CN109281774B - 电动泵压式液氧甲烷空间推进系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种电动泵压式液氧甲烷空间推进系统，包括高压气瓶、液氧贮箱、甲烷贮箱、电动泵系统、氧热交换喷射棒、甲烷热交换喷射棒及轨控发动机；其中高压气瓶通过第一管道与液氧贮箱及甲烷贮箱连接；液氧贮箱及甲烷贮箱分别通过第二管道及第三管道与电动泵系统连接；氧热交换喷射棒设置在液氧贮箱内；甲烷热交换喷射棒设置在甲烷贮箱内；电动泵系统通过第四管道与氧热交换喷射棒及轨控发动机连接；电动泵系统通过第五管道与甲烷热交换喷射棒及轨控发动机连接。本发明适用于空间飞行器推进系统，尤其在推进剂加注量较大、轨控发动机需要多次启动的空间推进系统上具有显著的应用优势。
Description
技术领域
本发明涉及空间飞行器动力系统领域，特别涉及一种电动泵压式液氧甲烷空间推进系统。
背景技术
空间化学推进正在向高性能、无毒的低温化学推进技术方向发展，基于液氧/甲烷推进剂组合的空间推进系统具有综合性能高、可重复使用性能好、具备行星原位资源利用等优势，在高性能上面级、行星着陆器、星表基地建设、载人火星探测等领域具有广泛的应用前景。现有的空间推进系统主要采用高压气体挤压式系统方案，部分采用涡轮泵增压式系统方案。随着国内外高性能锂电池技术和高速轻质电动机技术突飞猛进的发展，尤其是Rocketlab公司电动卢瑟福发动机的顺利飞行应用，电动泵压式发动机已经成为化学空间推进的新成员。基于电动泵的空间推进系统：1)相对挤压式推进系统，贮箱压力较低，增压气体用量少，大幅降低了推进系统的结构重量，并能有效提高发动机比冲性能，推进系统性能大幅提高；2)相对涡轮泵压式推进系统，增压组件和发动机推力室解耦，系统复杂度大幅降低，因取消了高温涡轮部件且系统零件数量减少，系统可靠性大幅提高，同时通过控制电机启停和转速便于实现多次启动和发动机推力调节。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种解决现有技术中存在的有毒推进剂比冲性能低、操作维护成本高的问题，挤压式推进系统贮箱压力高、增压气体用量大、系统结构质量大的问题以及涡轮泵压式推进系统结构复杂、多次启动及深度变推力难度大的问题的电动泵压式液氧甲烷空间推进系统。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种电动泵压式液氧甲烷空间推进系统，包括高压气瓶、液氧贮箱、甲烷贮箱、电动泵系统、氧热交换喷射棒、甲烷热交换喷射棒及轨控发动机；其中
所述高压气瓶通过第一管道与所述液氧贮箱及所述甲烷贮箱连接；
所述液氧贮箱及所述甲烷贮箱分别通过第二管道及第三管道与所述电动泵系统连接；
所述氧热交换喷射棒设置在所述液氧贮箱内；
所述甲烷热交换喷射棒设置在所述甲烷贮箱内；
所述电动泵系统通过第四管道与所述氧热交换喷射棒及所述轨控发动机连接；
所述电动泵系统通过第五管道与所述甲烷热交换喷射棒及所述轨控发动机连接。
优选地，所述电动泵系统包括电源、控制盒、液氧电机泵、氧泵驱动器、甲烷电机泵及甲烷泵驱动器；其中
所述电源及所述控制盒通过线缆与所述氧泵驱动器、所述液氧电机泵、所述甲烷泵驱动器及所述甲烷电机泵连接。
优选地，所述氧热交换喷射棒包括氧路J-T阀、液氧喷射套管、氧路芯管及氧路背压孔板；其中
所述氧路J-T阀及所述氧路背压孔板分别安装在所述氧路芯管的入口及出口位置；
所述氧路芯管设置在所述液氧喷射套管内；
所述液氧喷射套管安装在所述液氧贮箱内部。
优选地，所述甲烷热交换喷射棒包括甲烷J-T阀、液甲烷喷射套管、甲烷芯管及甲烷背压孔板；其中
所述甲烷J-T阀及甲烷背压孔板分别安装在所述甲烷芯管的入口及出口位置；
所述甲烷芯管设置在所述液甲烷喷射套管内；
所述液甲烷喷射套管安装在所述甲烷贮箱内部。
优选地，所述轨控发动机包括轨控推力室、液氧阀门及甲烷阀门；其中
所述液氧阀门及所述甲烷阀门设置在所述轨控推力室上；
所述液氧阀门与所述第四管道连接；
所述甲烷阀门与所述第五管道连接。
优选地，在所述第一管道上分别安装有气体加排阀、高压气路压力传感器、气路电爆阀、减压阀、低压气路压力传感器、氧路单向阀、甲烷单向阀、氧箱压力传感器、氧箱安全阀、氧箱排放阀、甲烷箱压力传感器、甲烷箱安全阀及甲烷箱排放阀；其中
所述高压气路压力传感器位于所述气路电爆阀上游，用于测量所述高压气瓶出口的气路压力；
所述低压气路压力传感器位于所述减压阀下游，用于测量所述减压阀下游的气路压力；
所述氧箱压力传感器位于所述氧路单向阀下游，用于测量所述液氧贮箱的压力；
所述甲烷箱压力传感器位于所述甲烷单向阀下游，用于测量所述甲烷贮箱的压力。
优选地，在所述第二管道上分别安装有液氧加排阀、氧路电爆阀、氧路过滤器及液氧泵前压力传感器；其中
所述液氧泵前压力传感器位于所述氧路过滤器下游，用于测量所述液氧电机泵入口前的液路压力。
优选地，在所述第三管道上分别安装有甲烷加排阀、甲烷电爆阀、甲烷过滤器及甲烷泵前压力传感器；其中
所述甲烷泵前压力传感器位于所述甲烷过滤器下游，用于测量所述甲烷电机泵入口前的液路压力。
优选地，在所述第四管道上分别安装有液氧泵后压力传感器、液氧主路自锁阀及液氧循环路自锁阀；其中
所述液氧泵后压力传感器位于所述液氧主路自锁阀及液氧循环路自锁阀上游，用于测量所述液氧电机泵出口的液路压力。
优选地，在所述第五管道上分别安装有甲烷泵后压力传感器、甲烷主路自锁阀及甲烷循环路自锁阀；其中
所述甲烷泵后压力传感器位于所述甲烷主路自锁阀及甲烷循环路自锁阀上游，用于测量所述甲烷电机泵出口的液路压力。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)推进系统采用液氧/甲烷推进剂组合，相对常规有毒推进系统，比冲性能较高，空间飞行器完成相同的总冲任务需要携带的推进剂质量大幅减少，同时推进系统的地面操作与维护成本也较低。
(2)液氧贮箱和甲烷贮箱的工作压力较低，进而爆破压力的指标较低，结构质量较小。
(3)增压氦气的使用量较少，进而高压气瓶的容积较小，结构尺寸和结构质量均较小。
(4)轨控发动机的入口压力较高，进而燃烧室压力较高，在相同的空间飞行器结构尺寸约束下能够实现更高的喷管面积比，发动机比冲性能大幅提高，进而在相同的任务及总冲要求下可以有效地减少推进剂的携带量。
(5)电动泵系统通过驱动器控制电机泵的转速和扬程，进而控制供应发动机的液氧和甲烷的压力与流量，调节方便，能够满足轨控发动机大范围推力调节和多次启停的推进剂供应要求。
(6)电动泵系统配合氧热交换喷射棒和甲烷热交换喷射棒，能有效控制液氧贮箱和甲烷贮箱内推进剂的温度与压力在设定范围内，同时液氧和甲烷的损耗量也较少，能够满足空间飞行器长期在轨工作的使用需求。
本发明适用于空间飞行器推进系统，尤其在推进剂加注量较大、轨控发动机需要多次启动的空间推进系统上具有显著的应用优势。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征目的及优点将会变得更明显。
图1为本发明电动泵压式液氧甲烷空间推进系统结构示意图。
附图标记：1-高压气瓶；2-液氧贮箱；3-甲烷贮箱；4-电动泵系统；5-氧热交换喷射棒；6-甲烷热交换喷射棒；7-轨控发动机；11-第一管道；12-气体加排阀；13-高压气路压力传感器；14-气路电爆阀；15-减压阀；16-低压气路压力传感器；17-氧路单向阀；18-甲烷单向阀；21-第二管道；22-液氧加排阀；23-氧路电爆阀；24-氧路过滤器；25-液氧泵前压力传感器；31-第三管道；32-甲烷加排阀；33-甲烷电爆阀；34-甲烷过滤器；35-甲烷泵前压力传感器；41-线缆；42-电源及控制盒；43-氧泵驱动器；44-液氧电机泵；45-甲烷泵驱动器；46-甲烷电机泵；51-第四管道；52-液氧泵后压力传感器；53-液氧主路自锁阀；54-液氧循环路自锁阀；55-氧路J-T阀；56-液氧喷射套管；57-氧路芯管；58-氧路背压孔板；61-第五管道；62-甲烷泵后压力传感器；63-甲烷主路自锁阀；64-甲烷循环路自锁阀；65-甲烷J-T阀；66-液甲烷喷射套管；67-甲烷芯管；68-甲烷背压孔板；71-轨控推力室；72-轨控液氧阀门；73-轨控甲烷阀门；101-氧箱压力传感器；102-氧箱安全阀；103-氧箱排放阀；104-甲烷箱压力传感器；105-甲烷箱安全阀；106-甲烷箱排放阀。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化及改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供的电动泵压式液氧/甲烷空间推进系统，包括高压气瓶1、液氧贮箱2、甲烷贮箱3、电动泵系统4、氧热交换喷射棒5、甲烷热交换喷射棒6和轨控发动机7，高压气瓶1通过第一管道11与液氧贮箱2和甲烷贮箱3连接，液氧贮箱2和甲烷贮箱3分别通过第二管道21和第三管道31与电动泵系统4连接，电动泵系统4通过第四管道51与氧热交换喷射棒5和轨控发动机7连接，电动泵系统4通过第五管道61与甲烷热交换喷射棒6和轨控发动机7连接。
高压气瓶1内的气体为常温氦气或低温氦气，液氧贮箱2内为低温液态氧，甲烷贮箱3内为低温液态甲烷。
电动泵系统4，包括电源及控制盒42、液氧电机泵44、氧泵驱动器43、甲烷电机泵46和甲烷泵驱动器45，电源及控制盒42通过线缆41与氧泵驱动器43、液氧电机泵44和甲烷泵驱动器45、甲烷电机泵46连接。
氧热交换喷射棒5，包括氧路J-T阀55、液氧喷射套管56、氧路芯管57和氧路背压孔板58，氧路J-T阀55和氧路背压孔板58分别安装在氧路芯管57的入口和出口位置，液氧喷射套管56安装在液氧贮箱2内部。
甲烷热交换喷射棒6，包括甲烷J-T阀65、液甲烷喷射套管66、甲烷芯管67和甲烷背压孔板68，甲烷J-T阀65和甲烷背压孔板68分别安装在甲烷芯管67的入口和出口位置，液甲烷喷射套管66安装在甲烷贮箱3内部。
轨控发动机7，包括轨控推力室71、轨控液氧阀门72和轨控甲烷阀门73，轨控液氧阀门72和轨控甲烷阀门73通过螺钉直接安装在轨控推力室71上。
第一管道11上分别安装有气体加排阀12、高压气路压力传感器13、气路电爆阀14、减压阀15、低压气路压力传感器16、氧路单向阀17、甲烷单向阀18、氧箱压力传感器101、氧箱安全阀102、氧箱排放阀103、甲烷箱压力传感器104、甲烷箱安全阀105和甲烷箱排放阀106。高压气路压力传感器13位于气路电爆阀14上游，用于测量高压气瓶1出口的气路压力。低压气路压力传感器16位于减压阀15下游，用于测量减压阀15下游的气路压力。氧箱压力传感器101位于氧路单向阀17下游，用于测量液氧贮箱2的压力。甲烷箱压力传感器105位于甲烷单向阀18下游，用于测量甲烷贮箱3的压力。
第二管道21上分别安装有液氧加排阀22、氧路电爆阀23、氧路过滤器24和液氧泵前压力传感器25，液氧泵前压力传感器25位于氧路过滤器24下游，用于测量液氧电机泵44入口前的液路压力。
第三管道31上分别安装有甲烷加排阀32、甲烷电爆阀33、甲烷过滤器34和甲烷泵前压力传感器35，甲烷泵前压力传感器35位于甲烷过滤器34下游，用于测量甲烷电机泵46入口前的液路压力。
第四管道51上分别安装有液氧泵后压力传感器52、液氧主路自锁阀53和液氧循环路自锁阀54，液氧泵后压力传感器52位于液氧主路自锁阀53和液氧循环路自锁阀54上游，用于测量液氧电机泵44出口的液路压力。
第五管道61上分别安装有甲烷泵后压力传感器62、甲烷主路自锁阀63和甲烷循环路自锁阀64，甲烷泵后压力传感器62位于甲烷主路自锁阀63和甲烷循环路自锁阀64上游，用于测量甲烷电机泵46出口的液路压力。
本发明提供的电动泵压式液氧/甲烷空间推进系统，主要包括地面加注和在轨工作两个过程：
推进系统地面加注及在轨工作之前，高压气瓶1通过气路电爆阀14与下游管路隔离，液氧贮箱2和甲烷贮箱3分别通过氧路电爆阀23和甲烷电爆阀33与下游管路隔离。
在推进系统地面加注过程中，氦气加注系统与气体加排阀12连接，打开气体加排阀12，将高压氦气加注到高压气瓶1内，通过高压气路压力传感器13实时监测高压气瓶1内的氦气压力，当压力达到设定值后，关闭气体加排阀12，拆除氦气加注系统的连接管路。
在推进系统地面加注过程中，液氧加注系统与液氧加排阀22连接，打开液氧加排阀22，在液氧加注系统端增压将液氧加注到液氧贮箱2内，打开氧箱排放阀103，将加注过程中蒸发汽化的氧气从液氧贮箱2内排出。通过液氧加注系统实时监测加注量，当液氧加注量达到设定质量后，关闭液氧加排阀22，关闭氧箱排放阀103，拆除液氧加注系统的连接管路。
在推进系统地面加注过程中，甲烷加注系统与甲烷加排阀32连接，打开甲烷加排阀32，在甲烷加注系统端增压将液态甲烷加注到甲烷贮箱3内，打开甲烷箱排放阀106，将加注过程中蒸发汽化的甲烷气体从甲烷贮箱3内排出。通过甲烷加注系统实时监测加注量，当甲烷加注量达到设定质量后，关闭甲烷加排阀32，关闭甲烷箱排放阀106，拆除甲烷加注系统的连接管路。
优选地，氦气加注过程、液氧加注过程和甲烷加注过程分开先后实施。
在推进系统在轨工作过程中，首先气路电爆阀14起爆，高压氦气经减压阀15减压至设定压力值后，分别经氧路单向阀17为液氧贮箱2增压，经甲烷单向阀18为甲烷贮箱3增压，使贮箱维持在稳定的工作压力。氧路单向阀17和甲烷单向阀18能够有效地防止液氧贮箱2内的氧蒸汽和甲烷贮箱3内的甲烷蒸汽回流至第一管道11中，进而避免形成混合燃气引发安全隐患。当液氧贮箱2或甲烷贮箱3的压力一旦超过设定的安全值时，氧箱安全阀102或甲烷箱安全阀105开启对贮箱进行泄压。
然后，氧路电爆阀23和甲烷电爆阀33分别起爆，液氧经氧路过滤器24、液氧电机泵44充填至液氧主路自锁阀53和液氧循环路自锁阀54；液甲烷经甲烷过滤器34、甲烷电机泵46充填至甲烷主路自锁阀63和甲烷循环路自锁阀64。
当液氧电机泵44和甲烷电机泵46完成灌泵后，电源及控制盒42按照“泵预冷”指令或者“贮箱冷却”指令，分别通过氧泵驱动器43驱动液氧电机泵44按相应的设定转速工作，以及甲烷泵驱动器45驱动甲烷电机泵46按相应的设定转速工作，然后分别打开液氧循环路自锁阀54和甲烷循环路自锁阀64。液氧经液氧电机泵44被增压，通过液氧循环路自锁阀54后，循环过程如下：1)少量液氧通过氧路J-T阀55膨胀变成低温低压的两相流体后，进入氧路芯管57；2)大部分液氧直接进入液氧喷射套管56，然后与氧路芯管57内的低温低压两相流体进行热交换，变成过冷液氧后喷注回液氧贮箱2内部；3)氧路芯管57内的低温低压两相流体经热交换不断地吸收热量变成过热气体，然后经氧路背压孔板58排到贮箱外部。液甲烷经甲烷电机泵46被增压，通过甲烷循环路自锁阀64后，循环过程如下：1)少量液甲烷通过甲烷J-T阀65膨胀变成低温低压的两相流体后，进入甲烷芯管67；2)大部分液甲烷直接进入液甲烷喷射套管66，然后与甲烷芯管67内的低温低压两相流体进行热交换，变成过冷液甲烷后喷注回甲烷贮箱3内部；3)甲烷芯管67内的低温低压两相流体经热交换不断地吸收热量变成过热气体，然后经甲烷背压孔板68排到贮箱外部。当实时监测的液氧电机泵44和甲烷电机泵46的温度分别达到“泵预冷”指令的设定值之后，或者当实时监测的液氧贮箱2和甲烷贮箱3的温度与压力均分别到达“贮箱冷却”指令的设定值之后，分别关闭液氧循环路自锁阀54和甲烷循环路自锁阀64，然后再分别控制液氧电机泵44和甲烷电机泵46停止工作。
当推进系统完成“泵预冷”指令后，电源及控制盒42按照“轨控发动机工作”指令，分别通过氧泵驱动器43驱动液氧电机泵44按设定转速工作，以及甲烷泵驱动器45驱动甲烷电机泵46按设定转速工作，然后分别打开液氧主路自锁阀53和甲烷主路自锁阀63，增压后的液氧和液甲烷分别充填至轨控发动机7的阀门入口，轨控液氧阀门72和轨控甲烷阀门73按操作指令开关，执行发动机点火工作。当轨控发动机7工作完成后，分别关闭液氧主路自锁阀53和甲烷主路自锁阀63，然后再分别控制液氧电机泵44和甲烷电机泵46停止工作。
优选地，液氧电机泵44和甲烷电机泵46的转速与扬程由电源及控制盒42根据任务需求智能控制，实现液氧和甲烷输送流量及压力的精确控制，满足轨控发动机7大范围推力调节和多次启停的推进剂供应要求，以及液氧贮箱2和甲烷贮箱3内推进剂温度与压力的控制要求。
优选地，当液氧贮箱2或甲烷贮箱3内推进剂的温度或压力分别达到相应的设定上限值后，应及时执行“贮箱冷却”指令。当液氧电机泵44或甲烷电机泵46的温度超出相应的设定上限值后，若要执行“轨控发动机工作”指令，必须先执行“泵预冷”指令。贮箱冷却过程和轨控发动机工作过程分开实施。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种电动泵压式液氧甲烷空间推进系统，其特征在于，包括高压气瓶、液氧贮箱、甲烷贮箱、电动泵系统、氧热交换喷射棒、甲烷热交换喷射棒及轨控发动机；其中
所述高压气瓶通过第一管道与所述液氧贮箱及所述甲烷贮箱连接；
所述液氧贮箱及所述甲烷贮箱分别通过第二管道及第三管道与所述电动泵系统连接；
所述氧热交换喷射棒设置在所述液氧贮箱内；
所述甲烷热交换喷射棒设置在所述甲烷贮箱内；
所述电动泵系统通过第四管道与所述氧热交换喷射棒及所述轨控发动机连接；
所述电动泵系统通过第五管道与所述甲烷热交换喷射棒及所述轨控发动机连接。
2.根据权利要求1所述的电动泵压式液氧甲烷空间推进系统，其特征在于，所述电动泵系统包括电源、控制盒、液氧电机泵、氧泵驱动器、甲烷电机泵及甲烷泵驱动器；其中
所述电源及所述控制盒通过线缆与所述氧泵驱动器、所述液氧电机泵、所述甲烷泵驱动器及所述甲烷电机泵连接。
3.根据权利要求1所述的电动泵压式液氧甲烷空间推进系统，其特征在于，所述氧热交换喷射棒包括氧路J-T阀、液氧喷射套管、氧路芯管及氧路背压孔板；其中
所述氧路J-T阀及所述氧路背压孔板分别安装在所述氧路芯管的入口及出口位置；
所述氧路芯管设置在所述液氧喷射套管内；
所述液氧喷射套管安装在所述液氧贮箱内部。
4.根据权利要求1所述的电动泵压式液氧甲烷空间推进系统，其特征在于，所述甲烷热交换喷射棒包括甲烷J-T阀、液甲烷喷射套管、甲烷芯管及甲烷背压孔板；其中
所述甲烷J-T阀及甲烷背压孔板分别安装在所述甲烷芯管的入口及出口位置；
所述甲烷芯管设置在所述液甲烷喷射套管内；
所述液甲烷喷射套管安装在所述甲烷贮箱内部。
5.根据权利要求1所述的电动泵压式液氧甲烷空间推进系统，其特征在于，所述轨控发动机包括轨控推力室、液氧阀门及甲烷阀门；其中
所述液氧阀门及所述甲烷阀门设置在所述轨控推力室上；
所述液氧阀门与所述第四管道连接；
所述甲烷阀门与所述第五管道连接。
6.根据权利要求1所述的电动泵压式液氧甲烷空间推进系统，其特征在于，在所述第一管道上分别安装有气体加排阀、高压气路压力传感器、气路电爆阀、减压阀、低压气路压力传感器、氧路单向阀、甲烷单向阀、氧箱压力传感器、氧箱安全阀、氧箱排放阀、甲烷箱压力传感器、甲烷箱安全阀及甲烷箱排放阀；其中
所述高压气路压力传感器位于所述气路电爆阀上游，用于测量所述高压气瓶出口的气路压力；
所述低压气路压力传感器位于所述减压阀下游，用于测量所述减压阀下游的气路压力；
所述氧箱压力传感器位于所述氧路单向阀下游，用于测量所述液氧贮箱的压力；
所述甲烷箱压力传感器位于所述甲烷单向阀下游，用于测量所述甲烷贮箱的压力。
7.根据权利要求2所述的电动泵压式液氧甲烷空间推进系统，其特征在于，在所述第二管道上分别安装有液氧加排阀、氧路电爆阀、氧路过滤器及液氧泵前压力传感器；其中
所述液氧泵前压力传感器位于所述氧路过滤器下游，用于测量所述液氧电机泵入口前的液路压力。
8.根据权利要求2所述的电动泵压式液氧甲烷空间推进系统，其特征在于，在所述第三管道上分别安装有甲烷加排阀、甲烷电爆阀、甲烷过滤器及甲烷泵前压力传感器；其中
所述甲烷泵前压力传感器位于所述甲烷过滤器下游，用于测量所述甲烷电机泵入口前的液路压力。
9.根据权利要求2所述的电动泵压式液氧甲烷空间推进系统，其特征在于，在所述第四管道上分别安装有液氧泵后压力传感器、液氧主路自锁阀及液氧循环路自锁阀；其中
所述液氧泵后压力传感器位于所述液氧主路自锁阀及液氧循环路自锁阀上游，用于测量所述液氧电机泵出口的液路压力。
10.根据权利要求2所述的电动泵压式液氧甲烷空间推进系统，其特征在于，在所述第五管道上分别安装有甲烷泵后压力传感器、甲烷主路自锁阀及甲烷循环路自锁阀；其中
所述甲烷泵后压力传感器位于所述甲烷主路自锁阀及甲烷循环路自锁阀上游，用于测量所述甲烷电机泵出口的液路压力。
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