，它是一種燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的偏二甲肼/四氧化二氮發(fā)動(dòng)機(jī)。它不僅可以作為助推器的發(fā)動(dòng)機(jī)，也可以四引擎并聯(lián)作為它們的一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。

? ? ? ?在二級(jí)，YF-20與游機(jī)進(jìn)行搭配，組成新的推進(jìn)系統(tǒng)以提供動(dòng)力。長(zhǎng)征三號(hào)運(yùn)載火箭還有搭載著 高 性 能?燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)YF-73的三級(jí)，其真空推力44KN，真空比沖420s；長(zhǎng)征三號(hào)甲在第三級(jí)采用了性能更高的YF-75液氫液氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，YF-75由兩臺(tái)單機(jī)組成，并繼續(xù)采用燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)，單機(jī)真空推力83KN，真空比沖440s，長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭的三級(jí)采用常溫推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)YF-40，YF-40依然采用燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)，真空推力49KN，真空比沖303s。

? ? ? ?在這些常規(guī)運(yùn)載火箭的研發(fā)和應(yīng)用中，基本的發(fā)展過(guò)程，即“研究與設(shè)計(jì)-開(kāi)發(fā)與集成-測(cè)試與驗(yàn)證-改進(jìn)-再設(shè)計(jì)”，加上一套適合中國(guó)工業(yè)基礎(chǔ)和管理的研究和發(fā)展方法，這些將是未來(lái)中國(guó)航天事業(yè)發(fā)展的最重要的資產(chǎn)。

【2】新一代運(yùn)載火箭長(zhǎng)征五號(hào)、長(zhǎng)征六號(hào)和長(zhǎng)征七號(hào)的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

①長(zhǎng)征五號(hào)、長(zhǎng)征六號(hào)和長(zhǎng)征七號(hào)的介紹

? ? ? ?我國(guó)新一代運(yùn)載火箭長(zhǎng)征五號(hào)、長(zhǎng)征六號(hào)、長(zhǎng)征七號(hào)等全部采用90年代中期研制的YF-100（1200KN級(jí)）、YF-115（180KN級(jí)）、YF-77（500KN級(jí)）、YF-75D（90KN級(jí)）等新一代高性能環(huán)?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)。這四種新型發(fā)動(dòng)機(jī)顯著提高了我國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)基礎(chǔ)，豐富了我國(guó)運(yùn)載火箭體系，將為運(yùn)載火箭的研發(fā)做出重要貢獻(xiàn)，成為未來(lái)我國(guó)航天事業(yè)的重要基礎(chǔ)。

? ? ? ?1200KN的YF-100是中國(guó)第一臺(tái)富氧分級(jí)燃燒循環(huán)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，180KN的YF-115是第一臺(tái)分級(jí)燃燒循環(huán)的真空發(fā)動(dòng)機(jī)。500KN的YF-77是我國(guó)第一臺(tái)大推力液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，90KN的YF-75D是我國(guó)第一臺(tái)閉式膨脹循環(huán)液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，這表明我國(guó)已全面掌握了液氫液氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)獍l(fā)生器和閉式膨脹循環(huán)的技術(shù)。長(zhǎng)征五號(hào)、長(zhǎng)征六號(hào)和長(zhǎng)征七號(hào)的首次試飛都取得了成功。長(zhǎng)征五號(hào)B向近地軌道（LEO）的發(fā)射能力已達(dá)到25噸。

? ? ? ?長(zhǎng)征六號(hào)于2015年9月20日首飛成功，它是一種兩級(jí)運(yùn)載火箭，用于發(fā)射小型衛(wèi)星，700km太陽(yáng)同步軌道（SSO）的有效載荷能力為500千克。第一級(jí)采用一臺(tái)YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)，第二級(jí)采用一臺(tái)YF-115發(fā)動(dòng)機(jī)。長(zhǎng)征六號(hào)運(yùn)載火箭具有燃料環(huán)保無(wú)毒，發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間短的特點(diǎn)。

? ? ? ?長(zhǎng)征七號(hào)是一種兩級(jí)半運(yùn)載火箭，推進(jìn)劑無(wú)毒，可靠性高，用于中國(guó)載人航天工程的貨運(yùn)飛船發(fā)射，于2016年6月25日首飛成功。長(zhǎng)征七號(hào)的推進(jìn)系統(tǒng)包括在一級(jí)的兩臺(tái)YF-100，四臺(tái)在二級(jí)的YF-115，和每個(gè)助推器一臺(tái)的共四臺(tái)YF-100，它們可以將13.5噸的有效載荷發(fā)射到近地軌道，或使用長(zhǎng)征七號(hào)甲將約7噸的有效載荷發(fā)射到地球靜止轉(zhuǎn)移軌道。

? ? ? ? 長(zhǎng)征五號(hào)是兩級(jí)半運(yùn)載火箭，其動(dòng)力裝置包括一級(jí)的兩臺(tái)YF-77、二級(jí)的兩臺(tái)YF-75D和四個(gè)助推器的共8臺(tái)YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)。它向GTO發(fā)射14噸有效載荷，而它的一級(jí)半版本——長(zhǎng)征五號(hào)B能夠向LEO發(fā)射25噸的有效載荷。2016年11月3日，長(zhǎng)征五號(hào)成功進(jìn)行首飛。然而，2017年7月2日的第二次飛行失敗了。在接下來(lái)的兩年中，我們進(jìn)行了一系列的調(diào)查和試驗(yàn)，以解決有關(guān)液氧渦輪泵結(jié)構(gòu)堅(jiān)固性的問(wèn)題。2019年12月27日，長(zhǎng)征五號(hào)成功進(jìn)行了第三次飛行，驗(yàn)證了調(diào)查和優(yōu)化，成功復(fù)飛。而長(zhǎng)征五號(hào)B于2020年5月5日成功發(fā)射。

②新一代推進(jìn)系統(tǒng)特點(diǎn)

? ? ? ?YF-100是一種大推力、高性能、無(wú)毒、高可靠性的液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。采用先進(jìn)的富氧分級(jí)燃燒循環(huán)和自啟動(dòng)方案，具有大范圍的推力和混合比調(diào)節(jié)能力。攻破了富氧分級(jí)燃燒循環(huán)液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分級(jí)燃燒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和可靠性控制、大范圍的推力調(diào)節(jié)、大功率渦輪泵、大流量高效穩(wěn)定燃燒、推力室可靠的冷卻，新材料的應(yīng)用和工藝等關(guān)鍵技術(shù)。在研究和制造過(guò)程中，開(kāi)發(fā)了50多種新材料，在工程中應(yīng)用了110多種新技術(shù)。YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試時(shí)間超過(guò)57000秒，在長(zhǎng)征五號(hào)首飛前，一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的累計(jì)測(cè)試時(shí)間超過(guò)2000秒。

? ? ? ?YF-115是一種無(wú)毒、高性能、高可靠性的液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。采用分級(jí)燃燒循環(huán)和外啟動(dòng)方案，使其能夠快速啟動(dòng)兩次，并可以在較低的進(jìn)氣壓力下工作。

? ? ? ?YF-77是一種燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)液氫液氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，它是長(zhǎng)征五號(hào)一級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)。在研究過(guò)程中，我們開(kāi)發(fā)和完善了穩(wěn)燃、高壓大型燃燒室冷卻、高性能高功率多級(jí)氫渦輪泵技術(shù)、高性能穩(wěn)燃噴油器、大熱流推力室冷卻等43項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。在長(zhǎng)征五號(hào)首飛之前，YF-77已經(jīng)進(jìn)行了38000秒的測(cè)試，其中有一臺(tái)測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了15次啟動(dòng)。

? ? ? ?YF-75D液氫液氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用于長(zhǎng)征五號(hào)的二級(jí)。發(fā)動(dòng)機(jī)采用閉式膨脹循環(huán)，比沖在國(guó)內(nèi)是最高的。通過(guò)去掉燃?xì)獍l(fā)生器及其它部件，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，提高了YF-75D的可靠性。在YF-75D的研制過(guò)程中，成功地攻克了高空再啟動(dòng)技術(shù)、閉式膨脹機(jī)循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、推力室散熱及燃料膨脹等技術(shù)的難關(guān)。

我國(guó)未來(lái)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展：

①YF-100K

? ? ? ?YF-100是近年來(lái)不斷改進(jìn)和完善的，通過(guò)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用泵后擺推力矢量調(diào)節(jié)、高壓大流量渦輪泵減振、機(jī)電伺服流量調(diào)節(jié)器及控制技術(shù)等，特別是泵后擺推力矢量調(diào)節(jié)，推力與質(zhì)量之比增加了15%。此外，在多發(fā)并聯(lián)的情況下，可以減小發(fā)動(dòng)機(jī)的搖擺空間，使直徑為5m的運(yùn)載火箭在并聯(lián)結(jié)構(gòu)中可以容納7發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)（這里暗指921運(yùn)載火箭）。海平面推力增加至1250kN，海平面比沖增加至302s。修改項(xiàng)目于2016年啟動(dòng)。2017年5月，第一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)成功測(cè)試了50秒。目前已成功通過(guò)11項(xiàng)測(cè)試，累計(jì)運(yùn)行3600秒。

②4800KN級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)【YF-130】

隨著載人航天、探月工程、大規(guī)模深空探測(cè)、人類登月和空間站等工程的推進(jìn)，研制重型運(yùn)載火箭勢(shì)在必行。按照設(shè)想，重型運(yùn)載火箭的助推器和一級(jí)將采用4800KN的液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（YF-130），二級(jí)將采用2200KN的分級(jí)燃燒液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)（YF-90），上面級(jí)將采用250千牛的閉式膨脹循環(huán)液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)（YF-79）。

中國(guó)從2010年開(kāi)始大推力液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的初樣機(jī)研發(fā)。2016年8月，預(yù)燃室和渦輪泵在70%的計(jì)劃工況下成功進(jìn)行了6秒的聯(lián)合熱試驗(yàn)。目前已完成3次預(yù)燃室和渦輪泵聯(lián)合試驗(yàn)。2019年6月，第一臺(tái)整機(jī)樣機(jī)問(wèn)世。

其中有大量的關(guān)鍵技術(shù)有待研究，如逐級(jí)起動(dòng)技術(shù)、大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量調(diào)節(jié)、高壓、高性能、大流量燃燒組件、大功率高性能渦輪泵、高壓大流量調(diào)節(jié)器、低溫閥門、熱試驗(yàn)、健康管理、運(yùn)行維護(hù)、對(duì)機(jī)械和熱環(huán)境的適應(yīng)性等。

③2000KN液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)【YF-90】

2000KN液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)真空比沖453s，將用于重型運(yùn)載火箭的二級(jí)。從我國(guó)液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷史可以看出，其技術(shù)路線是從燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)到膨脹循環(huán)，再到更先進(jìn)的分級(jí)燃燒循環(huán)，其發(fā)展趨勢(shì)是更高的推力、更高的比沖、更先進(jìn)的循環(huán)類型。

對(duì)于2000KN液氫液氧級(jí)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，其關(guān)鍵技術(shù)包括啟停過(guò)程控制技術(shù)、大范圍推力調(diào)節(jié)、高壓氫氧渦輪泵、長(zhǎng)壽命推力室本體散熱導(dǎo)熱、超大型高性能噴管延伸、新材料與制造等。

縮比預(yù)燃器進(jìn)行了10次試驗(yàn)，縮比燃燒室和推力室在2018年進(jìn)行了6次試驗(yàn)。2019年6月，對(duì)全尺寸預(yù)燃室進(jìn)行了4次熱試車，標(biāo)志著我國(guó)大流量預(yù)燃器技術(shù)取得突破。同時(shí)，對(duì)氫氧渦輪泵和預(yù)增壓渦輪泵在液氮供給下進(jìn)行了試驗(yàn)。

④新一代液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)

從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，我國(guó)開(kāi)始研究液氧和碳?xì)?span id="s0sssss00s" class="color-gray-02">（如煤油、甲烷）火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，拿到了了煤油和甲烷的性能數(shù)據(jù)。從2005年開(kāi)始，對(duì)液氧/甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。在隨后的十年中，對(duì)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)獍l(fā)生器和燃燒室進(jìn)行了多次測(cè)試。同時(shí)，研制了基于液氫液氧技術(shù)的液氧甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，并對(duì)一臺(tái)600KN的液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)。

近年來(lái)，液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)越來(lái)越受到人們的關(guān)注，美國(guó)商業(yè)航天公司相繼研制出Raptor和BE-4液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)。而中國(guó)正在研制2000KN液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，將作為新一代運(yùn)輸系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿ρb置，可重復(fù)使用50次以上。與此同時(shí)，中國(guó)商業(yè)航天公司也將研發(fā)重點(diǎn)放在液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)上，其中800KN的天鵲12和150KN的焦點(diǎn)1號(hào)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)均通過(guò)了點(diǎn)火試車測(cè)試。

總結(jié)

根據(jù)近期、中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃，我國(guó)航天正進(jìn)入密集發(fā)射期。我國(guó)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展遵循“一代在用、一代待命、一代在研”的規(guī)律。面對(duì)新的挑戰(zhàn)，我國(guó)液體主泵和動(dòng)力的發(fā)展具有以下特點(diǎn)。

1、在不久的將來(lái)，常溫推進(jìn)劑運(yùn)載火箭將繼續(xù)承擔(dān)重大的發(fā)射任務(wù)，因此加強(qiáng)質(zhì)量管控體系對(duì)保證發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量和穩(wěn)定性具有十分重要的意義。

2、新一代運(yùn)載火箭將發(fā)揮更重要的作用。在發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)化的同時(shí)，應(yīng)不斷提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和適應(yīng)性。

3、4800KN液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)和2000KN液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)正在研制中，它們將成為未來(lái)重型運(yùn)載火箭的主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)。4800KN液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)成功地進(jìn)行了若干次組合渦輪泵預(yù)燃室試驗(yàn)。

4、液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)因其可重復(fù)使用的潛在優(yōu)勢(shì)和制備方便而成為研究的熱點(diǎn)，這可能支持火星探測(cè)和未來(lái)的太空飛行等任務(wù)。

搬運(yùn)件完畢

譯者注：在翻譯本文時(shí)，譯者稍對(duì)原文的語(yǔ)序、內(nèi)容等做出了修改和刪減，以保證各位讀者的閱讀體驗(yàn)和事件的真實(shí)性。

文件翻譯：Falcon 9

文件校對(duì)：Falcon 9

搬運(yùn)件出版方：ASPT-航天科普小組

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原文件出版方：AEROSPACE CHINA

原文件版權(quán)所有：AEROSPACE CHINA?/?TAN Yonghua、 ZHAO Jian、 CHEN Jianhua、XU Zhiyu

出版時(shí)間：當(dāng)?shù)貢r(shí)間2020.02

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