肖 軍, 雷 鳴, 周健松, 程 功
(1.中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院,河南 洛陽(yáng) 471009; 2.中國(guó)科學(xué)院 蘭州化學(xué)物理研究所,蘭州 730000)
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發(fā)射裝置掛彈口結(jié)構(gòu)完整性防護(hù)技術(shù)研究
肖軍1, 雷鳴1, 周健松2, 程功1
(1.中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院,河南 洛陽(yáng)471009; 2.中國(guó)科學(xué)院 蘭州化學(xué)物理研究所,蘭州730000)
摘 要:導(dǎo)彈高溫燃?xì)饬鲗?duì)機(jī)載發(fā)射裝置掛彈口的燒蝕、沖刷,不僅破壞結(jié)構(gòu)完整性,影響導(dǎo)彈掛機(jī)和卸彈正常操作,產(chǎn)生安全隱患,還存在燒蝕部位發(fā)生腐蝕故障的風(fēng)險(xiǎn)。為了提高新一代機(jī)載武器的戰(zhàn)斗力,簡(jiǎn)要論述了機(jī)載發(fā)射裝置掛彈口高溫?zé)g、海洋環(huán)境腐蝕問(wèn)題,以及潛在的故障模式和結(jié)構(gòu)完整性防護(hù)技術(shù)的研究和進(jìn)展。
關(guān)鍵詞:機(jī)載發(fā)射裝置;掛彈口;燒蝕;腐蝕;鋁合金
0引言
機(jī)載導(dǎo)彈發(fā)射裝置是載機(jī)發(fā)射各類導(dǎo)彈的專用裝置,導(dǎo)軌式發(fā)射裝置是最常見(jiàn)的一類機(jī)載發(fā)射裝置,機(jī)載導(dǎo)彈通過(guò)發(fā)射裝置掛彈口實(shí)現(xiàn)在載機(jī)上的快速掛彈和拆卸。掛彈口結(jié)構(gòu)完整性對(duì)于這類武器裝備的正常使用十分重要。本文簡(jiǎn)要論述了機(jī)載發(fā)射裝置掛彈口高溫?zé)g、環(huán)境腐蝕機(jī)理,潛在的故障模式以及結(jié)構(gòu)完整性防護(hù)技術(shù)。
1掛彈口使用維護(hù)及故障
1.1結(jié)構(gòu)和材料
為了滿足機(jī)載裝備質(zhì)輕、高強(qiáng)、可靠的結(jié)構(gòu)要求,導(dǎo)軌式機(jī)載導(dǎo)彈發(fā)射裝置的主體結(jié)構(gòu)通常是單面為導(dǎo)軌的硬鋁合金和超硬鋁合金整體結(jié)構(gòu)[1],機(jī)載導(dǎo)彈通過(guò)發(fā)射裝置導(dǎo)軌上的2~3組掛彈口實(shí)現(xiàn)在載機(jī)上的掛彈和拆卸。發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)包括主承力結(jié)構(gòu)的殼體、導(dǎo)軌和掛彈口等部分。從結(jié)構(gòu)上看,掛彈口通常是鋁合金導(dǎo)軌上與導(dǎo)彈吊掛對(duì)應(yīng)的幾組掛彈對(duì)接接口,如圖1所示,材質(zhì)為與導(dǎo)軌相同的硬鋁或超硬鋁合金。為了提高日常使用性能和防腐蝕、耐磨損性能,導(dǎo)軌和掛彈口表面采用陽(yáng)極氧化處理。
圖1機(jī)載導(dǎo)彈發(fā)射裝置的掛彈口示意圖
1.2日常使用維護(hù)保障
機(jī)載導(dǎo)彈發(fā)射裝置在服役總壽命期內(nèi)一般會(huì)經(jīng)歷三種狀態(tài)[2]:地面貯存狀態(tài)、外場(chǎng)臨時(shí)存放狀態(tài)、空中隨機(jī)掛飛使用狀態(tài)。發(fā)射裝置貯存時(shí),一般處于油封狀態(tài)裝箱存放于自然通風(fēng)、無(wú)空調(diào)的封閉式國(guó)防倉(cāng)庫(kù)內(nèi),不通電、不工作; 外場(chǎng)臨時(shí)存放狀態(tài)的發(fā)射裝置一般處于包裝箱內(nèi)或懸掛于載機(jī)上,基本暴露于大氣環(huán)境,除戰(zhàn)斗值班外,不通電、不工作; 而空中掛飛使用狀態(tài)的發(fā)射裝置要求在載機(jī)飛行包線內(nèi)掛彈飛行,在發(fā)射包線內(nèi)發(fā)射機(jī)載導(dǎo)彈,不僅通電工作、暴露于大氣環(huán)境,還承受著飛行和作戰(zhàn)的振動(dòng)、沖擊等應(yīng)力環(huán)境。
發(fā)射裝置日常維護(hù)保障工作包括發(fā)射前檢測(cè)和導(dǎo)軌、掛彈口的清理、維護(hù)保障。
1.3故障模式及潛在風(fēng)險(xiǎn)
掛彈口結(jié)構(gòu)尺寸的大小關(guān)系到導(dǎo)彈順利掛機(jī)和拆卸。尺寸偏小會(huì)造成掛彈操作不便,尺寸過(guò)大會(huì)帶來(lái)導(dǎo)彈空中脫落等風(fēng)險(xiǎn)。
新型機(jī)載導(dǎo)彈高能有煙發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)饬骷嬗懈邷?、高速、熱沖蝕和腐蝕嚴(yán)重的特殊性和復(fù)雜性。燃?xì)饬鲗?duì)掛彈口直角迎風(fēng)面的燒蝕、沖刷破壞特別嚴(yán)酷[3-9],數(shù)次發(fā)射后掛彈口規(guī)整的迎風(fēng)面就會(huì)因燃?xì)饬鳠g而缺損嚴(yán)重,如圖2所示。這不僅嚴(yán)重破壞了發(fā)射裝置掛彈口結(jié)構(gòu)完整性,影響正常掛彈操作,還可能對(duì)導(dǎo)彈順序離軌產(chǎn)生不安全隱患; 此外,還存在因燒蝕帶來(lái)的應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致結(jié)構(gòu)事故的風(fēng)險(xiǎn)。
圖2機(jī)載發(fā)射裝置掛彈口燒蝕前后狀況
由于機(jī)載發(fā)射裝置尺寸、結(jié)構(gòu)和重量等諸多苛刻的限制,很難采用鋁合金型材導(dǎo)軌以外的高溫合金或鋼結(jié)構(gòu),而掛彈口燒蝕最嚴(yán)重的直角迎風(fēng)面鑲嵌和機(jī)械固定高溫合金的方案,其結(jié)構(gòu)可靠性難以滿足產(chǎn)品使用和環(huán)境適應(yīng)性等設(shè)計(jì)要求,使得掛彈口高溫?zé)g及濕熱與鹽霧環(huán)境腐蝕成為新一代機(jī)載導(dǎo)彈導(dǎo)軌式發(fā)射裝置難以解決的技術(shù)問(wèn)題。
1.4故障機(jī)理分析
(1) 高溫燃?xì)鉄g、沖刷破壞
新型高能有煙發(fā)動(dòng)機(jī)噴射出的燃?xì)饬骷嬗懈邷?、高速、瞬間熱流量大、熱沖蝕嚴(yán)酷的特殊性和復(fù)雜性。這種高溫燃?xì)饬鞯臏囟?約2 700~3 000 ℃)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于掛彈口鋁合金的熔點(diǎn),且瞬時(shí)加載的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通燒蝕的破壞。高溫環(huán)境中材料機(jī)械性能會(huì)顯著下降,而高溫?zé)g加上高速?zèng)_蝕的耦合作用則加劇掛彈口結(jié)構(gòu)的破壞。燃?xì)饬髦械母咚倭W又饕侨廴趹B(tài)氧化鋁,在速度和溫度的作用下對(duì)鋁合金掛彈口的破壞十分嚴(yán)酷。已在試驗(yàn)中觀察到新型高能有煙燃?xì)饬鞯臒g+沖刷的耦合作用,高溫?zé)巢课怀尸F(xiàn)出許多沿燃?xì)饬鳑_蝕方向的蝕溝、蝕坑痕跡和切削現(xiàn)象,以及大量的殘?jiān)鐖D3所示。
圖3掛彈口試驗(yàn)件燒蝕后被沖刷、切削的狀況(表面覆蓋白色殘?jiān)糠?
(2) 環(huán)境腐蝕
通常,鋁的自然表面會(huì)在大氣中迅速生成一層約5 nm厚、抗腐蝕性良好的致密氧化膜而具有一定的防護(hù)性能,硬鋁和超硬鋁合金在酸性污染大氣環(huán)境中的腐蝕比純鋁嚴(yán)重。與含HCl,CO2,SO2,NO2等酸性腐蝕、濕熱環(huán)境中的水發(fā)生水解反應(yīng),可加速材料腐蝕。
機(jī)載發(fā)射裝置鋁合金表面經(jīng)硬質(zhì)陽(yáng)極氧化處理,表面生成50~100 μm,700~1 500 HV的氧化膜,可顯著提高耐磨、抗蝕、耐熱、絕緣等性能、延長(zhǎng)使用壽命; 硬質(zhì)陽(yáng)極氧化層通常具有良好日常防護(hù)和使用功能,可抵御無(wú)煙、少煙發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獾臒g破壞。然而,在高能有煙高溫、高速兩相燃?xì)饬鞯臒g、沖刷耦合破壞作用下,掛彈口局部陽(yáng)極氧化層被沖刷殆盡,局部結(jié)構(gòu)缺損,表面粘滿殘?jiān)?。掃描電鏡SEM和電子能譜EDS對(duì)殘?jiān)姆治霭l(fā)現(xiàn),殘?jiān)鼮槎嗫坠腆w沉積物,含有氯、硫等多種酸性氧化物。由于殘?jiān)g物,特別是氯的腐蝕物,可導(dǎo)致其在濕熱、鹽霧環(huán)境中產(chǎn)生腐蝕,出現(xiàn)“白斑”、“白毛”。這種現(xiàn)象是一種典型的“孔蝕”,也是陽(yáng)極反應(yīng)的一種特有形式?!翱孜g”是具有自催化過(guò)程的常見(jiàn)腐蝕,即孔蝕的孔內(nèi)腐蝕過(guò)程創(chuàng)造的條件既能促進(jìn)、又足以維持孔的活性見(jiàn)圖4。
圖4鋁合金孔蝕原理示意圖
孔內(nèi)主要反應(yīng)
陽(yáng)板反應(yīng): Al→Al3++3e
陰板反應(yīng): 2H2O+O2+4e→ 4OH-
Al3+水解的總反應(yīng)
Al3++3H2O→Al(OH)3+3H+
Cu2++2e→Cu
2H++2e→H2↑
所以蝕孔內(nèi)Al3+和H+的濃度較高。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),將粘有高能有煙燃?xì)鈿堅(jiān)某蹭X合金燒蝕試片放入交變濕熱環(huán)境[10],產(chǎn)生明顯的孔蝕腐蝕,大蝕斑達(dá)5 mm左右??孜g是一種常見(jiàn)的局部腐蝕,大多數(shù)金屬,尤其是易鈍化金屬,如鋁合金、不銹鋼以及表面鍍有陰極保護(hù)性金屬鍍層的金屬制件都容易發(fā)生孔蝕。這種腐蝕可加劇掛彈口結(jié)構(gòu)的溶蝕破壞,進(jìn)一步發(fā)展則有可能引發(fā)其他腐蝕、腐蝕疲勞及剝落腐蝕等故障,是發(fā)射裝置服役過(guò)程中有待解決的一個(gè)重要工程問(wèn)題。
2掛彈口結(jié)構(gòu)完整性防護(hù)
掛彈口結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但使用工況嚴(yán)酷。不僅要隨載機(jī)和機(jī)載發(fā)射裝置經(jīng)歷同樣的日曬、雨淋、風(fēng)砂、鹽霧、雨雪等自然環(huán)境,還要承受數(shù)百次機(jī)載導(dǎo)彈掛裝過(guò)程與導(dǎo)彈吊掛的沖擊、摩擦磨損,普通防護(hù)涂層、鍍層無(wú)法承受掛機(jī)和拆卸過(guò)程沖擊、摩擦磨損的損傷。由于掛彈口局部結(jié)構(gòu)尺寸緊湊、狹窄,加上使用工況嚴(yán)酷,環(huán)境適應(yīng)性和可靠性要求高,難以采用機(jī)械鑲嵌高溫合金的方法解決耐高溫燃?xì)鉄g和腐蝕防護(hù)這一技術(shù)難題。此外,文獻(xiàn)檢索也未能找到可借鑒、較為成熟的工程防護(hù)技術(shù)。從工程應(yīng)用的角度,掛彈口的防護(hù)策略分臨時(shí)性防護(hù)和壽命周期的長(zhǎng)效防護(hù)方案,主要防護(hù)技術(shù)途徑有:
(1) 潤(rùn)滑油脂或涂層、鍍層防護(hù)
潤(rùn)滑油脂兼有潤(rùn)滑、防腐蝕功效。由于單組份包裝,現(xiàn)場(chǎng)使用十分簡(jiǎn)便,易于儲(chǔ)存,廣泛用于各種軍械的日常維護(hù)保養(yǎng)[1,3]。潤(rùn)滑油防護(hù)工藝是掛彈前涂抹,發(fā)射后及時(shí)擦除干凈。已嘗試國(guó)產(chǎn)2#航空潤(rùn)滑脂,7014#,7017#,7124#等航空潤(rùn)滑脂,以及MoS2防腐蝕潤(rùn)滑脂,對(duì)于新型、高殘?jiān)髁咳細(xì)鉄称茐模R?guī)油、脂均難以奏效。
耐熱防腐蝕涂料[1]一般是指200 ℃以上使用時(shí)涂膜不變色、不脫落,仍能保持適當(dāng)物理機(jī)械性能的涂料,分無(wú)機(jī)、有機(jī)兩大類。試驗(yàn)表明,這類材料完全不具備掛彈口高溫?zé)g防護(hù)功能。防熱涂料包括無(wú)機(jī)高溫防熱涂料和有機(jī)防熱涂料,在航天、航空工業(yè)中主要用于耐燒蝕、防熱、密封或溫控等工況。如TR-11,TR-12,MR-1,TR-16等無(wú)機(jī)涂料,以及YJ-66A,TL-5,GT-1,RT-Ⅲ等有機(jī)防熱涂層材料。由于難以承受反復(fù)多次的高溫?zé)g、沖刷的損耗,以及掛裝、拆卸導(dǎo)彈過(guò)程的沖擊、磨損,這類材料不適合用于掛彈口高溫?zé)g防護(hù)。
(2) 燒蝕式防熱材料防護(hù)
燒蝕式防熱材料的在強(qiáng)熱流作用下發(fā)生分解、熔化、升華等多種吸收熱能的物理和化學(xué)變化,借助材料自身表層逐層質(zhì)量消耗及變化帶走大量熱能,阻止熱流傳入結(jié)構(gòu)內(nèi)部。試驗(yàn)表明該類材料能夠承受有限次的燒蝕、沖刷破壞,因難以與鋁合金殼體連接、成型成整體結(jié)構(gòu),所以無(wú)法在掛彈口高溫?zé)g防護(hù)中獲得實(shí)際應(yīng)用。
(3) 更換易損件
可靠性分析表明,該方案從工程化的角度、作戰(zhàn)環(huán)境、成本和操作性來(lái)看存在很多難以克服的技術(shù)困難,目前尚不具備實(shí)施條件。
(4) 基材改性和表面處理
在機(jī)載發(fā)射裝置防燒粘應(yīng)用研究中[1],曾廣泛在鋁合金表面處理、基材及表面防護(hù)鍍層的選材和改性等方面開(kāi)展了大量研究工作。試驗(yàn)表明,鋁合金改性、不同陽(yáng)極氧化層方案不能抵御高能有煙燃?xì)饬鞯臒g-腐蝕破壞。
(5) 發(fā)動(dòng)機(jī)改藥或改變發(fā)射方式
采用無(wú)煙(無(wú)殘?jiān)?裝藥,可以解決掛彈口高溫?zé)g防護(hù)難題,但通常難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求的比沖、總沖等技術(shù)指標(biāo)。雖然少煙、無(wú)煙高能復(fù)合推進(jìn)劑在國(guó)際上正逐步工程化應(yīng)用,但這些技術(shù)還未能在多種現(xiàn)役機(jī)載導(dǎo)彈和新型導(dǎo)彈項(xiàng)目上實(shí)現(xiàn)全面工程化應(yīng)用。
采用彈射式發(fā)射方式可以避免燃?xì)鉄g-腐蝕問(wèn)題,許多中、遠(yuǎn)程機(jī)載導(dǎo)彈即采用這種發(fā)射方式。但與導(dǎo)軌式發(fā)射裝置相比,彈射式發(fā)射裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量和成本顯著增加,且涉及到工程設(shè)計(jì)和裝備變更等一系列問(wèn)題,許多現(xiàn)役戰(zhàn)機(jī)還無(wú)法采用。短程導(dǎo)軌加強(qiáng)制離軌的發(fā)射方式,可能有利于減少燃?xì)獾臒?腐蝕破壞,但難以完全代替導(dǎo)軌式發(fā)射方式。
(6) 特種防護(hù)技術(shù)
根據(jù)以上分析,常規(guī)防護(hù)方案難以達(dá)到有效防護(hù)掛彈口的目的。采用特種堆焊技術(shù)在導(dǎo)軌掛彈口燃?xì)饬鳠g的典型部位“種植”高溫合金,形成高溫合金/鋁合金復(fù)合的掛彈口特殊結(jié)構(gòu),既保持了導(dǎo)軌式機(jī)載發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)外形,又能實(shí)現(xiàn)多次重復(fù)發(fā)射不因高溫燃?xì)鉄g、沖刷對(duì)掛彈口結(jié)構(gòu)完整性破壞的目標(biāo)。此外,探索了局部納米復(fù)合鍍制備防腐蝕和耐磨兼顧性表面處理改性方案、裝備快速修復(fù)技術(shù)同時(shí)提高表面防腐蝕性和耐磨性的技術(shù)方案。這些技術(shù)與總裝備部的裝備維修技術(shù)具有相似性,易于實(shí)現(xiàn)工程化推廣應(yīng)用。
3防護(hù)研究進(jìn)展
為解決機(jī)載發(fā)射裝置服役壽命周期內(nèi)掛彈口高溫燃?xì)鉄g、環(huán)境腐蝕防護(hù)的工程技術(shù)難題,探索在硬鋁和超硬鋁合金基體上快速沉積各種高溫合金與陶瓷功能組分,形成耐高溫?zé)g、耐沖刷功能防護(hù)表面的可行性技術(shù)方案。試驗(yàn)表面以鋁合金為基體,在燃?xì)饬鳠g、沖刷最嚴(yán)酷部位覆蓋耐高溫、抗沖刷的高溫合金是一種工程可行的技術(shù)方案。目前,已經(jīng)開(kāi)展了功能模擬試驗(yàn)件的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究; 制備出在硬鋁和超硬鋁合金基體表面冶金結(jié)合、耐約2 000~3 000 ℃高溫燃?xì)鉄g,厚度超過(guò)2 mm的功能防護(hù)層掛彈口小樣,并開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)研究。
(1) 為了解高溫合金/鋁合金掛彈口結(jié)構(gòu)對(duì)高能燃?xì)饬鞣磸?fù)多次高溫?zé)g防護(hù)的有效性,試驗(yàn)采用氧乙炔焰(溫度2 000 ~3 000 ℃,熱流84~630×104J/(m2·s),試樣7A09/高溫合金試驗(yàn)件)進(jìn)行了高溫?zé)g模擬試驗(yàn)。連續(xù)進(jìn)行10次氧乙炔焰燒蝕試驗(yàn),每次燒蝕時(shí)間1~2 s。未見(jiàn)試驗(yàn)部位表面有明顯燒熔的痕跡,初步驗(yàn)證了復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)有效性。
(2) 為了解高溫合金/鋁合金掛彈口結(jié)構(gòu)能否承受反復(fù)掛彈/卸彈過(guò)程的沖擊、刮擦、摩擦磨損等問(wèn)題,對(duì)鋁合金/高溫合金功能模擬試驗(yàn)件進(jìn)行了沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)分析(模擬掛彈沖擊)。試驗(yàn)表明,高溫合金/鋁合金基體的結(jié)合部強(qiáng)度達(dá)到鋁合金本體強(qiáng)度和韌性的75%~85%。試驗(yàn)件高溫合金/鋁合金界面掃描電鏡SEM的分析表明,高溫合金與鋁合金基體實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合。由此可見(jiàn),這種結(jié)構(gòu)可以滿足原有鋁合金掛彈口的操作性能。此外,摩擦磨損試驗(yàn)表明,掛彈口高溫合金防護(hù)層的磨損壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陽(yáng)極氧化的鋁合金基體,這意味著鋁合金/高溫合金掛彈口結(jié)構(gòu)具有長(zhǎng)效防護(hù)功能。
(3) 關(guān)于高溫合金/鋁合金掛彈口方案環(huán)境適應(yīng)性和腐蝕防護(hù)特性,對(duì)其是否耐腐蝕,是否存在不同金屬之間的電偶腐蝕的問(wèn)題,采用模擬試驗(yàn)件進(jìn)行與腐蝕有關(guān)的環(huán)境試驗(yàn)。采用鋁合金/高溫合金模擬試驗(yàn)件(表面有MoS2干膜)依次進(jìn)行GJB150系列試驗(yàn)方法規(guī)定的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn),多件試驗(yàn)件通過(guò)了機(jī)載發(fā)射裝置規(guī)定的高溫貯存、低溫貯存、溫度沖擊/循環(huán)、濕熱和在鹽霧、淋雨、砂塵、霉菌,以及振動(dòng)試驗(yàn)等環(huán)境適應(yīng)性考核。試件表面未見(jiàn)明顯電偶腐蝕、開(kāi)裂、脫粘等缺陷和故障,達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
鋁合金/高溫合金掛彈口的結(jié)構(gòu)外形、使用方法與原型的掛彈口一致,使用和維護(hù)保障相同。由于其高溫合金的耐燒蝕、抗侵蝕性能顯著優(yōu)于鋁合金基體,從而使改進(jìn)后的掛彈口具有長(zhǎng)期服役和多次發(fā)射防護(hù)功能。隨著研究的深入,有望突破新型機(jī)載發(fā)射裝置壽命周期防護(hù)高溫高速燃?xì)鉄g、沖刷的工程技術(shù)難題。
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Research on Protection Technique for Structural Integrality of Launcher Trough for Missiles
Xiao Jun1, Lei Ming1, Zhou Jiansong2, Cheng Gong1
(1.China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China;2.Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)
Abstract:Missile-hanging groove of airborne launcher is ablated and scoured by high temperature gas flow of missile, which not only destorys the structural integraligy, affects the normal operation, and produces potential safety risk, but also leads to corrosion in ablated area. In order to improve the combat effectiveness of the new generation of airborne weapons, the research and development for high temperature ablation of missile-hanging groove on airborne launcher, corrosion problem of marine environment, potential faiure mode, and structural integrality protection technology are discussed.
Key words:airborne launcher; launcher trough for missile; ablation; corrosion; aluminum alloy
DOI:10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.01.014
收稿日期:2015-06-03
作者簡(jiǎn)介:肖軍(1962-),男,湖南漢壽人,博士,研究員,研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)兼容與熱防護(hù)。
中圖分類號(hào):TJ768
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1673-5048(2016)01-0073-04