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    深空探測(cè)環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)展

    2022-01-20 05:40:00王晶高文北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所
    國(guó)際太空 2021年12期
    關(guān)鍵詞:木星金星模擬器

    王晶 高文(北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所)

    深空探測(cè)航天器在任務(wù)過程中會(huì)面臨不同于常規(guī)冷黑環(huán)境的復(fù)雜特殊環(huán)境,各種環(huán)境要素是航天器設(shè)計(jì)、研制、發(fā)射、在軌運(yùn)行參數(shù)選擇的依據(jù)。對(duì)月球表面環(huán)境、火星表面環(huán)境及金星表面環(huán)境等深空環(huán)境進(jìn)行梳理,分析國(guó)內(nèi)外的深空環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù),探究未來深空探測(cè)環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展需求,有利于促進(jìn)未來深空探測(cè)任務(wù)持續(xù)長(zhǎng)足發(fā)展。

    1 深空環(huán)境

    月球與深空探測(cè)是了解太陽系、宇宙起源的關(guān)鍵途徑,也是國(guó)家綜合國(guó)力的重要體現(xiàn)。國(guó)內(nèi)將對(duì)地球以外天體開展的空間探測(cè)活動(dòng)稱為深空探測(cè)[1]?,F(xiàn)階段深空探測(cè)任務(wù)主要局限于太陽系內(nèi)部,以月球、火星為重點(diǎn),同時(shí)兼顧太陽系內(nèi)其他行星、衛(wèi)星,如:金星、木星、木衛(wèi)二、土衛(wèi)六等。深空探測(cè)航天器在任務(wù)過程中面臨的環(huán)境主要包括:行星際空間環(huán)境、星球表面環(huán)境等。

    行星際空間環(huán)境

    行星際空間環(huán)境的主要環(huán)境因素為真空環(huán)境、輻射環(huán)境及微流星體等[2]。其真空環(huán)境下氣體壓力為10-9Pa,而輻射環(huán)境包括:銀河宇宙射線、太陽宇宙射線、太陽電磁輻射、太陽風(fēng)等。

    月球表面環(huán)境

    月球表面環(huán)境的主要環(huán)境因素包括真空環(huán)境、低溫環(huán)境、低重力環(huán)境、輻射環(huán)境、月塵地貌等[2]。月表真空度為1.3×10-10Pa;月晝溫度達(dá)400K,月夜溫度可達(dá)90K,極區(qū)隕石坑永久陰影區(qū)溫度可達(dá)40K以下;重力加速度為1/6g;太陽輻射強(qiáng)度為1367W/m2;月表廣泛分布著月塵,月塵微粒長(zhǎng)度介于30nm~20μm之間,形態(tài)以氣泡狀、棱角狀碎片為主,成分以玻璃質(zhì)及納米顆粒金屬鐵為主。

    火星表面環(huán)境

    火星表面環(huán)境的主要環(huán)境因素包括低氣壓大氣環(huán)境、低溫環(huán)境、低重力環(huán)境、輻射環(huán)境、沙塵環(huán)境等[2]?;鹦潜砻鏆怏w主要由95%二氧化碳、2.7%氮?dú)饧捌渌⒘繗怏w構(gòu)成,大氣平均壓強(qiáng)約為700Pa;火星表面溫度最高達(dá)300K,最低可達(dá)150K;重力加速度為3/8g;太陽輻射強(qiáng)度為589W/m2;火星表面風(fēng)速一般為0~20m/s,日間平均風(fēng)速為6~8m/s,夜間為2m/s,塵暴最大風(fēng)速可達(dá)150m/s。

    金星表面環(huán)境

    金星表面環(huán)境的主要環(huán)境因素包括高壓大氣環(huán)境、高溫環(huán)境、輻射環(huán)境、腐蝕環(huán)境等。金星表面氣體由96%二氧化碳、3%氮?dú)饧捌渌喾N弱酸性微量氣體構(gòu)成,壓力最高可達(dá)9MPa;溫度最高可達(dá)750K;太陽輻射強(qiáng)度為2.62kW/m2,重力加速度為0.91g[3];根據(jù)織女星-2(Vega-2)著陸探測(cè)數(shù)據(jù),金星大氣有著較高的風(fēng)速,風(fēng)速隨高度下降而降低,最高可達(dá)100m/s,而表面處接近0。同時(shí),在50~70km高度存在硫酸云。

    其他深空探測(cè)環(huán)境

    1)水星表面環(huán)境。水星作為距太陽最近的行星,其表面的主要環(huán)境因素包括真空環(huán)境、高溫環(huán)境、低重力環(huán)境、輻射環(huán)境等。水星晝夜溫差極大,白天可達(dá)700K,夜晚達(dá)100K;重力加速度為0.38g;水星的太陽輻射強(qiáng)度為9126.6W/m2。

    2)木星與土星環(huán)境。木星及土星是氣態(tài)行星,沒有實(shí)體表面,其主要環(huán)境因素包括大氣環(huán)境、低溫環(huán)境、輻射環(huán)境、磁場(chǎng)環(huán)境等。大氣主要成分是氫氣;具有約120K的表面溫度;木星磁場(chǎng)大約是地球的10倍。

    3)木衛(wèi)二與土衛(wèi)六表面環(huán)境。木衛(wèi)二重力約為0.13g。木衛(wèi)二的大氣層十分稀薄,約10-6Pa。表面溫度約110K。同時(shí),其表面冰層下存在著海洋。土衛(wèi)六重力約為0.14g。同時(shí),土衛(wèi)六具有較為濃厚的大氣層,主要成分為氮?dú)?,表面大氣壓約為150kPa,表面溫度約為100K。

    2 深空探測(cè)環(huán)境模擬試驗(yàn)的必要性

    深空探測(cè)任務(wù)需考慮的環(huán)境要素十分復(fù)雜,隨著任務(wù)目的、形式變化而變化。由于深空探測(cè)任務(wù)的可靠性要求比常規(guī)航天器任務(wù)更高,而且深空探測(cè)任務(wù)的周期長(zhǎng),發(fā)射后如果出現(xiàn)失效事件,很難在任務(wù)期間進(jìn)行直接維修,從而造成經(jīng)濟(jì)上的巨大損失。在過去的月球、火星及金星深空探測(cè)任務(wù)中,發(fā)生了數(shù)次由于環(huán)境因素導(dǎo)致的失效事件。

    1973年,蘇聯(lián)月球-21(Luna-21)和月球車-2(Lunokhod-2)任務(wù)中,月球車-2移動(dòng)時(shí)太陽電池蓋碰到月球表面,機(jī)構(gòu)收攏時(shí),月壤灑落車身,影響車體散熱,最終導(dǎo)致月球車因高溫失效[4]。

    火星表面環(huán)境從數(shù)據(jù)上看起來較為“溫和”,但在低氣壓下,二氧化碳等氣體放電電壓閾值降低20%以上。由此造成維京-2(Viking-2)航天器到達(dá)表面后行波管放大器由于放電燒毀。另外,火星塵沉積影響太陽電池陣的工作效能,導(dǎo)致漫游者號(hào)(Sojourner)火星車在經(jīng)歷火星塵暴后,太陽電池輸出功率下降1.5%[5]。

    金星表面環(huán)境十分嚴(yán)酷,多顆金星(Venera)著陸器由于金星環(huán)境發(fā)生了嚴(yán)重失效事件:Venera-3由于金星表面的高溫而通信中斷,Venera-4、Venera-5由于大氣壓力導(dǎo)致受損,通信中斷,Venera-7由于高溫使得降落傘損毀,Vega-1受到強(qiáng)烈氣流擾動(dòng),使傳感器誤讀數(shù)據(jù),提前在空中啟動(dòng)鉆探程序,導(dǎo)致采樣失敗。達(dá)到金星表面的著陸器在很短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)“死亡”,存活時(shí)間最長(zhǎng)的航天器是Venera-13,其紀(jì)錄為127min[6]。

    環(huán)境因素(月塵、火星塵暴、金星高溫高壓等)導(dǎo)致耗資巨大的深空探測(cè)任務(wù)直接或間接失敗,影響了國(guó)家科學(xué)與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此,深空探測(cè)航天器在地面上進(jìn)行充分必要的環(huán)境試驗(yàn)是航天器任務(wù)成功的關(guān)鍵之一,深空環(huán)境的模擬與試驗(yàn)技術(shù)研究是深空探測(cè)的先期工作。

    3 國(guó)外深空探測(cè)環(huán)境模擬技術(shù)

    月表環(huán)境模擬

    月表環(huán)境與地球軌道環(huán)境存在相似性,截至2021年11月,國(guó)外共有約23個(gè)系統(tǒng)可以在一定程度上對(duì)月表環(huán)境進(jìn)行模擬。

    為配合“阿波羅”(Apollo)探月計(jì)劃,美國(guó)在20世紀(jì)60年代設(shè)計(jì)并建造了空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備Chamber A。該系統(tǒng)位于休斯敦的約翰遜航天中心(JSC),具備太陽輻射、真空、冷黑環(huán)境、低重力的綜合模擬能力,但未考慮月球塵埃、地形等環(huán)境因素。該系統(tǒng)為評(píng)估月球車的交通能力,月塵對(duì)系統(tǒng)熱輻射性能的影響等開展了一些小規(guī)模的環(huán)境模擬試驗(yàn)。

    Chamber A(左)與ARGOS(右)

    在重返月球、探測(cè)火星等的任務(wù)需求下,2011年約翰遜航天中心研制了主動(dòng)重力補(bǔ)償系統(tǒng)(ARGOS),首次利用了垂直懸吊法實(shí)現(xiàn)了重力補(bǔ)償。

    火星表面環(huán)境模擬

    截至2021年11月,國(guó)外共有9個(gè)系統(tǒng)能在一定程度上對(duì)火星環(huán)境進(jìn)行模擬。下面分別對(duì)火星表面無風(fēng)、有風(fēng)環(huán)境的模擬進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

    25-foot空間模擬器實(shí)景圖

    1)火星表面無風(fēng)環(huán)境模擬。美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)的25-foot立式空間模擬器,其直徑7.7m、高25.7m,曾用于漫游者號(hào)、勇氣號(hào)(Spirit)和機(jī)遇號(hào)(Opportunity)火星車的巡航熱試驗(yàn)??臻g模擬器配置有真空系統(tǒng)、氮系統(tǒng)、熱沉系統(tǒng)、太陽模擬器和紅外加熱裝置。在進(jìn)行真空熱試驗(yàn)時(shí),真空度在10-6Pa量級(jí),熱沉溫度范圍為88~398K。

    2)火星表面有風(fēng)環(huán)境模擬。盧瑟福-阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室空間環(huán)境模擬器(STC)是直徑3m、長(zhǎng)5.5m的臥式不銹鋼真空容器,曾用于獵兔犬-2(Beagle-2)火星著陸器的熱平衡試驗(yàn)。系統(tǒng)配置有太陽模擬器、熱沉、氣氮調(diào)溫系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)和鼓風(fēng)系統(tǒng)。太陽模擬器可提供A類光譜的模擬,其有效輻照面積為φ800mm,輻照度為0~600W/m2,輻照不均勻度為±5%;熱沉溫度范圍為160~220K;壓力控制系統(tǒng)可將STC容器內(nèi)的壓力維持在700Pa,控制精度為±50Pa;鼓風(fēng)系統(tǒng)可以制造出流速為0~10m/s的CO2氣流來模擬火星風(fēng)。

    美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的10-foot空間模擬器曾用于漫游者號(hào)、勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)火星車的著陸巡視階段熱試驗(yàn)。10-foot空間模擬器主要由溫度可控的銅基板、用于模擬空間溫度環(huán)境的溫度可控平板、風(fēng)力產(chǎn)生器和用于控制風(fēng)溫的溫度補(bǔ)償板組成??梢阅M火星表面環(huán)境、近地表大氣溫度、火星晝夜天空環(huán)境和火星風(fēng)。具體模擬指標(biāo)為大氣溫度145~295K、氣體壓力100~1300Pa、風(fēng)速6m/s和12m/s。

    10-foot空間模擬器實(shí)景圖

    金星表面環(huán)境模擬

    2021年6月,NASA公布了最新的金星探測(cè)計(jì)劃,預(yù)計(jì)在2028-2030年間發(fā)射兩個(gè)金星探測(cè)器—達(dá)芬奇+(Davinci+)和真理(Veritas),其主要科學(xué)目標(biāo)分別是:探測(cè)金星近表面大氣環(huán)境及金星表面地質(zhì)分布圖[7]。截至2021年11月,國(guó)外共有12個(gè)系統(tǒng)可以在一定程度上對(duì)金星的溫度、壓力與氣體組分進(jìn)行模擬,但大部分受限于容積(不超過15L),只能做材料級(jí)試驗(yàn)。

    國(guó)外最大的金星表面環(huán)境模擬容器為格蘭中心的極端環(huán)境平臺(tái)(GEER),其包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、氣體混合系統(tǒng)、溫度與壓力控制系統(tǒng)以及氣體檢測(cè)系統(tǒng)。容器主體材料為306不銹鋼,內(nèi)表面采用銅鎳合金[8],內(nèi)徑0.914m,長(zhǎng)1.219m。

    GEER模擬溫度可達(dá)750K,模擬壓力可達(dá)9MPa,模擬氣體包括CO2、N2、H2O、SO2、CO、OCS、NO、HCI。氣體混合系統(tǒng)由9個(gè)獨(dú)立氣罐及質(zhì)量流量控制器組成,氣體控制精度為ppm級(jí),并利用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)方法測(cè)量氣體組分,氣體檢測(cè)精度為ppm級(jí)。

    GEER整體圖

    氣體混合裝置(左)與FTIR氣體檢測(cè)裝置(右)

    木星探測(cè)環(huán)境模擬

    木星探測(cè)一般分為環(huán)繞探測(cè)方式與進(jìn)入大氣探測(cè)方式,分別對(duì)應(yīng)了木星軌道環(huán)境試驗(yàn)及木星大氣試驗(yàn)。對(duì)于木星軌道環(huán)境試驗(yàn),由于環(huán)境的相似性,可利用月表環(huán)境模擬容器進(jìn)行試驗(yàn),國(guó)外共有23個(gè)系統(tǒng)可以在一定程度上對(duì)木星軌道的溫度、壓力進(jìn)行模擬;對(duì)于木星大氣環(huán)境試驗(yàn),可改造金星環(huán)境模擬容器用以試驗(yàn),國(guó)外共有12個(gè)系統(tǒng)可以在一定程度上對(duì)木星的氣體環(huán)境進(jìn)行模擬。

    木星冰衛(wèi)星探索者(JUICE)計(jì)劃是歐洲最大的木星探測(cè)任務(wù),計(jì)劃2022年發(fā)射,2030年到達(dá)木星軌道,對(duì)木星的3顆衛(wèi)星(木衛(wèi)二、木衛(wèi)三及木衛(wèi)四)開展至少3年的近距離探測(cè)。JUICE任務(wù)探測(cè)器于2021年6月在大型空間模擬器(LSS)內(nèi)進(jìn)行了熱真空試驗(yàn)。LSS是歐洲最大的空間模擬器,于1986年建成,主要包括主模擬容器、輔助室、熱沉、太陽模擬器系統(tǒng)、高真空系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)模擬器、設(shè)備數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等7個(gè)子系統(tǒng)。主模擬容器直徑10m、高15m;熱沉溫度100±5K;極限壓力3×10-5Pa;太陽模擬器輻照強(qiáng)度可達(dá)2700kW/m2。

    木星探測(cè)器JUICE熱真空試驗(yàn)

    對(duì)于木星大氣環(huán)境試驗(yàn),可改造金星環(huán)境模擬容器用以試驗(yàn)。例如:佐治亞理工學(xué)院的超高溫壓力系統(tǒng)(UHTPS),其主體部分由溫度容器、壓力容器構(gòu)成。壓力容器由304不銹鋼制成,長(zhǎng)0.46m,直徑0.04m,體積為29.9L,模擬溫度為616K、模擬壓力為10MPa,氣體環(huán)境為CO2、N2或H2、He,無氣體成分檢測(cè)設(shè)備,系統(tǒng)整體質(zhì)量超過1283kg。

    對(duì)于木星磁場(chǎng)環(huán)境試驗(yàn),則考慮在木星軌道空間下典型等離子體環(huán)境導(dǎo)致航天器表面充放電失效的影響。

    高輻照太陽模擬

    歐洲空間技術(shù)中心(ESTEC)于2010年更新了LSS內(nèi)的太陽模擬器,成為全球唯一能夠進(jìn)行高輻照的太陽模擬系統(tǒng),用于“貝皮-科倫坡”(BepiColombo)水星探測(cè)任務(wù)與近距離太陽觀測(cè)任務(wù)(Solar Orbiter)。BepiColombo探測(cè)器于2018年10月20日發(fā)射升空,計(jì)劃于2025年抵達(dá)水星軌道。

    該系統(tǒng)可進(jìn)行17940kW/m2太陽輻照試驗(yàn),由燈室、遮光筒、水冷擋板、光學(xué)窗口、電源控制系統(tǒng)和循環(huán)水系統(tǒng)組成,燈室由1盞25kW/32kW水冷氙燈和聚光鏡組成,聚光鏡面形為拋物面,直徑為1000mm,氙燈位置可通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行調(diào)整;遮光筒內(nèi)部直徑約800mm,水冷擋板位于遮光筒端部,可以在需要時(shí)對(duì)光路進(jìn)行短暫遮擋。

    “貝皮-科倫坡”探測(cè)器熱控模擬件在LSS內(nèi)進(jìn)行太陽輻照試驗(yàn)

    4 國(guó)內(nèi)深空探測(cè)環(huán)境模擬技術(shù)

    國(guó)內(nèi)的整星深空探測(cè)環(huán)境模擬技術(shù)起步較晚,目前只有北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所具備整星的深空探測(cè)環(huán)境模擬技術(shù),并結(jié)合型號(hào)進(jìn)行了試驗(yàn)。

    月表環(huán)境模擬

    月球是現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)深空探測(cè)的重點(diǎn)。月球表面環(huán)境的低溫、月塵等模擬技術(shù)日趨成熟,航天器熱真空試驗(yàn)技術(shù)能夠滿足月表環(huán)境下的熱邊界條件模擬要求。

    KM6載人航天器環(huán)境模擬是三艙組合的、中國(guó)第二大的空間環(huán)境模擬容器,包括真空容器、熱沉、真空系統(tǒng)、液氮系統(tǒng)、氣氮系統(tǒng)、氦系統(tǒng)、載人試驗(yàn)系統(tǒng)、紅外熱流模擬系統(tǒng)、總控制系統(tǒng)等9個(gè)子系統(tǒng)。主容器直徑12m、高22.4m;載人試驗(yàn)艙容器直徑5m、長(zhǎng)15m;熱沉溫度100K;極限真空度4.5×10-6Pa。能夠進(jìn)行航天器熱平衡、熱真空及太陽電池陣、天線可展開機(jī)構(gòu)的展開試驗(yàn)。同時(shí),國(guó)內(nèi)建立了800m2月貌模擬環(huán)境。

    嫦娥三號(hào)任務(wù)試驗(yàn)在北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所的KM6設(shè)備中完成了整星試驗(yàn)。低溫環(huán)境可通過氣氦制冷以模擬40K的環(huán)境溫度。另外,國(guó)內(nèi)還開展了真空低溫環(huán)境下移動(dòng)式多體低重力模擬技術(shù)研究,研制了基于懸掛方式的低重力環(huán)境模擬系統(tǒng),懸掛系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤精度可達(dá)0.8mm。

    嫦娥三號(hào)任務(wù)真空熱試驗(yàn)

    嫦娥三號(hào)月表模擬

    火星表面環(huán)境模擬

    1)火星車低氣壓無風(fēng)熱環(huán)境模擬。北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所針對(duì)KM6載人試驗(yàn)艙(KM6F)的氣氮調(diào)溫?zé)岢?、壓力控制、氣體溫度測(cè)量等方面進(jìn)行了改造設(shè)計(jì)。2017年3月,火星車熱控模擬器在KM6F中進(jìn)行了火星無風(fēng)環(huán)境模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)中對(duì)熱沉溫度進(jìn)行了精確控制,高溫端熱沉溫度335K,低溫端熱沉溫度138K。氣體極限低溫達(dá)到170K,升/降溫速率大于0.5℃/min。

    2)火星車低氣壓有風(fēng)熱環(huán)境模擬。在無風(fēng)熱環(huán)境模擬基礎(chǔ)上,國(guó)內(nèi)研制了一套包括低氣壓風(fēng)速模擬系統(tǒng)、低氣壓風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)、氣體溫度控制系統(tǒng)、氣體壓力控制系統(tǒng)、火星車姿態(tài)控制系統(tǒng)的火星車低氣壓有風(fēng)熱環(huán)境模擬系統(tǒng)。在真空容器內(nèi)增加風(fēng)道、風(fēng)扇、導(dǎo)流板、整流網(wǎng)等裝置,采用直流吸氣的方式,實(shí)現(xiàn)火星表面0~20m/s的均勻風(fēng)速模擬。完成了火星車的低壓有風(fēng)熱平衡試驗(yàn)。

    該系統(tǒng)試驗(yàn)段圓筒直徑2.5m以上,長(zhǎng)度大于3m,可實(shí)現(xiàn)火星表面0~20m/s的風(fēng)速模擬;火星表面150~300K的氣體溫度模擬和火星表面150~1600Pa的壓力模擬,氣體成分為CO2或N2;同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)火星車不同的姿態(tài)控制,轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍為-90°~90°。在此系統(tǒng)內(nèi)完成了祝融號(hào)火星車的試驗(yàn)。

    金星表面環(huán)境模擬

    國(guó)內(nèi)建造了目前世界范圍內(nèi)最大的金星近表面環(huán)境模擬設(shè)備,其內(nèi)徑為1m,長(zhǎng)為1.6m。金星表面環(huán)境模擬系統(tǒng)具有氣體存儲(chǔ)、氣體檢測(cè)、溫度及壓力檢測(cè)、緊急泄壓等子系統(tǒng)。模擬溫度上限為780K,模擬壓力上限為9.8MPa,可模擬氣體環(huán)境為CO2、N2、H2O、SO2、CO、OCS、H2S、HCI 以及HF,氣體控制精度為ppm級(jí),通過氣相色譜儀進(jìn)行氣體成分檢測(cè),檢測(cè)精度為ppm級(jí)。

    金星表面環(huán)境模擬裝置

    5 結(jié)語

    通過對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有深空環(huán)境模擬技術(shù)總結(jié),結(jié)合對(duì)未來深空探測(cè)環(huán)境模擬需求,國(guó)內(nèi)的深空探測(cè)環(huán)境模擬目前仍需發(fā)展包括月面真空熱低重力綜合環(huán)境模擬,月球極區(qū)大空間深低溫環(huán)境模擬,面向金星著陸探測(cè)的金星大氣模擬環(huán)境原位測(cè)試方法研究,面向火星著陸探測(cè)的高速沙塵模擬試驗(yàn)技術(shù)研究,面向金星、水星、近太陽探測(cè)的極高太陽常數(shù)模擬,面向木星系探測(cè)任務(wù)的強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)研究等相關(guān)技術(shù)。深空探測(cè)環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展必將推動(dòng)中國(guó)的深空探測(cè)走得更快、更遠(yuǎn)!

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