CN113882969A - 一种自由装填式单室双推固体小火箭结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自由装填式单室双推固体小火箭结构,包括点火器、连接管座、第一密封垫、点火药盒、壳体组件、弹簧件、药柱组件、紧定螺钉、挡药板、第二密封垫、喷管组件。本发明在完成单室双推功能的基础上,完全避免了采用复合推进剂浇铸时,不同燃速推进剂接触界面之间可能存在脱粘的问题。同时,在装药数量恒定的基础上,通过调整不同燃速药柱间的数量比例,可以实现高、低推力之间的比值在一定范围内的调整。
Description
技术领域
本发明涉及一种自由装填式单室双推固体小火箭结构。
背景技术
单室双推固体小火箭可以实现同一台火箭发动机工作时,产生至少2个不同的推力平台段,作用于目标物上,可形成不同的速度-时间曲线组合,完成预定功能。
目前,常用的单室双推固体火箭设计时往往采用复合推进剂,通过药型设计后,采用不同燃速推进剂的进行浇铸。工作时,高燃速推进剂先燃烧,产生较大推力时间段,低燃速推进剂工作时间较长,产生较小推力时间段。尽管该种设计方式能够有效解决单室双推的设计需求,但是,由于不同燃速推进剂受温度影响的收缩特性不一致,且两者之间存在固定界面,故该种设计方式存在药柱结合面脱粘的隐患。结合面脱粘会导致发动机工作性能产生明显偏差,这是产品使用过程中不允许出现的故障之一。导致这种隐患出现的影响因素很多,环境温度变化、药柱浇铸工艺及药柱间应力释放等,这些都不可能仅仅通过出厂检测避免,有可能在产品实际使用过程中逐渐出现。
发明内容
本发明的技术解决问题是:克服现有非电传爆组件的不足,提供了一种自由装填式单室双推固体小火箭结构,在完成单室双推功能的基础上,完全避免了采用复合推进剂浇铸时,不同燃速推进剂接触界面之间可能存在脱粘的问题。同时,在装药数量恒定的基础上,通过调整不同燃速药柱间的数量比例,可以实现高、低推力之间的比值在一定范围内的调整。
本发明的技术解决方案是:
一种自由装填式单室双推固体小火箭结构,包括点火器(1)、连接管座(2)、第一密封垫(3)、点火药盒(4)、壳体组件(5)、弹簧件(6)、药柱组件(7)、紧定螺钉(8)、挡药板(9)、第二密封垫(10)、喷管组件(11);
点火药盒(4)位于壳体组件(5)封头处,轴向通过弹簧件(6)压紧,径向通过壳体组件(5)内孔台阶定位;弹簧件(6)支腿压在点火药盒(4)支架上,轴向尺寸可部分压缩调整,径向通过弹簧件(6)外径与壳体组件(5)内径定位;药柱组件(7)的一端放置在弹簧件(6)平面上,轴向另一端通过挡药板(9)压紧,径向通过壳体组件(5)内孔定位;挡药板(9)与药柱组件(7)接触的一面上设置有导流槽,另一面通过喷管组件(11)压紧,径向通过壳体组件(5)内孔定位;喷管组件(11)通过螺纹与壳体组件(5)联接并拧紧到位,第二密封垫(10)用于喷管组件(11)与壳体组件(5)之间的密封;连接管座(2)通过螺纹与壳体组件(5)远离喷管端联接并拧紧到位,第一密封垫(3)用于连接管座(2)与壳体组件(5)之间的密封;点火器(1)通过螺纹与连接管座(2)联接并拧紧到位;
所述药柱组件(7)又包括低燃速药柱(12)和高燃速药柱(13);低燃速药柱(12)和高燃速药柱(13)均为双基体系推进剂,外形均为圆柱状结构,外形尺寸均保持一致,燃速不一致;低燃速药柱(12)和高燃速药柱(13)按设计要求完成排布后组成药柱组件(7),药柱组件(7)外表面上用棉带捆扎,形成一个整体。
进一步的,固体小火箭装配过程中,药柱组件(7)放入壳体组件(5)内时,其与弹簧件(6)及挡药板(9)无方向性要求。
进一步的,高燃速药柱(13)对称分布,组合成不同燃速混合自由装填式小火箭,工作时间段内形成初始大推力,末尾小推力的推力形式,大推力和小推力之间的差值,取决于两种药柱的燃速和比冲,两者差异越大,产生的推力差越大。
进一步的,药柱组件(7)的排布形式包括7药柱形式以及19药柱形式,其中,7根药柱装填时有4种分布形式:
第一种分布形式:内层1根为高燃速药柱、外层6根为低燃速药柱;
第二种分布形式:内层1根为低燃速药柱、外层2根高燃速药柱和4根低燃速药柱,2根高燃速药柱对称分布;
第三种分布形式:内层1根为低燃速药柱、外层3根高燃速药柱和3根低燃速药柱,3根高燃速药柱均匀分布;
第四种分布形式:内层1根为高燃速药柱、外层3根高燃速药柱和3根低燃速药柱,3根高燃速药柱均匀分布;
19药柱药柱装填时有3种分布形式:
第一种分布形式:共分三层,内层为1根低燃速药柱、中间层为6根低燃速药柱、最外层中有4根对称分布的高燃速药柱、
第二种分布形式:共分三层,内层为1根低燃速药柱、中间层为6根低燃速药柱、最外层中有6根均匀分布的高燃速药柱;
第三种分布形式:共分三层,内层为1根低燃速药柱、中间层为6根低燃速药柱、最外层8根高燃速药柱,两根高燃速药柱相邻设置为一组,最外层4组高燃速药柱对称设置。
进一步的,低燃速药柱(12)和高燃速药柱(13)工作的稳定平台段范围有重合段。
进一步的,低燃速药柱(12)和高燃速药柱(13)面喉比选择范围要求对应壳体组件(5)压力均大于高、低燃速药柱的最低临界压力,小于高燃速药柱(13)推荐平衡段压力。
进一步的,低燃速药柱(12)和高燃速药柱(13)对应的压力指数不大于0.39,且越小越好;在高、低温工作范围内,低燃速药柱(12)和高燃速药柱(13)对应的温度压力系数差小于0.1%/℃。
进一步的,单室双推固体小火箭的大推力与小推力之间比值,通过调整装药数量中低燃速药柱和高燃速药柱的数量、燃速及比冲来实现,两者之间的比值为nG高燃速药柱数量,IG高燃速药柱比冲,rG高燃速药柱燃速,nD低燃速药柱数量,ID低燃速药柱比冲,rD低燃速药柱燃速;在低燃速药柱(12)和高燃速药柱(13)工作的稳定平台压强范围内,两者之间的数量、燃速及比冲差异越大,则大推力与小推力之间的比值越大。
进一步的,药柱调整排布过程中,高燃速药柱分布需满足对称分布要求。
进一步的,本发明还提出一种自由装填式单室双推固体小火箭结构的生产装配方法,步骤如下:
(1)进行高、低燃速药柱的搭配选择,其约束包括:
a、高、低燃速药柱工作的稳定平台段范围有重合段,重合段即是单室双推发动机工作范围,重合段范围越宽越好;
b、高、低燃速药柱面喉比选择范围要求对应壳体组件(5)压力均大于高、低燃速药柱的最低临界压力,小于高燃速药柱推荐平衡段压力;
c、高、低燃速药柱对应的压力指数越小越好,不允许大于0.39;压力指数越小,应对工作偏差的能力越强;
d、在高、低温工作范围内,高、低燃速药柱对应的温度压力系数差小于0.1%/℃;
(2)单室双推固体小火箭的大推力与小推力之间差值,通过调整装药数量中高、低燃速药柱数量之比来实现,装药数量越多,推力差值可调整的范围越大;药柱调整排布过程中,高燃速药柱分布需满足对称分布要求;
(3)发火试验过程中,根据试验结果对面喉比及通气参量范围进行调整,满足内弹道性能要求;
(4)药柱生产过程中,在药柱外表面进行标识以免混淆;
(5)固体小火箭装配时,药柱组合按设计要求完成排布后,采用细棉带捆扎,形成药柱组件,固化高、低燃速药柱之间的分布关系。
本发明与现有技术相比的有益效果是:
(1)完全避免了不同复合推进剂药柱浇铸结合面之间可能存在脱粘问题的影响;
(2)同一外形结构产品,可以通过调整高燃速药柱数量及位置,形成不同推力-时间曲线组合,作用于目标物上,可形成不同的速度-时间曲线组合;
(3)高燃速药柱更有利于点火,工作时可提高整个系统的点火可靠性;
(4)可根据实际需要,进行实时分解固体小火箭确定各内装零组件质量,以提高发射可靠性。
附图说明
图1为典型自由装填式固体小火箭结构;
图2为典型高燃速药柱排布结构(7根装药);
图3为典型高燃速药柱排布结构(19根装药);
图4为装药结构改变导致推力-时间曲线变化;
图5为不同的推力-时间曲线组合(7根装药时);
图6为不同的推力-时间曲线组合(19根装药时)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
本发明针对现有技术的不足,提出一种采用双基体系推进剂自由装填式设计的单室双推固体小火箭结构,解决了采用不同燃速复合推进剂浇铸成型所带来的两种药柱粘结面脱粘的难题。
一、设计理念
单室双推固体小火箭可以实现同一台火箭发动机工作时,产生至少2个不同的推力平台段,作用于目标物上,可形成不同的速度-时间曲线组合,完成预定功能。
目前,常用的单室双推固体火箭设计时往往采用复合推进剂,通过采用不同燃速推进剂的药型设计后进行浇铸。尽管该种设计方式能够有效解决单室双推的设计需求,但是,由于不同燃速推进剂受温度影响的收缩特性不一致,且两者之间存在固定界面,故该种设计方式存在药柱结合面脱粘的隐患,这是产品设计不允许出现的故障之一。
采用双基体系的药柱,进行自由装填式设计,药柱之间不存在固定界面,可以完全避免不同燃速药柱之间界面脱粘的问题。同时,高、低燃速药柱混装时,通过调整高燃速药柱的分布(对称)及数量,可以在外形不变的基础上,按设计要求形成不同的推力-时间曲线组合。
二、结构组成
如图1所示为一种自由装填式单室双推固体小火箭结构,本发明自由装填式单室双推固体小火箭结构包括点火器1、连接管座2、第一密封垫3、点火药盒4、壳体组件5、弹簧件6、药柱组件7、紧定螺钉8、挡药板9、第二密封垫10、喷管组件11。
点火药盒4位于壳体组件5封头处,轴向通过弹簧件6压紧,径向通过壳体组件5内孔台阶定位;弹簧件6支腿压在点火药盒4支架上,轴向尺寸可部分压缩调整,径向通过弹簧件6外径与壳体组件5内径定位;药柱组件7的一端放置在弹簧件6平面上,轴向另一端通过挡药板9压紧,径向通过壳体组件5内孔定位;挡药板9与药柱组件7接触的一面上设置有导流槽,另一面通过喷管组件11压紧,径向通过壳体组件5内孔定位;喷管组件11通过螺纹与壳体组件5联接并拧紧到位,第二密封垫10用于喷管组件11与壳体组件5之间的密封;连接管座2通过螺纹与壳体组件5远离喷管端联接并拧紧到位,第一密封垫3用于连接管座2与壳体组件5之间的密封;点火器1通过螺纹与连接管座2联接并拧紧到位。
本发明设计核心在于药柱组件7,药柱组件7又包括低燃速药柱12和高燃速药柱13;低燃速药柱12和高燃速药柱13均为双基体系推进剂,外形均为圆柱状结构,外形尺寸均保持一致,燃速不一致;低燃速药柱12和高燃速药柱13按设计要求完成排布后组成药柱组件7,药柱组件7外表面上用棉带捆扎,形成一个整体。固体小火箭装配过程中,药柱组件7放入壳体组件5内时,其与弹簧件6及挡药板9无方向性要求。
针对内外密实型排布的多根自由装填的药柱组件,选取对称分布位置的药柱(燃气流通顺畅),更换为高燃速的药柱类型,可以组合成不同燃速混合自由装填式小火箭,高燃速药柱13对称分布,组合成不同燃速混合自由装填式小火箭,工作时间段内形成初始大推力,末尾小推力的推力形式,大推力和小推力之间的差值,取决于两种药柱的燃速和比冲,两者差异越大,产生的推力差越大。
药柱组件7的排布形式包括7药柱形式以及19药柱形式,7根药柱装药时,其典型高燃速药柱排布结构见图2,19根药柱装药时,其典型高燃速药柱排布结构见图3。
其中,7根药柱装填时有4种分布形式:
第一种分布形式:内层1根为高燃速药柱、外层6根为低燃速药柱;
第二种分布形式:内层1根为低燃速药柱、外层2根高燃速药柱和4根低燃速药柱,2根高燃速药柱对称分布;
第三种分布形式:内层1根为低燃速药柱、外层3根高燃速药柱和3根低燃速药柱,3根高燃速药柱均匀分布;
第四种分布形式:内层1根为高燃速药柱、外层3根高燃速药柱和3根低燃速药柱,3根高燃速药柱均匀分布;
19药柱药柱装填时有3种分布形式:
第一种分布形式:共分三层,内层为1根低燃速药柱、中间层为6根低燃速药柱、最外层中有4根对称分布的高燃速药柱、
第二种分布形式:共分三层,内层为1根低燃速药柱、中间层为6根低燃速药柱、最外层中有6根均匀分布的高燃速药柱;
第三种分布形式:共分三层,内层为1根低燃速药柱、中间层为6根低燃速药柱、最外层8根高燃速药柱,两根高燃速药柱相邻设置为一组,最外层4组高燃速药柱对称设置。
低燃速药柱12和高燃速药柱13工作的稳定平台段范围有重合段。低燃速药柱12和高燃速药柱13面喉比选择范围要求对应壳体组件5压力均大于高、低燃速药柱的最低临界压力,小于高燃速药柱13推荐平衡段压力。
低燃速药柱12和高燃速药柱13对应的压力指数不大于0.39,且越小越好;在高、低温工作范围内,低燃速药柱12和高燃速药柱13对应的温度压力系数差小于0.1%/℃。
药柱调整排布过程中,高燃速药柱分布需满足对称分布要求。单室双推固体小火箭的大推力与小推力之间比值,通过调整装药数量中低燃速药柱和高燃速药柱的数量、燃速及比冲来实现,两者之间的比值为
其中,nG高燃速药柱数量,IG高燃速药柱比冲,rG高燃速药柱燃速,nD低燃速药柱数量,ID低燃速药柱比冲,rD低燃速药柱燃速;在低燃速药柱和高燃速药柱工作的稳定平台压强范围内,两者之间的数量、燃速及比冲差异越大,则大推力与小推力之间的比值越大。
本发明一种自由装填式单室双推固体小火箭结构的设计、生产、装配方法为例,包括但不仅限于如下关键步骤:
a.高低燃速药柱的搭配选择:首先,高、低燃速药柱工作的稳定平台段范围必须有重合段,重合段即是单室双推发动机工作范围。因此,重合段范围越宽越好;其次,面喉比(Kn)选择范围要求对应壳体组件5中压力均大于高、低燃速药柱的最低临界压力,小于高燃速药柱推荐平衡段压力;第三,高、低燃速药柱对应的压力指数越小越好,不允许大于0.39。压力指数越小,应对工作偏差的能力越强;第四,在高、低温工作范围内,高、低燃速药柱对应的温度压力系数差小于0.1%/℃;
b.单室双推固体小火箭的大推力与小推力之间差值,可以通过调整装药数量中高、低燃速药柱数量之比来实现。装药数量越多,推力差值可调整的范围越大。药柱调整排布过程中,高燃速药柱分布需满足对称分布要求;
c.产品发火试验过程中,可根据试验结果对面喉比及通气参量范围进行调整,满足内弹道性能要求;
d.药柱生产过程中,需在外表面进行标识,以免混淆;
e.固体小火箭装配时,药柱组合按设计要求完成排布后,需采用细棉带捆扎,形成药柱组件,固化高、低燃速药柱之间的分布关系。药柱组件装入壳体组件5时,进行多媒体记录,并与设计要求进行对比。
实施例:
采用双基体系的药柱,进行自由装填式设计,药柱之间不存在固定界面,可以完全避免不同燃速药柱之间界面脱粘的问题,典型自由装填式固体小火箭结构见图1。两种药柱混装时,通过调整高燃速药柱的分布及数量,可以按设计要求形成不同的推力-时间曲线组合,作用于目标物上时,可以形成不同的速度-时间曲线组合。高燃速药柱先于低燃速药柱工作完,为了避免对内弹道影响不均衡,故其分布需对称,均匀。7根药柱装药时,其典型高燃速药柱排布结构见图2,19根药柱装药时,其典型高燃速药柱排布结构见图3,由装药结构改变导致典型推力-时间曲线变化见图4。7根药柱装药时,不同高燃速药柱的分布及数量,导致不同的推力-时间曲线组合见图5。19根药柱装药时,不同高燃速药柱的分布及数量,导致不同的推力-时间曲线组合见图6。
高燃速药柱更有利于点火,采用高、低燃速药柱混装时,更有利于提高整个系统的点火可靠性。另外,采用自由装填结构设计,可以根据实际需要,实时分解固体小火箭以确定各内装零组件质量,并重新组装。
以自由装填结构,采用双基体系不同燃速的药柱组合,在固体小火箭工作过程中形成不同的推力-时间曲线段,作用于目标物上后,形成设计要求的速度-时间曲线。
以某采用双基体系药柱的自由装填式固体小火箭的设计、生产、装配方法为例,包括但不仅限于如下关键步骤:
a.高低燃速药柱的搭配选择:首先,高、低燃速药柱工作的稳定平台段范围必须有重合段,重合段即是单室双推发动机工作范围。因此,重合段范围越宽越好;其次,面喉比(Kn)选择范围要求对应壳体组件5压力均大于高、低燃速药柱的最低临界压力,小于高燃速药柱推荐平衡段压力;第三,高、低燃速药柱对应的压力指数越小越好,不允许大于0.39。压力指数越小,应对工作偏差的能力越强;第四,在高、低温工作范围内,高、低燃速药柱对应的温度压力系数差小于0.1%/℃;
b.单室双推固体小火箭的大推力与小推力之间差值,可以通过调整装药数量中高、低燃速药柱数量之比来实现。装药数量越多,推力差值可调整的范围越大。药柱调整排布过程中,高燃速药柱分布需满足结构对称分布要求;
c.产品发火试验过程中,可根据试验结果对面喉比及通气参量范围进行调整,满足内弹道性能要求;
d.药柱生产过程中,需在外表面进行标识,以免混淆;
e.固体小火箭装配时,药柱组合按图样要求完成排布后,需采用细棉带捆扎,形成药柱组件,固化高、低燃速药柱之间的分布关系。药柱组件装入壳体组件5时,进行多媒体记录。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域的公知技术。
Claims (10)
1.一种自由装填式单室双推固体小火箭结构,其特征在于:包括点火器(1)、连接管座(2)、第一密封垫(3)、点火药盒(4)、壳体组件(5)、弹簧件(6)、药柱组件(7)、紧定螺钉(8)、挡药板(9)、第二密封垫(10)、喷管组件(11);
点火药盒(4)位于壳体组件(5)封头处,轴向通过弹簧件(6)压紧,径向通过壳体组件(5)内孔台阶定位;弹簧件(6)支腿压在点火药盒(4)支架上,轴向尺寸可部分压缩调整,径向通过弹簧件(6)外径与壳体组件(5)内径定位;药柱组件(7)的一端放置在弹簧件(6)平面上,轴向另一端通过挡药板(9)压紧,径向通过壳体组件(5)内孔定位;挡药板(9)与药柱组件(7)接触的一面上设置有导流槽,另一面通过喷管组件(11)压紧,径向通过壳体组件(5)内孔定位;喷管组件(11)通过螺纹与壳体组件(5)联接并拧紧到位,第二密封垫(10)用于喷管组件(11)与壳体组件(5)之间的密封;连接管座(2)通过螺纹与壳体组件(5)远离喷管端联接并拧紧到位,第一密封垫(3)用于连接管座(2)与壳体组件(5)之间的密封;点火器(1)通过螺纹与连接管座(2)联接并拧紧到位;
所述药柱组件(7)又包括低燃速药柱(12)和高燃速药柱(13);低燃速药柱(12)和高燃速药柱(13)均为双基体系推进剂,外形均为圆柱状结构,外形尺寸均保持一致,燃速不一致;低燃速药柱(12)和高燃速药柱(13)按设计要求完成排布后组成药柱组件(7),药柱组件(7)外表面上用棉带捆扎,形成一个整体。
2.根据权利要求1所述的一种自由装填式单室双推固体小火箭结构,其特征在于:固体小火箭装配过程中,药柱组件(7)放入壳体组件(5)内时,其与弹簧件(6)及挡药板(9)无方向性要求。
3.根据权利要求1所述的一种自由装填式单室双推固体小火箭结构,其特征在于:高燃速药柱(13)对称分布,组合成不同燃速混合自由装填式小火箭,工作时间段内形成初始大推力,末尾小推力的推力形式。
4.根据权利要求1或3所述的一种自由装填式单室双推固体小火箭结构,其特征在于:药柱组件(7)的排布形式包括7药柱形式以及19药柱形式,其中,7根药柱装填时有4种分布形式:
第一种分布形式:内层1根为高燃速药柱、外层6根为低燃速药柱;
第二种分布形式:内层1根为低燃速药柱、外层2根高燃速药柱和4根低燃速药柱,2根高燃速药柱对称分布;
第三种分布形式:内层1根为低燃速药柱、外层3根高燃速药柱和3根低燃速药柱,3根高燃速药柱均匀分布;
第四种分布形式:内层1根为高燃速药柱、外层3根高燃速药柱和3根低燃速药柱,3根高燃速药柱均匀分布;
19药柱药柱装填时有3种分布形式:
第一种分布形式:共分三层,内层为1根低燃速药柱、中间层为6根低燃速药柱、最外层中有4根对称分布的高燃速药柱、
第二种分布形式:共分三层,内层为1根低燃速药柱、中间层为6根低燃速药柱、最外层中有6根均匀分布的高燃速药柱;
第三种分布形式:共分三层,内层为1根低燃速药柱、中间层为6根低燃速药柱、最外层8根高燃速药柱,两根高燃速药柱相邻设置为一组,最外层4组高燃速药柱对称设置。
5.根据权利要求1所述的一种自由装填式单室双推固体小火箭结构,其特征在于:低燃速药柱(12)和高燃速药柱(13)工作的稳定平台段范围有重合段。
6.根据权利要求1所述的一种自由装填式单室双推固体小火箭结构,其特征在于:低燃速药柱(12)和高燃速药柱(13)面喉比选择范围要求对应壳体组件(5)压力均大于高、低燃速药柱的最低临界压力,小于高燃速药柱(13)推荐平衡段压力。
7.根据权利要求1所述的一种自由装填式单室双推固体小火箭结构,其特征在于:低燃速药柱(12)和高燃速药柱(13)对应的压力指数不大于0.39,且越小越好;在高、低温工作范围内,低燃速药柱(12)和高燃速药柱(13)对应的温度压力系数差小于0.1%/℃。
9.根据权利要求1所述的一种自由装填式单室双推固体小火箭结构,其特征在于:药柱调整排布过程中,高燃速药柱分布需满足对称分布要求。
10.一种自由装填式单室双推固体小火箭结构的生产装配方法,其特征在于步骤如下:
(1)进行高、低燃速药柱的搭配选择,其约束包括:
a、高、低燃速药柱工作的稳定平台段范围有重合段,重合段即是单室双推发动机工作范围,重合段范围越宽越好;
b、高、低燃速药柱面喉比选择范围要求对应壳体组件(5)压力均大于高、低燃速药柱的最低临界压力,小于高燃速药柱推荐平衡段压力;
c、高、低燃速药柱对应的压力指数越小越好,不允许大于0.39;压力指数越小,应对工作偏差的能力越强;
d、在高、低温工作范围内,高、低燃速药柱对应的温度压力系数差小于0.1%/℃;
(2)单室双推固体小火箭的大推力与小推力之间差值,通过调整装药数量中高、低燃速药柱数量之比来实现,装药数量越多,推力差值可调整的范围越大;药柱调整排布过程中,高燃速药柱分布需满足对称分布要求;
(3)发火试验过程中,根据试验结果对面喉比及通气参量范围进行调整,满足内弹道性能要求;
(4)药柱生产过程中,在药柱外表面进行标识以免混淆;
(5)固体小火箭装配时,药柱组合按设计要求完成排布后,采用细棉带捆扎,形成药柱组件,固化高、低燃速药柱之间的分布关系。
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