CN114439650A - 一种单组元姿轨控发动机身部降温装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种航天液体发动机试验装置及其降温方法,具体涉及一种单组元姿轨控发动机身部降温装置及方法;解决单组元发动机首次启动前身部环境温度‑5~0℃的要求,在试验过程中需要耗费大量人力和物力,且温度控制精度较低;当试验过程中发生异常情况时,密闭的试验舱不利于推进剂及燃气的排出,试验舱内聚集的燃气也不利于试验后处理的技术问题。该单组元姿轨控发动机身部降温装置包括包括涡流机构和产品围罩机构;本发明还提供了一种单组元姿轨控发动机身部降温方法,实现在试验过程中减少人力和物力并提升温度控制精度,试验后方便处理推进剂及燃气,并满足单组元发动机在低温环境下的冷启动特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种航天液体发动机试验装置及其降温方法,具体涉及一种单组元姿轨控发动机身部降温装置和使用该单组元姿轨控发动机身部降温装置的降温方法。
背景技术
姿轨控动力系统主要用于卫星、空间站、空间探测器等航天飞行器,起到调节飞行器姿态和轨道的作用。姿轨控发动机要求的推力范围很广,为0.02~2000牛(0.002~200公斤力);能脉冲式工作,起动次数可多达数十万次,最小脉冲宽度为几毫秒;总工作时间(工作时间与间歇时间的总和)可长达5~10年。姿态控制发动机通常由一套增压系统、贮箱、推进剂供应系统和几组不同推力的推力室组成。姿轨控发动机多采用液体推进剂,按液体推进剂的组元数不同,可分为单组元、双组元及多组元。
小推力姿轨控发动机多采用单组元模式,在发动机身部填装有催化剂,通过对推进剂进行催化分解后发生燃烧产生推力。在研制阶段,为了验证单组元发动机在低温环境下催化剂活性及冷启动特性,需要在热试车前将发动机身部环境温度降至-5~0℃。为了不受天气及季节影响,此类试验常在封闭的低温试验舱内进行,试验舱内壁布置有一系列冷却环管,向环管内不断通入低温液氮实现试验舱内的低温环境。这种降温方式虽然能够满足发动机身部环境温度-5~0℃的要求,但通过调节液氮流量控制温度的方式控制精度较低,试验耗费大量人力和物力,当试验过程中一旦发生泄露等异常情况,密闭的试验舱不利于推进剂及燃气的排出,试验舱内聚集的燃气也不利于试后处理。
发明内容
本发明的目的是针对传统的单组元发动机首次启动前身部环境温度-5~0℃的要求,在试验过程中需要耗费大量人力和物力,且温度控制精度较低;当试验过程中发生异常情况时,密闭的试验舱不利于推进剂及燃气的排出,试验舱内聚集的燃气也不利于试验后处理的技术问题,而提供一种单组元姿轨控发动机身部降温装置及方法,实现在试验过程中减少人力和物力并提升温度控制精度,有利于异常情况及试后处理,并满足单组元发动机在低温环境下的冷启动特性。
为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案为:
一种单组元姿轨控发动机身部降温装置,其特殊之处在于:包括产品围罩机构和多组涡流机构;
涡流机构包括集气管、引流管、涡流管以及调节单元;
集气管一端为气源入口,用于连接气源瓶;其另一端为测压接口,用于安装压力传感器;
集气管通过引流管连接涡流管,并将气源瓶的气体输入涡流管;
涡流管一端为冷气出口,另一端为热气出口;
产品围罩机构同轴安装在发动机的外部,且产品围罩机构在发动机周围形成冷气流通区域;
产品围罩机构沿周向设有多个进气口;涡流管一端的冷气出口对应设置在产品围罩机构的进气口,使冷气输送至冷气流通区域;涡流管另一端的热气出口连接调节单元,用于调节热气流量,进而调节冷气温度。
进一步地,涡流管包括依次连接的喷嘴和涡流管道;
喷嘴为立方体结构,其内部沿轴向设有三级台阶孔;
喷嘴台阶孔的小端开设有锥形出口,用于输出冷气;其大端与涡流管道一端配合;涡流管道另一端用于输出热气。
进一步地,所述调节单元包括依次连接的调节直通、调节壳体、调节杆和锁紧螺母以及把手;
调节直通的一端与涡流管道的另一端连接;调节直通的另一端为内锥形结构;
调节杆的一端为球头结构,调节杆的球头结构与调节直通的内锥形结构配合;
调节壳体套设在调节杆的外部;调节壳体的另一端与调节杆螺纹连接,并通过调节杆上设置的锁紧螺母锁紧;
调节杆的另一端设置有把手,转动把手使调节杆前后移动;
调节壳体的侧壁上沿径向设置有四个通孔,四个通孔连通外部,用于热气流输出。
进一步地,所述集气管侧壁上沿轴向设有四个出气口;
喷嘴中部的四个侧壁上分别设有四个进气口;
引流管设置为四根,每根引流管一端连接集气管上的出气口,另一端连接喷嘴中部侧壁上相应的进气口。
进一步地,还包括多个弧形卡箍;
涡流机构为三组;
每组涡流机构通过两个弧形卡箍安装在发动机的产品安装架上。
进一步地,所述产品围罩机构还包括连接部件;
产品围罩机构为薄壁圆筒结构;
连接部件设置在产品围罩机构的端部,连接部件为四个,每个连接部件上均设置有通孔,用于连接发动机的产品安装架。
进一步地,所述集气管与涡流管垂直设置;
涡流管道的长度是喷嘴长度的12倍至15倍。
进一步地,所述气源采用惰性气体;集气管采用DN10不锈钢管制成;引流管为DN4不锈钢管;涡流管道为DN20不锈钢管;喷嘴的第二台阶孔为DN20通孔。
同时,本发明还提供一种单组元姿轨控发动机身部降温方法,其特殊之处在于,包括以下步骤:
步骤1:安装发动机与产品围罩机构
1.3)将发动机安装在产品安装架上;
1.4)在产品安装架上将产品围罩机构与发动机同轴安装;
步骤2:安装涡流机构
2.1)将多组涡流机构的冷出气口分别与产品围罩机构的进气口齐平,利用弧形卡箍将每个涡流管固定在产品安装架上;
2.2)通过金属软管将每个集气管的一端分别与气源连接;
步骤3:调试涡流机构
3.1)在发动机的身部安装温度传感器;
3.2)在每个集气管的测压接口安装压力传感器;
3.3)打开气源,为涡流机构通入气体,涡流机构初始气体压力设置为1MPa;
3.4)观察温度传感器的输出值,调节气源压力进而对喷嘴的冷气温度进行粗调;
3.5)调节每个调节单元的把手,改变内锥形结构与球头结构的间隙,控制热气流量,间接控制冷气温度,进而对喷嘴的冷气温度进行细调;
3.6)重复步骤3.4)和3.5),直到将冷气温度调整至要求值,然后使用扳手对锁紧螺母进行锁紧;
步骤4:对发动机进行降温及热试车。
进一步地,步骤4具体为:
4.1)使涡流机构持续吹冷气至少30min,对发动机及周围环境进行降温;
4.2)关闭气源的阀门;
4.3)开始热试车;
4.4)热试车结束后拆除涡流机构和产品围罩机构及进行发动机热试车后处理。
与现有技术相比,本发明技术方案的有益效果是:
1、本发明一种单组元姿轨控发动机身部降温装置及方法,集气管一端连接气源瓶,采用惰性气体作为气源进行降温,可有效防止发动机结霜;集气管另一端安装有压力传感器;调节气源的压力,可对相应涡流机构的输出冷气温度进行粗调;转动调节单元的把手,改变调节直通的内锥形结构与调节杆的球头结构之间的配合间隙,能够控制输出热气的流量,从而间接控制冷气温度,进而对输出冷气的温度进行细调。两种方式配合使用,可精准调节单组元姿轨控发动机身部温度。
2、本发明一种单组元姿轨控发动机身部降温装置,结构紧凑且操作简单便利,可在常温环境下将发动机身部温度降至-10~0℃范围要求值内,能较好地模拟发动机的低温环境;采用产品围罩机构能够较好地在发动机周围形成了一个冷气流通区域,有助于保持发动机周围的低温环境;通过涡流机构实现了气源的冷热分离,使用冷气对发动机身部进行降温,与密封试验舱中通液氮的方式相比,提高了降温效率,节省了人力物力,节约了试验成本,缩短了试验周期,使用成本远低于传统的低温试验舱通入液氮的降温方式,具有较高的实用价值。
3、本发明一种单组元姿轨控发动机身部降温装置及方法,利用调节单元调整调节杆的球头结构与调节直通的间隙,控制热气流量,进而调节冷气温度;采用三组涡流机构均布于产品围罩机构周向,涡流机构的冷气出口朝向发动机,用于给发动机身部降温,具有显著高效的降温效果,解决了在炎热的夏天难以开展低温试验的难题。
4、本发明一种单组元姿轨控发动机身部降温装置,可在开放环境进行发动机低温试验,有利于异常情况及试后处理,有效降低了燃气及推进剂对参试人员的危害。
附图说明
图1为本发明一种单组元姿轨控发动机身部降温装置的涡流机构结构示意图;
图2(a)为本发明一种单组元姿轨控发动机身部降温装置的产品围罩机构结构主视图;
图2(b)为图2(a)的左视图;
图3为本发明一种单组元姿轨控发动机身部降温装置实施例中三组涡流机构及产品围罩机构安装示意图;
图4(a)为本发明一种单组元姿轨控发动机身部降温装置实施例中集气管、喷嘴与涡流管的结构示意图;
图4(b)为图4(a)的左视图;
图5为本发明一种单组元姿轨控发动机身部降温装置实施例中喷嘴与涡流管道的结构示意图;
图6为本发明一种单组元姿轨控发动机身部降温装置实施例中调节单元的结构示意图。
图中附图标记为:
1-产品围罩机构,2-发动机,3-集气管,4-引流管,5-涡流管,6-喷嘴,7-涡流管道,8-调节直通,9-调节壳体,10-调节杆,11-锁紧螺母,12-把手,13-弧形卡箍,14-连接部件。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明技的术方案,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中,还需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
一种单组元姿轨控发动机身部降温装置,包括涡流机构和产品围罩机构1;
如图1所示,涡流机构包括集气管3、引流管4、涡流管5以及调节单元;一般在使用时采用3-4组涡流机构;
集气管3一端为气源入口,用于连接气源,为涡流机构提供气体,气源一般采用氮气或惰性气体,可以避免发动机2表面结霜;集气管3另一端为测压接口,用于安装压力传感器,并进行实时监控集气管3内气体压力;集气管3侧壁上沿轴向均匀分布有小孔,为出气口;本实施例中集气管3侧壁上出气口设置为4个,如图4(b)所示;
引流管4为薄壁细管结构,引流管4相应的有四根,每根引流管4提前根据需要进行弯制,其一端分别与集气管3上的出气口连接,另一端分别连接涡流管5,并将气源的气体输入涡流管5;
涡流管5一端为冷气出口,另一端为热气出口;
如图4(a)、图5所示,涡流管5为依次连接的喷嘴6和涡流管道7;喷嘴6为立方体结构,其内部沿轴向设有三级台阶孔,喷嘴6台阶孔的小端开设有锥形出口,用于输出冷气;喷嘴6的大端直径与涡流管道7外径为间隙配合。如图4(b)所示,喷嘴6的四个侧壁上分别有一个小通孔,小通孔的直径与引流管4的直径一致,喷嘴6四个侧壁上小通孔与喷嘴6中部的水平方向通孔连通,作为喷嘴6的进气口;
涡流管道7一端与喷嘴6配合连接后焊接,另一端连接调节单元,是涡流机构的热端,用于调节热气流量,进而调节冷气温度。
如图6所示,调节单元设有调节直通8、调节壳体9、调节杆10、锁紧螺母11和把手12;
调节直通8的内部设有通孔,通孔直径与涡流管道7内径一致,调节直通8的一端与涡流管道7的另一端对齐后焊接;调节直通8的另一端为37°内锥结构,其外部设有螺纹,调节直通8的外壁上设有六方凸台,便于使用扳手安装;
调节壳体9套设在调节杆10的外部,调节壳体9上与调节杆10螺纹连接处设有凸起,起到定位作用;调节壳体9的外壳体侧壁上对称设置两处凹台,可使用扳手拧紧。调节壳体9的另一端为细牙内螺纹结构,调节壳体9的侧壁上沿径向对称分布4个通孔,使调节壳体9内部与外界连通,用于热气体流出;
调节杆10为圆柱形结构,其一端为37°球头结构,与调节直通8的37°内锥结构形成密封副;调节杆10另一端沿径向设有内螺纹孔,用于安装把手12。调节杆10身部有细牙螺纹,与调节壳体9的另一端细牙内螺纹结构螺纹连接。转动把手12可使调节杆10前后移动,用于调节杆10的球头结构与调节直通8的内锥结构之间的配合间隙,从而调节热气体出气量;
锁紧螺母11安装在调节杆10上,用于调节杆10的锁紧,防止振动引起调节杆10的位移;把手12为圆柱形,中间有外螺纹,与调节杆10端部的内螺纹孔连接。
如图2(a)、图2(b)所示,产品围罩机构1为薄壁圆筒结构,在产品围罩机构1的端部设置有四个连接部件14,连接片上设置有安装孔,可通过螺栓将产品围罩机构1与发动机2同轴安装于发动机2的产品安装架上。安装就位后,产品围罩机构1与发动机2同轴,位于发动机2身部周围,在发动机2周围形成冷气流通区域;
产品围罩机构1沿周向相应的设有多个进气口,进气口数量与涡流机构数量一致,每组涡流机构的冷气出气口朝向产品围罩机构1的进气口,并与产品围罩机构1的进气口平齐,使冷气输送至冷气流通区域,进而降低发动机2身部温度。
如图3所示,本实施例中,采用三组涡流机构,三组涡流机构均布于发动机2身部周向,每组涡流机构采用两个M8弧形卡箍13固定在产品安装架上。产品围罩机构1为薄壁圆筒形,其周向均匀布置有三个进气口,用于三组涡流机构产生的冷气流入,每组涡流机构的冷气出气口朝向产品围罩机构1的进气口,并与产品围罩机构1的进气口平齐,使冷气输送至冷气流通区域,保持发动机2身部周围的低温环境;产品围罩机构1同轴安装于发动机2身部四周,产品围罩机构1在发动机2周围形成了一个冷气流通区域,有助于保持低温环境;用M8螺栓通过四个φ9的通孔将产品围罩机构1与发动机2的产品安装架对接安装。气源采用惰性气体的氮气作为气源进行降温,可有效防止发动机2身部结霜;通过发动机2身部点焊的测量传感器可对发动机2身部温度进行实时监测。
集气管3采用DN10不锈钢管制成,两端各焊接一个DN10焊接直通,其一端作为气源入口,另一端作为测压口。集气管3上沿轴向布置有四个φ4出气口,通过四根引流管4,即由四根DN4不锈钢管引至涡流管5的进气口,将四根DN4不锈钢管分别与集气管3及涡流管5焊接。四根DN4不锈钢管根据空间位置关系进行弯制。其中集气管3与涡流管5成90°夹角布置,以便于人员操作。
涡流管5由喷嘴6和涡流管道7焊接而成,涡流管道7为DN20不锈钢管。喷嘴6为立方体结构,其中心为DN20通孔,一端为锥形冷气出口,是涡流管5的冷端;另一端与涡流管道7焊接,形成热气出口,是涡流管5的热端。喷嘴6的中部侧面设有四个DN2的小孔沿切线方向进入涡流管5,氮气由集气管3输送至这四个小孔,在涡流管5内高速顺时针方向旋转,分离为热气和冷气。冷气从冷端喷嘴6流出,热气从热端沿涡流管道7流出。为了保证分离制冷效果,热端管道长度是喷嘴6长度的15倍左右。
调节单元由调节直通8、调节壳体9、调节杆10、锁紧螺母11及把手12组成。调节直通8为DN20,并与涡流管道7的末端(即热端)焊接,调节壳体9与调节直通8螺纹连接。调节壳体9周向均布4个圆形排气孔,用于热气排出。调节杆10一端为球头形式,与调节直通8相配合形成密封副,其另一端安装把手12。调节杆10身部与调节壳体9螺纹连接,通过转动把手12可调节球头与调节直通8之间的配合间隙,控制热气流量,从而调节冷气温度。调节完成后,用锁紧螺母11将调节杆10锁紧,防止振动引起调节杆10位移,进而影响配合间隙。
本发明还提供了一种单组元姿轨控发动机身部降温方法,包括以下步骤:
步骤1:安装发动机2与产品围罩机构1
1.1)通过发动机2的法兰圆孔,使用螺栓将发动机2安装在产品安装架上;
1.2)通过产品围罩机构1上的四个连接部件14的通孔,使用螺栓将产品围罩机构1与发动机2同轴安装于产品安装架上,产品围罩机构1位于发动机2身部四周。
步骤2:安装涡流机构
2.1)将多组涡流机构使用两个弧形卡箍13固定于产品安装架上,安装就位后,涡流机构的冷气出口朝向发动机2身部,并与产品围罩机构1上的进气口对齐;
2.2)使用金属软管一端与气源接口连接,另一端与涡流机构的集气管3的进气口连接,为了方便调节,所有涡流机构使用同一气源;
步骤3:对涡流机构进行调试
3.1)在发动机2身部安装温度传感器;
3.2)在每个集气管3的测压接口安装压力传感器;
3.3)打开气源的管路隔离阀,为涡流机构通入气体,涡流机构初始气体压力设置为1MPa;
3.4)观察温度传感器的输出值,调节气源压力进而对喷嘴6的冷气温度进行粗调;
3.5)调节各组涡流机构中调节单元的把手12,改变内锥形结构与球头结构的间隙,并控制热气流量,间接控制冷气温度,进而对喷嘴6的冷气温度进行细调;
转动每个调节单元的把手12,使调节直通8的内锥形结构与对应调节杆10的球头结构压紧;
反向转动每个调节单元的把手12一圈,使调节直通8的内锥形结构与对应调节杆10的球头结构为间隙配合;
3.6)重复步骤3.4)和3.5),直到将冷气温度调整至要求值,然后使用扳手对锁紧螺母11进行锁紧;
步骤4:对发动机2进行降温及热试车
4.1)使涡流机构持续吹冷气至少30min,对发动机2及周围环境进行降温;
4.2)关闭气源管路上的阀门;
4.3)热试车;
4.4)热试车结束后拆除涡流机构和产品围罩机构1及进行发动机2热试车后处理。
Claims (10)
1.一种单组元姿轨控发动机身部降温装置,其特征在于:包括产品围罩机构(1)和多组涡流机构;
所述涡流机构包括集气管(3)、引流管(4)、涡流管(5)以及调节单元;
所述集气管(3)一端为气源入口,用于连接气源瓶;其另一端为测压接口,用于安装压力传感器;
所述集气管(3)通过引流管(4)连接涡流管(5),并将气源瓶的气体输入涡流管(5);
所述涡流管(5)一端为冷气出口,另一端为热气出口;
所述产品围罩机构(1)同轴安装在发动机(2)的外部,且产品围罩机构(1)在发动机(2)周围形成冷气流通区域;
所述产品围罩机构(1)沿周向设有多个进气口;所述涡流管(5)一端的冷气出口对应设置在产品围罩机构(1)的进气口,使冷气输送至冷气流通区域;涡流管(5)另一端的热气出口连接调节单元,用于调节热气流量,进而调节冷气温度。
2.根据权利要求1所述的单组元姿轨控发动机身部降温装置,其特征在于:所述涡流管(5)包括依次连接的喷嘴(6)和涡流管道(7);
所述喷嘴(6)为立方体结构,其内部沿轴向设有三级台阶孔;
所述喷嘴(6)台阶孔的小端开设有锥形出口,用于输出冷气;其大端与所述涡流管道(7)一端配合;所述涡流管道(7)另一端用于输出热气。
3.根据权利要求2所述的单组元姿轨控发动机身部降温装置,其特征在于:所述调节单元包括依次连接的调节直通(8)、调节壳体(9)、调节杆(10)和锁紧螺母(11)以及把手(12);
所述调节直通(8)的一端与所述涡流管道(7)的另一端连接;调节直通(8)的另一端为内锥形结构;
所述调节杆(10)的一端为球头结构,调节杆(10)的球头结构与所述调节直通(8)的内锥形结构配合;
所述调节壳体(9)套设在调节杆(10)的外部,调节壳体(9)的另一端与调节杆(10)螺纹连接,并通过调节杆(10)上设置的锁紧螺母(11)锁紧;
所述调节杆(10)的另一端设置有把手(12),转动把手(12)使调节杆(10)前后移动;
所述调节壳体(9)的侧壁上沿径向设置有四个通孔,四个通孔连通外部,用于热气流输出。
4.根据权利要求1或2或3所述的单组元姿轨控发动机身部降温装置,其特征在于:所述集气管(3)侧壁上沿轴向设有四个出气口;
所述喷嘴(6)中部的四个侧壁上分别设有四个进气口;
所述引流管(4)设置为四根,每根引流管(4)一端连接集气管(3)上的出气口,另一端连接喷嘴(6)中部侧壁上相应的进气口。
5.根据权利要求4所述的单组元姿轨控发动机身部降温装置,其特征在于:还包括多个弧形卡箍(13);
所述涡流机构为三组;
所述每组涡流机构通过两个弧形卡箍(13)安装在发动机(2)的产品安装架上。
6.根据权利要求5所述的单组元姿轨控发动机身部降温装置,其特征在于:所述产品围罩机构(1)还包括连接部件(14);
所述产品围罩机构(1)为薄壁圆筒结构;
所述连接部件(14)设置在产品围罩机构(1)的端部,连接部件(14)为四个,每个连接部件(14)上均设置有通孔,用于连接发动机(2)的产品安装架。
7.根据权利要求6所述的单组元姿轨控发动机身部降温装置,其特征在于:所述集气管(3)与涡流管(5)垂直设置;
所述涡流管道(7)的长度是所述喷嘴(6)长度的12倍至15倍。
8.根据权利要求7所述的单组元姿轨控发动机身部降温装置,其特征在于:所述气源采用惰性气体;所述集气管(3)采用DN10不锈钢管制成;所述引流管(4)为DN4不锈钢管;所述涡流管道(7)为DN20不锈钢管;所述喷嘴(6)的第二台阶孔为DN20通孔。
9.一种单组元姿轨控发动机身部降温方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:安装发动机(2)与产品围罩机构(1)
1.1)将发动机(2)安装在产品安装架上;
1.2)在产品安装架上将产品围罩机构(1)与发动机(2)同轴安装;
步骤2:安装涡流机构
2.1)将多组涡流机构的冷出气口分别与产品围罩机构(1)的进气口齐平,利用弧形卡箍(13)将每个涡流管(5)固定在产品安装架上;
2.2)通过金属软管将每个集气管(3)的一端分别与气源连接;
步骤3:调试涡流机构
3.1)在发动机(2)的身部安装温度传感器;
3.2)在每个集气管(3)的测压接口安装压力传感器;
3.3)打开气源,为涡流机构通入气体,涡流机构初始气体压力设置为1MPa;
3.4)观察温度传感器的输出值,调节气源压力进而对喷嘴(6)的冷气温度进行粗调;
3.5)调节每个调节单元的把手(12),改变内锥形结构与球头结构的间隙,控制热气流量,间接控制冷气温度,进而对喷嘴(6)的冷气温度进行细调;
3.6)重复步骤3.4)和3.5),直到将冷气温度调整至要求值,然后使用扳手对锁紧螺母(11)进行锁紧;
步骤4:对发动机(2)进行降温及热试车。
10.根据权利要求9所述的一种单组元姿轨控发动机身部降温方法,其特征在于,步骤4具体为:
4.1)使涡流机构持续吹冷气至少30min,对发动机(2)及周围环境进行降温;
4.2)关闭气源的阀门;
4.3)开始热试车;
4.4)热试车结束后拆除涡流机构和产品围罩机构(1)及进行发动机(2)热试车后处理。
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