摘要：柔性張拉薄膜可展開天線是將柔性電子、柔性薄膜材料、柔性結(jié)構(gòu)和柔性展開技術(shù)融合創(chuàng)新的一種具有廣泛應(yīng)用前景的大型可展開空間天線，具有輕質(zhì)、高展收比、高增益和波束靈活的特點(diǎn)，可有效滿足遙感、通信、深空探測(cè)衛(wèi)星的特殊需求。闡述了柔性張拉薄膜可展開天線的特點(diǎn)與研究現(xiàn)狀;對(duì)空間薄膜天線研制的基礎(chǔ)理論及綜合測(cè)試方法進(jìn)行了總結(jié);結(jié)合具體工程問題，論述了大型可展開空間薄膜天線研制所需要解決的關(guān)鍵技術(shù)難題，并進(jìn)一步分析了薄膜天線的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

　　關(guān)鍵詞：柔性張拉薄膜可展開空間天線;薄膜結(jié)構(gòu);可展開結(jié)構(gòu);研究現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢(shì)

　　隨著空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各類航天器對(duì)通信能力的要求越來越高。空間天線作為衛(wèi)星通信的必要設(shè)備，是航天器技術(shù)發(fā)展的重要核心部分之一。為了滿足高增益、波束靈活的通信需求以及運(yùn)載火箭對(duì)天線收攏體積、重量的限制，發(fā)展了多種形式的可展開空間天線。可展開空間天線的結(jié)構(gòu)形式可按照型面形式劃分為：固面可展開空間天線、網(wǎng)面可展開空間天線和新一代柔性材料型面可展開天線等三類[1]。典型的固面天線有Sunflower天線、MEA天線、DASIY天線、SSDA天線等。

　　網(wǎng)面可展開空間天線是目前大天線技術(shù)的主要實(shí)現(xiàn)方式之一，其特點(diǎn)是收展比大、輕質(zhì)量，包括傘肋式、構(gòu)架式、環(huán)形索網(wǎng)式和環(huán)柱式天線等。新一代柔性材料型面可展開天線包括殼膜可展開天線和薄膜可展開天線兩類。殼膜可展開天線常見的實(shí)現(xiàn)方式有自回彈和傘肋式等，薄膜天線實(shí)現(xiàn)途徑有充氣和平面展開等方式。柔性薄膜可展開天線主要有充氣拋物面式、充氣剛化、彈性肋驅(qū)動(dòng)、形狀記憶聚合物(SMP)充氣、靜電成型可展開天線以及柔性薄膜張拉天線等形式[2]。

　　相控陣天線是近年來發(fā)展較快的一類天線，在衛(wèi)星通信、微波遙感、對(duì)地觀測(cè)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。天基SAR(合成孔徑雷達(dá))領(lǐng)域中，要求提供更寬的頻帶、更多的波束、更精細(xì)的波束地面分辨率，因此需要大尺寸的平面有源相控陣天線。傳統(tǒng)可展開空間天線結(jié)構(gòu)大多應(yīng)用于反射器天線，與平面相控陣天線的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式不同，可展開空間反射器結(jié)構(gòu)往往具有更多的型面成型結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)。在平面相控陣天線結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式上，柔性薄膜天線具有實(shí)現(xiàn)更大口徑、更大收展比的可能性，相控陣天線的型面采用柔性薄膜結(jié)構(gòu)能大大減輕質(zhì)量和減小收攏和展開體積。

　　柔性張拉薄膜可展開結(jié)構(gòu)是柔性薄膜相控陣天線的一種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式。本文針對(duì)柔性張拉薄膜可展開空間天線進(jìn)行了調(diào)研。首先，對(duì)柔性張拉薄膜可展開空間天線的特點(diǎn)進(jìn)行了調(diào)研與分析;其次，對(duì)柔性張拉薄膜天線的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，并結(jié)合實(shí)際工程，總結(jié)了柔性張拉薄膜可展開空間天線的關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀;最后，對(duì)柔性張拉薄膜可展開空間天線的后續(xù)發(fā)展設(shè)想進(jìn)行了闡述。

　　柔性張拉薄膜結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

　　柔性張拉薄膜可展開天線是指將柔性電子、柔性薄膜材料、柔性結(jié)構(gòu)和柔性展開技術(shù)融合創(chuàng)新的一種新型大型可展開空間天線。其特點(diǎn)有：輕質(zhì)、高展收比、高增益和波束靈活等。柔性張拉薄膜可展開天線的組成有：柔性薄膜材料(聚酰亞胺等)、柔性電子模塊(薄膜上鍍銅銀金等、實(shí)現(xiàn)電路功能、柔性模塊——信號(hào)發(fā)射與接收模塊等)、柔性結(jié)構(gòu)(薄膜可展開結(jié)構(gòu))等部分。通常，柔性張拉薄膜天線有反射陣式天線和直射陣式天線兩種形式。反射陣式柔性薄膜天線是一種無源天線，反射面由薄膜結(jié)構(gòu)展開成型，饋源放置于反射面外側(cè)。DARPA的R3D2衛(wèi)星上的薄膜天線，其展開前被收展于非常小的體積內(nèi)[3]。

　　直射陣式柔性薄膜天線是一種有源天線，反射面由薄膜結(jié)構(gòu)展開成型，T/R模塊集成于薄膜上或展開結(jié)構(gòu)上以實(shí)現(xiàn)天線的功能。柔性薄膜可展開天線與傳統(tǒng)天線(固面、網(wǎng)面天線)相比，型面材料的密度更小、收展比更大，具有廣闊的發(fā)展空間。柔性薄膜可展開天線的發(fā)展可以追溯到20世紀(jì)90年代，JPL實(shí)驗(yàn)室[46]對(duì)平面薄膜SAR天線進(jìn)行了研制，研制了3m、8m級(jí)的平面薄膜AR天線，研究了機(jī)械結(jié)構(gòu)和射頻結(jié)構(gòu)的測(cè)試與設(shè)計(jì)等方面的內(nèi)容(薄膜拼接、懸鏈線設(shè)計(jì)、展開結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)、薄膜間隔支撐結(jié)構(gòu)、組裝工藝等)。2007年，JPL[7]提出了徑向可展開傘式平面薄膜SAR天線(RadiallyDeployedUmbrella)的概念。2011年，JPL[8]進(jìn)行了膜面集成/R模塊的薄膜有源相控陣天線的研制。

　　NASALangley研究中心[10]開發(fā)了SMP充氣膜天線，進(jìn)行了充氣薄膜太空艙的研究，參與研制了應(yīng)用CP1薄膜材料的太陽帆結(jié)構(gòu)。SRS公司[11]研究了基于CP1薄膜的太陽帆結(jié)構(gòu)邊界連接問題以及消除褶皺的手段，提出了一種無粘合劑的粘接方法。除此之外，RS公司還研究了不同增強(qiáng)體復(fù)合的P1薄膜材料，提升了太陽帆材料的耐高溫性能和在軌消皺的能力。

　　諸多大學(xué)的學(xué)者對(duì)薄膜天線的平面相控陣電性能1213]、懸鏈線邊界連接方法1417]、平面薄膜結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性1819]、褶皺分析方法20]等內(nèi)容進(jìn)行了廣泛的研究。 德國DLR[21設(shè)計(jì)了40㎡的可展開SAR天線和三代尺寸遞增的太陽帆，進(jìn)行了薄膜及其可展開結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)，研制了碳纖維增強(qiáng)體復(fù)合材料(FRP)的伸展臂，測(cè)試了不同展開方式的穩(wěn)定性和驅(qū)動(dòng)效果。加大拿宇航局[2629]對(duì)平面薄膜天線結(jié)構(gòu)形式、張緊方式、展開方式的設(shè)計(jì)、分析與驗(yàn)證以及多種薄膜材料的力學(xué)特性評(píng)估進(jìn)行了研究。

　　日本JAXAISAS和諸多大學(xué)對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了廣泛的研究，主要研制了太陽帆結(jié)構(gòu)，KROS和KEANOS太陽帆。具體而言，研究?jī)?nèi)容涉及薄膜結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析[31]、展開機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[32、膜面折展方法35、制造加工與邊界處理36等過程法等。在研制太陽帆的過程中，薄膜的褶皺分析[3與折展的基本原理30;45也被進(jìn)行了廣泛的研究。

　　雖然太陽帆結(jié)構(gòu)與薄膜天線在功能上有所區(qū)別，但是二者在薄膜張拉系統(tǒng)、收展方式的設(shè)計(jì)、分析與制造加工等方面的研究有共通之處。空間張拉薄膜關(guān)鍵技術(shù)本文調(diào)研的文獻(xiàn)顯示平面張拉薄膜天線的關(guān)鍵技術(shù)有：空間薄膜結(jié)構(gòu)總體優(yōu)化設(shè)計(jì)、褶皺分析與消皺方法、剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)建模仿真、薄膜邊界連接方法和連接機(jī)構(gòu)、薄膜材料制造與加工方法、薄膜結(jié)構(gòu)在軌可靠性與穩(wěn)定性等。

　　空間薄膜結(jié)構(gòu)總體優(yōu)化設(shè)計(jì)空間薄膜結(jié)構(gòu)的構(gòu)型是根據(jù)實(shí)際需求功能和薄膜材料的特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的。不同的設(shè)計(jì)要求將導(dǎo)致不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)型。根據(jù)不同的展開方式，空間薄膜結(jié)構(gòu)的構(gòu)型有周邊桁架展開式[3]、充氣柱展開式[5]、中心立柱展開式[7]、伸展臂展開式[22]、二維展開機(jī)構(gòu)展開式[28]、自旋展開式[31]、一維伸展式[4、一維伸展及折疊展開式[4、彈性肋展開式[4;4等九種。

　　在工程設(shè)計(jì)中，總體設(shè)計(jì)常采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路，通過多次迭代設(shè)計(jì)，來達(dá)到指標(biāo)要求。根據(jù)薄膜材料的特點(diǎn)，主要考慮的優(yōu)化設(shè)計(jì)因素有：動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)(振動(dòng)模態(tài)等)、張拉平面度、大面積薄膜拼接方式、可靠展開方式、薄膜邊界連接方式、電性能要求、層間電路連接方式等內(nèi)容[20]。薄膜天線成型易受薄膜天線振動(dòng)與邊界張拉系統(tǒng)影響5052]，針對(duì)張拉系統(tǒng)構(gòu)型的研究是消除天線振動(dòng)、保證天線型面的有效設(shè)計(jì)手段之一。為減小薄膜振動(dòng)引起的型面誤差，研究薄膜結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性(振動(dòng)模態(tài)等)是必要的研究?jī)?nèi)容。

　　大型薄膜的生產(chǎn)受到加工設(shè)備的限制，大尺寸的薄膜結(jié)構(gòu)難以一體化加工，所以大尺寸薄膜可以通過拼接的方式實(shí)現(xiàn)，薄膜結(jié)構(gòu)的拼接方式影響著薄膜的平面度與展開方式設(shè)計(jì)30。褶皺分析與消皺方法載荷不均勻、裝配不準(zhǔn)確、裝配運(yùn)輸過程等因素可能導(dǎo)致不同程度的薄膜褶皺出現(xiàn)。褶皺對(duì)薄膜天線的主要影響有：較小皺紋的存在導(dǎo)致漫反射和小幅度性能降低;較大褶皺形成的局部皺紋將導(dǎo)致熱點(diǎn)的出現(xiàn)，可能超過最大失效溫度，并導(dǎo)致材料失效[11]。

　　薄膜結(jié)構(gòu)的褶皺分析研究經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展出多種褶皺仿真分析的手段[35;41;64]。目前采用的分析方法有基于張力場(chǎng)理論[65-72]和分叉理論[73-76]等。在此基礎(chǔ)上，為了分析薄膜結(jié)構(gòu)的后屈曲等更為復(fù)雜的褶皺效應(yīng)，諸多研究中引入了非線性因素等進(jìn)行分析研究[77]。針對(duì)褶皺分析計(jì)算收斂性問題的研究也受到了廣泛的關(guān)注[78;79]。由于薄膜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生褶皺的表現(xiàn)是平面應(yīng)力不均勻，所以工程上常采用的消除褶皺思路是通過改變邊界條件等設(shè)計(jì)方法[80-85]使薄膜結(jié)構(gòu)應(yīng)力均勻化。

　　薄膜材料的大柔性對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性有顯著影響[8687。針對(duì)空間薄膜結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性分析是分析展開過程與振動(dòng)抑制的前提88。薄膜結(jié)構(gòu)的展開過程中的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)特性對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定展開和展開平面度有顯著的影響91。由于空間薄膜結(jié)構(gòu)的大柔性，為保證仿真分析的精度，針對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)非線性建模的研究受到了關(guān)注9899。空間薄膜結(jié)構(gòu)的振動(dòng)抑制等研究也成為熱點(diǎn)之一100103。目前的振動(dòng)控制手段有：邊界張拉索網(wǎng)控制方法104106]、膜面壓電陶瓷主動(dòng)控制方法等[110。

　　薄膜結(jié)構(gòu)在軌展開需要保證一定的平面度來實(shí)現(xiàn)功能，所以薄膜結(jié)構(gòu)在軌展開后的可靠性和穩(wěn)定性是工程設(shè)計(jì)中需要著重考慮的因素之一。這樣的褶皺影響著薄膜結(jié)構(gòu)的在軌性能。影響薄膜結(jié)構(gòu)在軌工作可靠性與穩(wěn)定性的部分因素有：薄膜表面褶皺對(duì)相控陣天線電磁性能、結(jié)構(gòu)性能的影響[84;12;薄膜結(jié)構(gòu)尺寸和不同張拉系統(tǒng)在受在軌載荷擾動(dòng)情況下對(duì)薄膜平面度誤差的影響[1228;展開機(jī)構(gòu)、薄膜裝配和機(jī)構(gòu)重復(fù)展開對(duì)型面誤差的影響[59;29;材料的蠕變和松弛效應(yīng)等。

　　發(fā)展趨勢(shì)設(shè)想新一代薄膜相控陣天線是實(shí)現(xiàn)平面相控陣輕量化和高收納比的新途徑，將柔性電子、柔性薄膜材料、柔性結(jié)構(gòu)、柔性展開等技術(shù)進(jìn)行融合創(chuàng)新，構(gòu)建基于柔性電子的實(shí)時(shí)、連續(xù)感知目標(biāo)的應(yīng)用系統(tǒng)。總體上來看，柔性張拉薄膜天線的后續(xù)發(fā)展主要有柔性薄膜天線機(jī)電熱一體化設(shè)計(jì)技術(shù)、超大高收納比柔性結(jié)構(gòu)優(yōu)化和動(dòng)力學(xué)仿真分析技術(shù)、柔性薄膜器件電路及集成技術(shù)、柔性薄膜天線集成測(cè)試與驗(yàn)證技術(shù)等四部分研究?jī)?nèi)容。

　　1)柔性薄膜天線機(jī)電熱一體化設(shè)計(jì)技術(shù)大型柔性天線總體設(shè)計(jì)技術(shù)：大型柔性天線結(jié)構(gòu)與衛(wèi)星平臺(tái)耦合嚴(yán)重，需發(fā)展新型天線衛(wèi)星系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)方法;薄膜的平面度保持和控制技術(shù)是保證相控陣輻射性能的關(guān)鍵。薄膜天線柔性波束設(shè)計(jì)技術(shù)：為發(fā)揮薄膜相控陣天線的波束靈活優(yōu)勢(shì)，需要進(jìn)行大規(guī)模陣列天線電氣總體方案技術(shù)研究;子陣化、模塊化、柔性化和可擴(kuò)展的大型可展開天線架構(gòu)技術(shù)研究;超大規(guī)模陣列天線的數(shù)字化建模技術(shù)研究;測(cè)算融合的高精度波束優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)研究等。柔性天線熱設(shè)計(jì)技術(shù)：解決大數(shù)量的TR組件大熱量的傳輸和排散是需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　2)超大高收納比柔性結(jié)構(gòu)優(yōu)化和動(dòng)力學(xué)仿真分析技術(shù)大型柔性天線結(jié)構(gòu)優(yōu)化：大型柔性天線結(jié)構(gòu)具有低頻率、低剛度、高非線性和變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，需要對(duì)大型柔性結(jié)構(gòu)、多目標(biāo)多參數(shù)構(gòu)態(tài)、衛(wèi)星與天線耦合等問題進(jìn)行不斷優(yōu)化，建立大型柔性結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，綜合考慮天線在發(fā)射、在軌展開過程、空間環(huán)境下的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果將決定大型天線結(jié)構(gòu)的性能(如質(zhì)量、收納率、重復(fù)展開精度等)。

　　大型柔性薄膜天線動(dòng)力學(xué)行為與機(jī)制：天線展開過程中的剛?cè)狁詈险归_動(dòng)力學(xué)問題涉及到柔性薄膜結(jié)構(gòu)的收納與展開問題、支撐桁架與薄膜結(jié)構(gòu)耦合驅(qū)動(dòng)展開動(dòng)力學(xué)問題等研究。天線展開到位后，由高柔性、低阻尼引起的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問題涉及到天線的展開剛度、在擾動(dòng)下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)(結(jié)構(gòu)應(yīng)力、薄膜型面變形)等研究?jī)?nèi)容。

　　3).柔性薄膜器件電路及集成技術(shù)柔性薄膜器件電路及集成、大規(guī)模制備技術(shù)與工藝集成技術(shù)：研究在薄膜上印刷和制備器件電路的技術(shù)及工藝，研究柔性薄膜器件及柔性電路的集成技術(shù)及大規(guī)模制造技術(shù)是保證薄膜天線發(fā)揮薄膜結(jié)構(gòu)特性的重要研究?jī)?nèi)容。傳統(tǒng)電子模塊是將傳統(tǒng)小型化電子元器件直接連接于電路板，其特點(diǎn)是體積較大。在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了集成電路模塊，其是基電子芯片通過覆銅電路和保護(hù)殼集成于電路板，特點(diǎn)是體積小，但不具有柔性。柔性電子模塊在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步將電子芯片通過覆銅電路和保護(hù)殼集成于柔性載體，其特點(diǎn)是厚度更薄，模塊具有柔性。基于薄膜的柔性T/R組件設(shè)計(jì)技術(shù)：T/R組件高度集成小型化，依托于多通道高密度集成芯片技術(shù);可采用新型材料和新型封裝技術(shù)的T/R組件，能夠承受更大的形變量，來適應(yīng)柔性天線特性;可形變的三維垂直互聯(lián)技術(shù)也是/R組件柔性化的實(shí)現(xiàn)方式之一。

　　4).柔性薄膜天線集成測(cè)試與驗(yàn)證技術(shù)展開收攏驗(yàn)證：新型空間薄膜天線機(jī)構(gòu)存在折疊、展開過程、展開鎖定等多個(gè)構(gòu)態(tài)，其展開過程經(jīng)歷了結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的構(gòu)態(tài)變化，各構(gòu)態(tài)對(duì)應(yīng)不同的特性參數(shù)。為保證柔性薄膜天線的各個(gè)構(gòu)態(tài)達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)，可開展基于縮比、相似理論研制等價(jià)縮比原理樣機(jī)，展開與鎖定功能、重復(fù)展開精度、展開態(tài)與收攏態(tài)振動(dòng)模態(tài)、展開到位沖擊響應(yīng)等試驗(yàn)驗(yàn)證等方面的研究。電氣性能測(cè)試：可開展柔性雷達(dá)系統(tǒng)性能測(cè)試，通過測(cè)試暗室或是校飛等形式進(jìn)行電氣性能測(cè)試。

　　機(jī)械電子論文：基于微帶饋電的介質(zhì)桿天線設(shè)計(jì)

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　　結(jié)論

　　柔性張拉薄膜天線是輕質(zhì)量、高收展比空間可展開天線的發(fā)展方向之一。本文針對(duì)柔性張拉薄膜天線的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，重點(diǎn)對(duì)空間薄膜結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并從四個(gè)方面對(duì)空間張拉薄膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。得出結(jié)論如下：

　　(1)目前，空間柔性張拉薄膜天線有直射式和反射式兩種。其中，直射式具有結(jié)構(gòu)形式相對(duì)更加簡(jiǎn)潔、波束更加靈活等特點(diǎn)，因而成為研究熱點(diǎn)。但直射式空間柔性張拉薄膜天線對(duì)柔性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與柔性電子電路技術(shù)等研究?jī)?nèi)容提出了挑戰(zhàn)，可靠的集成柔性電子電路的空間張拉薄膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、分析與制造是實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)量、高收納比和靈活波束的核心。

　　(2)研制柔性張拉薄膜天線的關(guān)鍵技術(shù)研究集中在空間薄膜結(jié)構(gòu)總體優(yōu)化設(shè)計(jì)、褶皺分析與消皺方法、動(dòng)力學(xué)建模分析、薄膜邊界連接設(shè)計(jì)、薄膜材料制造與加工方法、薄膜結(jié)構(gòu)在軌可靠性與穩(wěn)定性等六個(gè)方面。由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與柔性電子電路技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)與分析的耦合性加強(qiáng)。所以，在空間柔性張拉薄膜天線的總體優(yōu)化設(shè)計(jì)和邊界張拉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，需要著重考慮不同設(shè)計(jì)形式對(duì)天線平面度和天線整體動(dòng)力學(xué)特性的影響。同時(shí)，建立完整的工藝流程和評(píng)估體系對(duì)于產(chǎn)品的成熟應(yīng)用有重要意義。

　　(3)結(jié)合相關(guān)研究發(fā)展現(xiàn)狀，本文提出了空間張拉薄膜天線的四個(gè)后續(xù)發(fā)展設(shè)想方向。由于柔性薄膜結(jié)構(gòu)與柔性電子電路技術(shù)的發(fā)展將對(duì)設(shè)計(jì)、分析與制造等研究帶來的挑戰(zhàn)，所以發(fā)展相關(guān)技術(shù)是助力新一代柔性張拉薄膜天線的研制與應(yīng)用的關(guān)鍵。

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　　作者：周曉濤，馬小飛，李歡笑