CN111688911A - 一种基于四角星形剪叉机构与可变长度肋板的变形翼装置 - Google Patents

一种基于四角星形剪叉机构与可变长度肋板的变形翼装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于四角星形剪叉机构与可变长度肋板的变形翼装置，属于航空航天领域。解决了目前变形翼存在变形功能单一，只能单独实现变后掠、变面积和变展长中的一种变形，且无法保证较大的表面变形率的问题。它包括四角星形剪叉联动骨架、蒙皮、水平向驱动机构和竖直向驱动机构，所述四角星形剪叉联动骨架上安装有多个蜂窝翼肋，所述多个蜂窝翼肋之间设置有多个维形桁条，在多个蜂窝翼肋和多个维形桁条的上下表面粘合固定蒙皮，所述四角星形剪叉联动骨架上设置有水平向驱动机构和竖直向驱动机构，通过水平向驱动机构和竖直向驱动机构的驱动实现四角星形剪叉联动骨架的变形。它主要用于变形翼。

Description

一种基于四角星形剪叉机构与可变长度肋板的变形翼装置
技术领域
本发明属于航空航天领域，特别是涉及一种基于四角星形剪叉机构与可变长度肋板的变形翼装置。
背景技术
常规的固定翼飞行器一般是针对单一飞行状态下气动效率最优的情况进行设计的，无法做到在飞行包线的各个状态都具有最佳的气动效率。典型的飞行任务一般由几个不同的操作环节组成，且飞行器往往需要完成多种组合任务，常规的固定翼飞行器很难满足飞行器对多任务执行能力的需求。飞行器在实际飞行过程中需要面临不同的飞行环境，这就需要飞行器的机翼形状能够进行相应的变化，以使其气动性能在不同飞行状态下都达到最佳状态。例如，在巡航过程中，需要飞行器具有较大的升阻比，从而提高飞行器的有效航程；在突袭和攻击过程中，需要飞行器具有较小的阻力和可操控性，便于其实现高速飞行和高机动性；在起飞和降落过程中，需要飞行器具有较大升力特性，便于飞行器在较短的距离内实现安全起降。像自然界中鸟、蝙蝠和昆虫等飞行生物一样，变体飞行器可以通过改变气动外形和结构形状来扩展其空气动力学飞行包线，显著提高飞行器的适用范围和飞行效率，实现飞行器执行多任务的能力。变体飞行器技术作为现代航空航天领域的前沿技术，是未来飞行器的一个重要发展方向。
在技术推动和需求拉动的综合作用下，变体飞行器吸引了大批研究机构和学者进行研究。20世纪80年代，美国宇航局发起了两项致力于变体飞行器研究的计划：主动柔性机翼项目和任务自适应机翼项目。在完成以上两个前期探索项目之后，美国又于20世纪90年代和21世纪初开展了智能材料与结构验证项目、飞行器变形项目、主动气动弹性机翼项目和可变形飞行器结构项目等。与美国的研究计划相对应，欧盟也于2002年开启了多项变体飞行器相关项目的研究，包括主动的气动弹性飞机结构2项目、机翼先进操作技术项目、新一代飞行器概念研究项目、智能固定翼飞行器项目、智能飞行器结构项目、新型飞行器配置项目和变体项目等。在大量相关研究项目的资助下，欧美等西方国家在变体飞行器领域的研究一直处于领先地位。
根据不同任务和不同飞行条件，可变形飞行器可以改变其自身构型(主要指机翼)，以实现综合性能最优、降低油耗、扩展飞行包线等。根据机翼变形尺寸，可以将可变形飞行器分为大尺寸变形、中尺寸变形和小尺寸变形。大尺寸变形机翼包括：折叠翼、后掠翼、变展长机翼、可展开机翼；中尺寸变形机翼包括：扭转机翼、变翼尖机翼、变弦长机翼和变弯度机翼；小尺寸变形机翼包括：变翼型厚度机翼和蒙皮鼓包机翼。变形技术可以给传统固定翼飞行器带来很多好处。例如，战斗机如果具有折叠翼或者后掠翼，可以使其同时兼顾高速和低速的飞行性能、减少油耗、增加航程；飞机具有变弦长翼或变弯度翼，可以缩短起降距离；变展长机翼、变翼尖机翼和扭转机翼可以提飞机高低速飞行时的气动性能。
综上所述，现有变形翼存在变形功能单一，只能单独实现变后掠、变面积和变展长中的一种变形，且无法保证较大的表面变形率。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种基于四角星形剪叉机构与可变长度肋板的变形翼装置。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于四角星形剪叉机构与可变长度肋板的变形翼装置，它包括四角星形剪叉联动骨架、蒙皮、水平向驱动机构和竖直向驱动机构，所述四角星形剪叉联动骨架上安装有多个蜂窝翼肋，所述多个蜂窝翼肋之间设置有多个维形桁条，在多个蜂窝翼肋和多个维形桁条的上下表面粘合固定蒙皮，所述四角星形剪叉联动骨架上设置有水平向驱动机构和竖直向驱动机构，通过水平向驱动机构和竖直向驱动机构的驱动实现四角星形剪叉联动骨架的变形。
更进一步的，所述蒙皮为橡胶-碳纤维复合蒙皮。
更进一步的，所述橡胶-碳纤维复合蒙皮由多个平行的碳纤维棒和多个平行的芳纶纤维线相互正交层叠嵌入硅橡胶组成，橡胶-碳纤维复合蒙皮沿碳纤维棒垂直翼肋方向与多个蜂窝翼肋及多个维形桁条上下表面粘接。
更进一步的，所述四角星形剪叉联动骨架包括支撑座、多个底座、多个水平铰链单元和多个竖直铰链单元，所述支撑座上设置有导轨，所述多个底座顺次均布在导轨上，多个水平铰链单元之间平行布置，由前至后长度依次递增，多个竖直铰链单元之间平行布置，由下至上长度依次递减，所述水平铰链单元和竖直铰链单元均由杆件铰接组成连杆机构，所述水平铰链单元与竖直铰链单元相互铰接，最下端竖直铰链与底座铰接。
更进一步的，所述多个蜂窝翼肋依次分别与对应的竖直铰链单元铰接，多个蜂窝翼肋之间平行设置，由下至上长度成比例递减。
更进一步的，所述多个维形桁条分别与对应的蜂窝翼肋铰接，多个维形桁条之间平行设置，长度成比例递增。
更进一步的，所述水平向驱动机构包括支座、导轨丝杠、联轴器和电机，所述支座与支撑座固定连接，所述导轨丝杠穿过支座后通过联轴器与电机相连，所述导轨丝杠上螺接有滑块，所述滑块与底座相连。
更进一步的，所述竖直向驱动机构包括安装板和电动推杆，所述电动推杆两端通过安装板与蜂窝翼肋铰接。
更进一步的，所述蜂窝翼肋的泊松比为零。
更进一步的，所述四角星形剪叉联动骨架的自由度为二。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决目前变形翼存在变形功能单一，只能单独实现变后掠、变面积和变展长中的一种变形，且无法保证较大的表面变形率的问题。
本发明的变形机翼装置可以在改变后掠角的同时单独实现变面积、变展长、变弦长。本发明的变形翼装置由内测的四角星形剪叉联动骨架和外侧的橡胶-纤维复合蒙皮构成，当四角星形剪叉联动骨架进行变形时，粘接在四角星形剪叉联动骨架上的橡胶-纤维复合蒙皮随之运动，实现变形翼装置整体的伸展和收拢。通过四角星形剪叉联动骨架的动作能够实现机翼展长、弦长、面积以及后掠角的变化。变形翼装置可以用于飞行器机翼部分的变形。本发明的弦长变化率为141％，展长变化率为121％，面积变化率为118％。
本发明水平方向通过控制单电机推动丝杠导轨进行直线运动，可将直线运动转化为与支座铰接的铰链单元的回转运动，竖直方向采用电动推杆多并联驱动，可将直线运动转化为与推杆末端铰接的蜂窝翼肋的回转运动，由于四角星形剪叉联动骨架由各组铰链单元、蜂窝翼肋及维形桁条通过回转副连接在一起，因此通过控制水平和竖直方向驱动的运动，即可达到控制整个结构的伸展运动。
本发明结构简单，生产安装比较方便，适用于大规模生产制造，制造成本低。
附图说明
图1为本发明所述的一种基于四角星形剪叉机构与可变长度肋板的变形翼装置结构示意图；
图2为本发明所述的四角星形剪叉联动骨架结构示意图；
图3为本发明所述的四角星形剪叉联动骨架初始状态示意图；
图4为本发明所述的四角星形剪叉联动骨架完全展开状态示意图；
图5为本发明所述的四角星形剪叉联动骨架展长单独收缩状态示意图；
图6为本发明所述的四角星形剪叉联动骨架弦长单独收缩状态示意图。
1-四角星形剪叉联动骨架，2-蒙皮，3-支撑座，4-支座，5-导轨丝杠，6-联轴器，7-电机，8-第一维形桁条，9-第二维形桁条，10-第三维形桁条，11-第一蜂窝翼肋，12-第二蜂窝翼肋，13-第三蜂窝翼肋，14-第四蜂窝翼肋，15-第一底座，16-第二底座，17-第三底座，18-第四底座，19-第一铰链，20-安装板，21-电动推杆，22-第三铰链，23-第二铰链，24-第一水平铰链单元，25-第二水平铰链单元，26-第三水平铰链单元，27-第四水平铰链单元，28-第一竖直铰链单元，29-第二竖直铰链单元，30-第三竖直铰链单元，31-第四竖直铰链单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。
参见图1-6说明本实施方式，一种基于四角星形剪叉机构与可变长度肋板的变形翼装置，它包括四角星形剪叉联动骨架1、蒙皮2、水平向驱动机构和竖直向驱动机构，所述四角星形剪叉联动骨架1上安装有多个蜂窝翼肋，所述多个蜂窝翼肋之间设置有多个维形桁条，在多个蜂窝翼肋和多个维形桁条的上下表面粘合固定蒙皮2，所述四角星形剪叉联动骨架1上设置有水平向驱动机构和竖直向驱动机构，通过水平向驱动机构和竖直向驱动机构的驱动实现四角星形剪叉联动骨架1的变形。
本实施例所述蒙皮2为橡胶-碳纤维复合蒙皮。所述橡胶-碳纤维复合蒙皮由多个平行的碳纤维棒和多个平行的芳纶纤维线相互正交层叠嵌入硅橡胶组成，橡胶-碳纤维复合蒙皮沿碳纤维棒垂直翼肋方向与多个蜂窝翼肋及多个维形桁条上下表面粘接。所述四角星形剪叉联动骨架1包括支撑座3、多个底座、多个水平铰链单元和多个竖直铰链单元，所述支撑座3上设置有导轨，所述多个底座顺次均布在导轨上，多个水平铰链单元之间平行布置，由前至后长度依次递增，多个竖直铰链单元之间平行布置，由下至上长度依次递减，所述水平铰链单元和竖直铰链单元均由杆件铰接组成连杆机构，所述水平铰链单元与竖直铰链单元相互铰接，最下端竖直铰链与底座铰接。所述多个蜂窝翼肋依次分别与对应的竖直铰链单元铰接，多个蜂窝翼肋之间平行设置，由下至上长度成比例递减。所述多个维形桁条分别与对应的蜂窝翼肋铰接，多个维形桁条之间平行设置，长度成比例递增。所述水平向驱动机构包括支座4、导轨丝杠5、联轴器6和电机7，所述支座4与支撑座3固定连接，所述导轨丝杠5穿过支座4后通过联轴器6与电机7相连，所述导轨丝杠5上螺接有滑块，所述滑块与底座相连。所述竖直向驱动机构包括安装板20和电动推杆21，所述电动推杆21两端通过安装板20与蜂窝翼肋铰接。所述蜂窝翼肋的泊松比为零。所述四角星形剪叉联动骨架1的自由度为二。
本实施例底座数量为四个，分别为第一底座15、第二底座16、第三底座17和第四底座18，四个底座顺次均布在支撑座3的导轨上，竖直铰链单元数量为四个，分别为第一竖直铰链单元28、第二竖直铰链单元29、第三竖直铰链单元30和第四竖直铰链单元31，水平铰链单元数量为四个，分别为第一水平铰链单元24、第二水平铰链单元25、第三水平铰链单元26和第四水平铰链单元27。
第一竖直铰链单元28包括两个V型铰链组件和三个X型剪铰组件，每个V型剪铰组件由两个杆件呈V字形铰接在一起构成，X形剪铰组件由两个杆件呈X字形铰接在一起构成，其中一个V型铰链组件一侧端部与支撑座3或与之对应的第一底座15铰接，另一个V型铰链组件一侧端部与支撑座3或与之对应的第四底座18铰接，位于端部的两个X型剪铰组件的一侧端部分别与第一底座15、第二底座16和第三底座17、第四底座18对应部位铰接，位于中部的X型剪铰组件的一侧端部分别与第二底座16和第三底座17对应部位铰接，三个X型剪铰组件依次铰接构成平行四边形连杆机构，位于端部的两个X型剪铰组件的端部分别与两个V型铰链组件的端部铰接构成平行四边形连杆机构。
第二竖直铰链单元29包括两个V型铰链组件和两个X型剪铰组件，其中一个V型铰链组件的铰接处与第一水平铰链单元24对应部位铰接，另一个V型铰链组件的铰接处与第四水平铰链单元27对应部位铰接，两个X型剪铰组件的铰接处分别与第二水平铰链单元25和第三水平铰链单元26的对应部位铰接，两个X型剪铰组件之间相铰接构成平行四边形连杆机构，两个X型剪铰组件的端部分别与两个V型铰链组件的端部铰接构成平行四边形连杆结构。
第三竖直铰链单元30包括两个V型铰链组件和一个X型剪铰组件，其中一个V型铰链组件的铰接处与第二水平铰链单元25对应部位铰接，另一个V型铰链组件的铰接处与第四水平铰链单元27对应部位铰接，X型剪铰组件的铰接处与第三水平铰链单元26的对应部位铰接，X型剪铰组件的端部分别与两个V型铰链组件的端部铰接构成平行四边形连杆结构。
第四竖直铰链单元31包括由两个杆件呈V字形铰接在一起构成，其中一个杆件端部与第三水平铰链组件26的对应部位铰接，另一个杆件端部与第四水平铰链组件27的对应部位铰接。
第一水平铰链单元24包括两个V型铰链组件，其中一个V型铰链组件的铰接处与第一竖直铰链单元28对应部位铰接，另一个V型铰接组件的铰接处与第二竖直铰链单元29对应部位铰接，两个V型铰链组件的端部相互铰接构成平行四边形连杆机构。
第二水平铰链单元25包括两个V型铰链组件和一个X型剪铰组件，其中一个V型铰链组件的铰接处与第一竖直铰链单元28对应部位铰接，另一个V型铰链组件的铰接处与第三竖直铰链单元30对应部位铰接，X型剪铰组件的铰接处与第二竖直铰链单元29的对应部位铰接，X型剪铰组件的端部分别与两个V型铰链组件的端部铰接构成平行四边形连杆结构。
第三水平铰链单元26与第四水平铰链单元都包括两个V型铰链组件和两个X型剪铰组件，其中一个V型铰链组件的铰接处与第一竖直铰链单元28对应部位铰接，另一个V型铰链组件的铰接处与第四竖直铰链单元31对应部位铰接，两个X型剪铰组件的铰接处分别与第二竖直铰链单元29和第三竖直铰链单元的对应部位铰接，两个X型剪铰组件之间相铰接构成平行四边形连杆机构，两个X型剪铰组件的端部分别与两个V型铰链组件的端部铰接构成平行四边形连杆结构。
蜂窝翼肋数量为四个，分别为第一蜂窝翼肋11、第二蜂窝翼肋12、第三蜂窝翼肋13和第四蜂窝翼肋14，由内向外依次与第一竖直铰链单元28至第四竖直铰链单元31对应部位铰接，多个蜂窝翼肋之间平行布置，由下至上长度成比例递减。
维形桁条数量为三个，分别为第一维形桁条8、第二维形桁条9和第三维形桁条10，第一维形桁条8分别与第一蜂窝翼肋11和第二蜂窝翼肋12凹槽处对应部位铰接，第二维形桁条9分别与第一蜂窝翼肋11、第二蜂窝翼肋12和第三蜂窝翼肋13凹槽处对应部位铰接，第三维形桁条10分别与第一蜂窝翼肋11、第二蜂窝翼肋12、第三蜂窝翼肋13和第四蜂窝翼肋14凹槽处对应部位铰接。
维形桁条、蜂窝翼肋、底座、水平铰链单元及竖直铰链单元的数量可根据翼展面积要求进行选择，采用模块化设计，机翼面积越大数量越多。
多个蜂窝翼肋之间及多组维形桁条之间通过多组长度不同的铰链单元实现同步运动。如此设置，变形翼机构采用四角星形剪叉联动机构，具有结构紧凑，制造及维护方便、承载量大以及刚性好的优点，在展开与收拢过程中实现各蜂窝翼肋及维形桁条之间的同步运动，最后实现整个机翼的形状变化。
第一竖直铰链单元28通过多个第一铰链19与支撑座3或与之对应的底座铰接，实现四角星形剪叉联动骨架1水平方向驱动变形。多个水平铰链单元与多个竖直铰链单元均通过第二铰链23相互铰接，实现四角星形剪叉联动骨架1的协调变形。多个蜂窝翼肋和多个维形桁条分别通过多个第三铰链22与四角星型剪叉联动骨架1铰接。实现四角星形剪叉联动骨架1的协调变形。
橡胶-纤维复合蒙皮整体呈现鸟翅膀形状，在四角星形剪叉联动骨架1收拢或伸展时，橡胶-纤维复合蒙皮随四角星形剪叉联动骨架剪切伸缩变形，面积变化量大，表面光滑并具有一定的面外刚度。水平向驱动机构采用电机丝杠形式，竖直向驱动机构采用电动推杆形式，可在展开的任意位置实现锁定，实施方式简单，工作稳定可靠。所述变形翼机构需要在水平和竖直方向通过相应的电机驱动带动变形翼装置完成展开以及收拢运动，展开过程稳定，便于控制，且能够在变形翼变后掠和变面积时单独实现变展长以及变弦长的功能。
本装置的工作原理如下：
假定变形翼状态如图5所示，此时单电机导轨丝杠5运作，带动第三底座17在支撑座3导轨上向外滑动，通过第一铰链19铰接在第三底座上的X形剪铰单元端部分别作顺时针及逆时针转动，此时第一竖直铰链单元28伸展并带动第二底座16和第四底座18在支撑座3导轨上滑动，此时第一竖直铰链单元28长度增加，在电动推杆21未运作得情况下，使得通过第二铰链23铰接并与之平行安装的第二竖直铰链单元29、第三竖直铰链单元30和第四竖直铰链单元31产生被动变形，通过第二铰链23作回转运动，各铰链单元长度随之成比例增加，此时通过第三铰链22铰接的第一蜂窝翼肋11、第二蜂窝翼肋12、第三蜂窝翼肋13和第四蜂窝翼肋14各自随第一竖直铰链单元28、第二竖直铰链单元29、第三竖直铰链单元30和第四竖直铰链单元31长度得增加而被动变形，使各蜂窝翼肋长度成比例增加，同时通过第三铰链22铰接在蜂窝翼肋上的第一维形桁条8、第二维形桁条9、第三维形桁条10随着蜂窝翼肋得伸长被动变形，通过第三铰链22作回转运动，各维形桁条顺时针转动并伸长，直至达到机翼弦长完全伸展状态，最终机翼整体弦长伸长。如图3所示，此时多并联电动推杆21动作，保证各电动推杆动作保持同步，推杆收缩带动第一蜂窝翼肋11、第二蜂窝翼肋12、第三蜂窝翼肋13和第四蜂窝翼肋14之间得距离缩小，使得通过第二铰链23、第三铰链22与蜂窝翼肋铰接的第一水平铰链单元24、第二水平铰链单元25、第三水平铰链单元26和第四水平铰链单元27被动变形，各水平铰链单元长度成比例缩短，同时通过第三铰链22铰接在蜂窝翼肋上的第一维形桁条8、第二维形桁条9和第三维形桁条10随着蜂窝翼肋之间距离的缩短而被动变形，通过第三铰链22作回转运动，各维形桁条作顺时针转动，直至达到机翼展长完全收缩状态，最终机翼整体展长缩短，如图4所示，当四角星形剪叉联动骨架1进行变形时，粘接固定在骨架上的橡胶-纤维复合蒙皮随之运动，实现变形翼机构整体的变形。
以上对本发明所提供的一种基于四角星形剪叉机构与可变长度肋板的变形翼装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于四角星形剪叉机构与可变长度肋板的变形翼装置，其特征在于：它包括四角星形剪叉联动骨架(1)、蒙皮(2)、水平向驱动机构和竖直向驱动机构，所述四角星形剪叉联动骨架(1)上安装有多个蜂窝翼肋，所述多个蜂窝翼肋之间设置有多个维形桁条，在多个蜂窝翼肋和多个维形桁条的上下表面粘合固定蒙皮(2)，所述四角星形剪叉联动骨架(1)上设置有水平向驱动机构和竖直向驱动机构，通过水平向驱动机构和竖直向驱动机构的驱动实现四角星形剪叉联动骨架(1)的变形。
2.根据权利要求1所述的一种基于四角星形剪叉机构与可变长度肋板的变形翼装置，其特征在于：所述蒙皮(2)为橡胶-碳纤维复合蒙皮。
3.根据权利要求2所述的一种基于四角星形剪叉机构与可变长度肋板的变形翼装置，其特征在于：所述橡胶-碳纤维复合蒙皮由多个平行的碳纤维棒和多个平行的芳纶纤维线相互正交层叠嵌入硅橡胶组成，橡胶-碳纤维复合蒙皮沿碳纤维棒垂直翼肋方向与多个蜂窝翼肋及多个维形桁条上下表面粘接。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种基于四角星形剪叉机构与可变长度肋板的变形翼装置，其特征在于：所述四角星形剪叉联动骨架(1)包括支撑座(3)、多个底座、多个水平铰链单元和多个竖直铰链单元，所述支撑座(3)上设置有导轨，所述多个底座顺次均布在导轨上，多个水平铰链单元之间平行布置，由前至后长度依次递增，多个竖直铰链单元之间平行布置，由下至上长度依次递减，所述水平铰链单元和竖直铰链单元均由杆件铰接组成连杆机构，所述水平铰链单元与竖直铰链单元相互铰接，最下端竖直铰链与底座铰接。
5.根据权利要求4所述的一种基于四角星形剪叉机构与可变长度肋板的变形翼装置，其特征在于：所述多个蜂窝翼肋依次分别与对应的竖直铰链单元铰接，多个蜂窝翼肋之间平行设置，由下至上长度成比例递减。
6.根据权利要求5所述的一种基于四角星形剪叉机构与可变长度肋板的变形翼装置，其特征在于：所述多个维形桁条分别与对应的蜂窝翼肋铰接，多个维形桁条之间平行设置，长度成比例递增。
7.根据权利要求4所述的一种基于四角星形剪叉机构与可变长度肋板的变形翼装置，其特征在于：所述水平向驱动机构包括支座(4)、导轨丝杠(5)、联轴器(6)和电机(7)，所述支座(4)与支撑座(3)固定连接，所述导轨丝杠(5)穿过支座(4)后通过联轴器(6)与电机(7)相连，所述导轨丝杠(5)上螺接有滑块，所述滑块与底座相连。
8.根据权利要求4所述的一种基于四角星形剪叉机构与可变长度肋板的变形翼装置，其特征在于：所述竖直向驱动机构包括安装板(20)和电动推杆(21)，所述电动推杆(21)两端通过安装板(20)与蜂窝翼肋铰接。
9.根据权利要求1所述的一种基于四角星形剪叉机构与可变长度肋板的变形翼装置，其特征在于：所述蜂窝翼肋的泊松比为零。
10.根据权利要求1所述的一种基于四角星形剪叉机构与可变长度肋板的变形翼装置，其特征在于：所述四角星形剪叉联动骨架(1)的自由度为二。
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