孫福佳，楊明，陳然，陳娟芳，張永琴

小型航天精密儀器運(yùn)輸包裝箱設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

孫福佳，楊明，陳然，陳娟芳，張永琴

（天津航天機(jī)電設(shè)備研究所，天津 300458）

針對傳統(tǒng)小型航天精密儀器鋁制運(yùn)輸包裝箱加工周期長、研制成本高、定制化產(chǎn)品多導(dǎo)致外形尺寸大小不一致，存在不易管理和運(yùn)輸?shù)膯栴}，設(shè)計(jì)一種新型包裝箱。通過選擇新型箱體材料、設(shè)計(jì)包裝箱箱體結(jié)構(gòu)、更改加工工藝形式、改變產(chǎn)品安裝方式和內(nèi)部防護(hù)減振材料，自主研發(fā)一種適用于商業(yè)運(yùn)輸?shù)姆墙饘倬軆x器運(yùn)輸包裝箱。經(jīng)過模擬嚴(yán)苛商業(yè)環(huán)境運(yùn)輸試驗(yàn)，該小型航天精密儀器運(yùn)輸包裝箱可實(shí)現(xiàn)一箱多裝，對產(chǎn)品具有隔振、防潮防護(hù)等功能，且節(jié)約成本、縮短研制周期，便于管理、易于運(yùn)輸。該包裝箱可滿足小型航天精密儀器的運(yùn)輸和貯存，其結(jié)構(gòu)形式及試驗(yàn)結(jié)果可為后續(xù)此類包裝箱的研制提供參考。

航天精密儀器；運(yùn)輸包裝箱；設(shè)計(jì)；試驗(yàn)

小型航天精密儀器在運(yùn)輸及貯存過程中，一般對振動沖擊、溫度、濕度、防靜電等環(huán)境條件有一定要求[1]，因此需要設(shè)計(jì)一個具有防塵、防雨、防靜電、緩沖隔振、恒溫、恒濕等功能的包裝容器用于小型精密儀器的運(yùn)輸及貯存。

傳統(tǒng)小型航天精密儀器包裝箱多采用鋁合金材質(zhì)，根據(jù)所裝產(chǎn)品的尺寸及形狀，單獨(dú)定制包裝箱及內(nèi)部產(chǎn)品固定接口。導(dǎo)致每次運(yùn)輸時，會有多個不同尺寸的小包裝箱一起運(yùn)輸，不僅浪費(fèi)運(yùn)輸工具空間，還不易管理和運(yùn)輸固定。為了滿足小型航天精密儀器的運(yùn)輸和貯存，并優(yōu)化傳統(tǒng)精密儀器箱的結(jié)構(gòu)形式，通過調(diào)研分析并結(jié)合用戶需求，設(shè)計(jì)一款非金屬箱體和非金屬減振材料相結(jié)合的包裝箱，全面突破傳統(tǒng)包裝箱金屬材料的形象，其適用于星上中小型設(shè)備的運(yùn)輸，具備防靜電、抗高溫、抗沖擊、質(zhì)量輕、易運(yùn)輸、研制周期短，成本低等特點(diǎn)[2]?；谀承吞柸蝿?wù)，產(chǎn)品需通過商業(yè)飛機(jī)由國內(nèi)運(yùn)輸至國外，模擬商業(yè)運(yùn)輸?shù)膰?yán)苛環(huán)境開展了一系列試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果證明其功能、性能安全可靠，并成功完成某型號的運(yùn)輸工作。

1 包裝箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 箱體設(shè)計(jì)

小型航天精密儀器運(yùn)輸包裝箱（以下簡稱包裝箱）設(shè)計(jì)需考慮兼容性高、操作簡單、輕便便攜、成本低、研制周期短、安全可靠等因素。

該包裝箱材料選擇線性低密度聚乙烯（LLDPE），采用滾塑工藝一體成型。使用滾塑工藝制作的包裝箱質(zhì)量小、堅(jiān)固經(jīng)久耐用、維護(hù)成本低；密封性能良好，具有較好的防塵、防雨、防沙塵、防污染、防鹽霧和防霉菌等功能；研制周期短、成本低，適合批量生產(chǎn)[3]。材質(zhì)性能穩(wěn)定，無揮發(fā)性，具有較好的環(huán)境適應(yīng)性；箱子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度好，輕便便攜[4]。非金屬材料包裝箱由于其材料的特性，具備可重復(fù)使用的特點(diǎn)，可提高使用效率。

箱體由箱蓋、箱底兩部分構(gòu)成，箱蓋、箱底間有密封圈，通過蝴蝶搭扣進(jìn)行閉合壓緊，有防雨、防塵功能（圖1）。包裝箱外型尺寸為901 mm（長）×752 mm（寬）×615 mm（高），質(zhì)量約15 kg，該包裝箱尺寸具有一定的兼容性，可滿足不同型號小型產(chǎn)品的運(yùn)輸[5]。箱體是一體成型的凹凸肋條結(jié)構(gòu)，具有足夠強(qiáng)度。箱蓋兩側(cè)設(shè)計(jì)4個與箱體一體式的把手，方便箱蓋開合、搬運(yùn)。箱底設(shè)置4個軍用級搬運(yùn)把手，可用于箱體搬運(yùn)、起吊及運(yùn)輸時固定。包裝箱底部設(shè)置叉車槽，可進(jìn)行叉車搬運(yùn)。箱蓋箱底設(shè)置碼垛接口，滿足多層碼垛運(yùn)輸。為防止運(yùn)輸過程中由于箱內(nèi)外壓強(qiáng)的變化導(dǎo)致箱體因內(nèi)外壓差較大而變形或損壞，包裝箱側(cè)壁設(shè)置螺紋式防水、防塵透氣閥，保證箱內(nèi)、外氣壓平衡。包裝箱箱體具有防靜電功能，箱體表面電阻率可達(dá)到108～109Ω，體積電阻率可達(dá)到109～1010Ω·m，可滿足精密儀器的防靜電要求。

1.箱蓋；2.提手&吊點(diǎn)；3.箱底；4.防水透氣閥；5.蝶形搭扣。

1.2 防護(hù)隔振設(shè)計(jì)

小型航天精密儀器具有數(shù)量多，尺寸多樣、形狀復(fù)雜等特點(diǎn)，為了充分利用包裝箱內(nèi)部空間，使包裝箱具有一定的兼容性，選用防靜電高密度發(fā)泡手撕海綿填充包裝箱（圖2）。

防靜電手撕海綿可根據(jù)產(chǎn)品形狀隨意手撕成型，然后將產(chǎn)品放進(jìn)手撕出來的形狀內(nèi)固定。手撕海綿選擇格子的規(guī)格為15 mm×15 mm，單張海綿厚度為25 mm，每臺包裝箱內(nèi)可放置15層海綿。手撕海綿具有高強(qiáng)緩沖和抗震能力，其手感細(xì)膩，具有較強(qiáng)的回彈性，除起到一般海綿的緩沖減振作用外，還具有防靜電作用，可對敏感器件起到有效防護(hù)[6-9]。手撕海綿是一種環(huán)保型材料，保溫、防潮、抗老化、抗腐蝕，且防靜電海綿采購周期短、易操作，可根據(jù)產(chǎn)品的形狀安裝固定產(chǎn)品，對精密儀器可起到很好的隔振和防護(hù)作用。防靜電手撕海綿可有效解決小型精密儀器產(chǎn)品數(shù)量多、種類雜的裝箱難題。

1.3 產(chǎn)品安裝固定

根據(jù)產(chǎn)品大小尺寸的不同，包裝箱內(nèi)部設(shè)計(jì)2種固定方式，一種為單層固定，另一種為雙層固定。產(chǎn)品裝箱時以“高度相近產(chǎn)品裝在同一包裝箱，單層裝箱產(chǎn)品質(zhì)量要均勻，雙層裝箱遵循下重上輕、下大上小”的原則設(shè)計(jì)產(chǎn)品裝箱方案。

1）單層固定。內(nèi)部為單層結(jié)構(gòu)的包裝箱用于放置尺寸較大的產(chǎn)品。由于包裝箱底部為凹凸不平的結(jié)構(gòu)，為了給防護(hù)海綿提供一個平面，在包裝箱底部放置一層10 mm的PE海綿，PE海綿材質(zhì)較硬，可有效彌補(bǔ)不平的箱底，PE海綿頂部再放置防護(hù)海綿，然后根據(jù)產(chǎn)品的尺寸直接將防護(hù)海綿撕成產(chǎn)品的形狀，最后將產(chǎn)品放置在已成型的防護(hù)海綿內(nèi)即可。

2）雙層固定。內(nèi)部為雙層結(jié)構(gòu)的包裝箱用于放置尺寸較小的產(chǎn)品。為防止運(yùn)輸途中由于沖擊較大導(dǎo)致上、下層產(chǎn)品之間發(fā)生碰撞，兩層產(chǎn)品之間放置一層5 mm的塑料板和10 mm的PE板，塑料板兩端各設(shè)置一條環(huán)形布帶作為提手，用于整體拿出上層產(chǎn)品，PE板質(zhì)地較硬，可起到減緩壓強(qiáng)的作用。

圖2 箱內(nèi)防護(hù)海綿

3）裝箱清單設(shè)計(jì)。由于每臺包裝箱內(nèi)放置多種產(chǎn)品，為了快速方便地找到所需產(chǎn)品，在包裝箱箱蓋內(nèi)部及箱體外側(cè)側(cè)壁均設(shè)置裝箱清單，裝箱清單設(shè)計(jì)為標(biāo)簽式，防潮防水、易更換。裝箱清單內(nèi)容包含產(chǎn)品位置、產(chǎn)品代號、產(chǎn)品名稱和產(chǎn)品數(shù)量，并注明相關(guān)人員的聯(lián)系方式，方便查找，簡單明了，便于操作人員查看。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

以某型號航天精密儀器從中國運(yùn)輸?shù)絿鉃楸尘埃b箱會通過公路、空運(yùn)2種運(yùn)輸方式轉(zhuǎn)運(yùn)到國外，廠房內(nèi)通過叉車進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。經(jīng)過與用戶方溝通，包裝箱在公路運(yùn)輸過程中會有專人護(hù)送運(yùn)輸，到達(dá)機(jī)場后則交給機(jī)場人員負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)及裝機(jī)，因此機(jī)場轉(zhuǎn)運(yùn)及裝機(jī)過程為不可控路段，此試驗(yàn)用于模擬商業(yè)飛機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)途中可能經(jīng)歷的較為嚴(yán)苛的運(yùn)輸、轉(zhuǎn)運(yùn)狀況，因此根據(jù)用戶方提出的研制要求開展了模擬公路運(yùn)輸試驗(yàn)[10-11]、模擬運(yùn)輸過程中的跌落試驗(yàn)[12]、碼垛強(qiáng)度驗(yàn)證試驗(yàn)、高低溫存儲試驗(yàn)和濕度控制試驗(yàn)，進(jìn)一步評估方案的可行性，并為后續(xù)此類產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)。

2.1 公路跑車試驗(yàn)

公路跑車試驗(yàn)選用一量卡車，檢測設(shè)備使用DH5902動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)，包裝箱分2種狀態(tài)放置于車廂前端部。一種為2臺包裝箱并排放置，另一種為2臺包裝箱碼垛放置，通過栓緊帶將包裝箱固定在車廂上，隨機(jī)選擇3種不同精密儀器模擬件，在其特定的裝箱狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)，見圖3。

1）試驗(yàn)條件。試驗(yàn)選用2臺包裝箱，其中1號包裝箱內(nèi)安裝2件較小模擬件，2號包裝箱內(nèi)安裝1件較大模擬件。1號箱內(nèi)1件模擬件頂部中心和底部中心位置各布置1個傳感器，2號箱內(nèi)在模擬件底部中心位置布置1個傳感器。

2）試驗(yàn)過程。跑車試驗(yàn)路線分別包括三級公路、二級公路、高速公路、減速帶。共試驗(yàn)2種裝車狀態(tài)，每種狀態(tài)跑車路線及速度相同。第1種狀態(tài)是2臺包裝箱并列平放于運(yùn)輸車車廂前端；第2種狀態(tài)是2臺包裝箱疊放在一起固定于運(yùn)輸車車廂前端。

3）試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)過程中最大加速度為2臺箱子并列放置運(yùn)輸，并在高速公路剎車時，加速度值為4.18；最小加速度值為2臺箱子碼垛運(yùn)輸，并在高速公路剎車時，加速度值為1.1（表1和表2）。

圖3 包裝箱跑車試驗(yàn)

表1 2臺箱子并列放置跑車數(shù)據(jù)

Tab.1 Data for two boxes placed side by side in running truck

表2 2臺箱子碼垛放置（1號在上、2號在下）跑車數(shù)據(jù)

Tab.2 Data for two boxes stacked (1# up and 2# down) in running truck

2.2 跌落試驗(yàn)

跌落試驗(yàn)參照GB/T 4857.5—1992《包裝運(yùn)輸包裝件跌落試驗(yàn)方法》開展。試驗(yàn)設(shè)備使用法國SEREME（1 500 kg）脫落吊鉤試驗(yàn)機(jī)，開展跌落試驗(yàn)；通過使用2 t叉車叉包裝箱模擬在廠房內(nèi)通過叉車轉(zhuǎn)運(yùn)的工況。

試驗(yàn)繼續(xù)使用1號箱和2號箱，增加3號箱，3號箱內(nèi)安裝1件模擬件，傳感器布置于模擬件底部中心位置，開展跌落試驗(yàn)（圖4）。

試驗(yàn)要求如下。

1）執(zhí)行垂向、棱邊（長邊）跌落各5次，跌落高度為25 mm。

2）執(zhí)行垂向、棱邊（長邊）跌落各5次，跌落高度為50 mm。

3）利用叉車抬起包裝箱（單個包裝箱）到600 mm高度，以正常操作停放到地面上，該種操作5次。

4）利用叉車抬起包裝箱（單個箱）到600 mm高度，以最快降落速度的操作方式將包裝箱停放到地面上，該種試驗(yàn)5次。

5）兩層碼垛狀態(tài)執(zhí)行狀態(tài)見圖4。

試驗(yàn)結(jié)果如下。

2種跌落試驗(yàn)測試后，包裝箱未發(fā)生任何破損和變形。跌落機(jī)跌落時，3種配重分別執(zhí)行25、50 mm面跌落和棱邊跌落，以及2臺包裝箱碼垛一起進(jìn)行面跌落和棱跌落，此試驗(yàn)過程中平均加速度最大值為7.94，最小值為2.74，試驗(yàn)結(jié)果見表3和表4。叉車跌落時，3種配重分別執(zhí)行600 mm快速降落和慢速降落，以及2臺包裝箱碼垛一起快速、慢速降落，試驗(yàn)過程中：3種配重分別單獨(dú)快速降落，平均加速度最大值為4.25，最小值為2.25；3種配重分別單獨(dú)慢速降落，平均加速度值均小于0.5；1號箱在上、2號箱在下碼垛快速降落時，平均加速度值最大為1號箱的1.24，最小值為2號箱的0.76；1號箱在上、2號箱在下碼垛慢速降落時，平均加速度值最大為1號箱的0.76，最小值為2號箱的0.29。

2.3 碼垛強(qiáng)度驗(yàn)證試驗(yàn)

包裝箱在運(yùn)輸過程中為了節(jié)省空間，存在碼垛運(yùn)輸?shù)墓r。為了充分驗(yàn)證包裝箱箱體的強(qiáng)度，開展包裝箱碼垛強(qiáng)度驗(yàn)證試驗(yàn)。

經(jīng)了解，包裝箱在運(yùn)輸時最多會存在3層碼垛的工況，因此，此次試驗(yàn)隨機(jī)選取3臺包裝箱開展試驗(yàn)。試驗(yàn)配重以包裝箱內(nèi)所裝產(chǎn)品的最重情況為參考，選取配重塊單塊質(zhì)量為35 kg，試驗(yàn)過程如下。

將3塊35 kg配重塊分別放置于3臺包裝箱內(nèi)，合箱，扣緊搭扣。將第1臺包裝箱放置于平坦地面上，將第2臺包裝箱放置于第1臺之上，再將第3臺包裝箱放置于第2臺之上，2臺包裝箱擺放整齊、平穩(wěn)，靜置2 h。

圖4 跌落試驗(yàn)現(xiàn)場

表3 跌落機(jī)跌落試驗(yàn)數(shù)據(jù)

Tab.3 Test data from drop tester

表4 叉車跌落試驗(yàn)數(shù)據(jù)

Tab.4 Drop test data from forklift truck

試驗(yàn)結(jié)果：2 h后將包裝箱打開，經(jīng)觀察3臺包裝箱箱體均無任何破損和永久變形。

2.4 高低溫試驗(yàn)

包裝箱本體材料為線性低密度聚乙烯[13-14]，為了充分驗(yàn)證材料的抗高、低溫性能，依據(jù)GB/T 4857.2—2005《包裝運(yùn)輸包裝件基本試驗(yàn)第2部分：溫濕度調(diào)節(jié)處理》將包裝箱分別開展低溫和高溫試驗(yàn)[15]。試驗(yàn)前，將2臺包裝箱在常溫環(huán)境下靜置24 h后，然后分別放入高低溫濕熱試驗(yàn)箱（SDJ625A）內(nèi)。低溫試驗(yàn)溫度設(shè)置為?45 ℃，試驗(yàn)時間為8 h；高溫試驗(yàn)溫度設(shè)置為55 ℃，試驗(yàn)時間為8 h。

試驗(yàn)后對包裝箱表面及其金屬件進(jìn)行檢查，結(jié)果顯示包裝箱表面及其金屬件表面均無任何破損和永久變形。

2.5 控濕能力驗(yàn)證試驗(yàn)

包裝箱箱蓋和箱底間設(shè)計(jì)有一條密封圈，合箱后通過合箱搭扣壓緊密封圈，使包裝箱具有防塵防雨的功能。由于包裝箱無主動控濕功能，因此要想使包裝箱內(nèi)保持一定的濕度來滿足精密儀器的貯存要求，包裝箱內(nèi)需放入一定干燥劑來控制箱內(nèi)濕度。包裝箱箱體由滾塑工藝一體成型，箱體本身不會進(jìn)入水或水蒸氣，唯一可能存在縫隙會進(jìn)入水蒸氣的地方只有箱蓋、箱底合箱的法蘭處。另箱體側(cè)壁設(shè)置有一防水透氣閥，主要用于平衡箱內(nèi)外氣壓，此處也有可能進(jìn)入少量水蒸氣，因此選擇合箱法蘭處和透氣閥處作為放置干燥劑的地方。此試驗(yàn)主要用于檢驗(yàn)包裝箱內(nèi)放置干燥劑的量對包裝箱內(nèi)濕度的的影響，為后續(xù)包裝箱使用提供參考。

1）試驗(yàn)條件。試驗(yàn)設(shè)備依然使用“高低溫濕熱試驗(yàn)箱（SDJ625A）”，繼續(xù)選擇1號箱和2號箱開展試驗(yàn)。試驗(yàn)前，1號箱內(nèi)放置5包干燥劑（50 g/包），分別放置于合箱法蘭四周和透氣閥處。2號箱內(nèi)放入10包干燥劑（50 g/包），擺放位置與1號箱相同，但數(shù)量增加1倍。1號箱和2號箱內(nèi)各放置2臺溫濕度表，1號、2號溫濕度表放置于1號箱內(nèi)，3號、4號溫濕度表放置于2號箱內(nèi)。試驗(yàn)前將2臺包裝箱放置于常溫環(huán)境24 h后，扣緊箱蓋，再放入恒溫（32 ℃）、恒濕（相對濕度為96%）的環(huán)境中，持續(xù)試驗(yàn)7 d。

2）試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)完成后，將每臺包裝箱內(nèi)的溫濕度表取出，通過專用軟件將溫濕度表內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出并整理：由于1號溫濕度表試驗(yàn)過程中電池電量不足，導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)紊亂，試驗(yàn)數(shù)據(jù)不作為參考；試驗(yàn)結(jié)果證明，包裝箱在使用時，放置干燥劑對控制濕度有顯著效果；針對本體積包裝箱，分散放置500 g干燥劑即可將箱內(nèi)相對濕度控制在40%以內(nèi)。試驗(yàn)結(jié)果見圖5—8。

經(jīng)分析2號溫濕度表顯示相對濕度最大值為63.4%，溫度最大值為31.4 ℃。

圖5 2號箱溫濕度表數(shù)據(jù)

經(jīng)分析3號溫濕度圖顯示相對濕度最大值為31.6%，溫度最大值為31 ℃。

圖6 3號溫濕度表數(shù)據(jù)

經(jīng)分析4號溫濕度表顯示濕度最大值為34.9%，溫度最大值為30.9 ℃。

圖7 4號溫濕度表數(shù)據(jù)

圖8 2、3、4號溫濕度表數(shù)據(jù)匯總

2.6 小結(jié)

經(jīng)過以上試驗(yàn)可以看出，包裝箱碼垛強(qiáng)度、抗高低溫性能和控濕能力均可滿足精密儀器的使用要求。針對跑車試驗(yàn)和跌落試驗(yàn)，該精密儀器要求經(jīng)包裝箱隔振后傳到產(chǎn)品上的最大加速度值不大于3，包裝箱經(jīng)過公路跑車試驗(yàn)和跌落試驗(yàn)驗(yàn)證后，試驗(yàn)結(jié)果大部分滿足技術(shù)要求，但部分結(jié)果存在超差情況，經(jīng)過與用戶方一起分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，認(rèn)為包裝箱的減振性能可以滿足產(chǎn)品使用，部分超差項(xiàng)可作為禁止運(yùn)輸工況對運(yùn)輸方提出運(yùn)輸要求。

3 結(jié)語

小型航天精密儀器包裝箱箱體材質(zhì)及內(nèi)部防護(hù)材料均選用了異于傳統(tǒng)形式的非金屬材料。與以往傳統(tǒng)包裝箱相比，此包裝箱在方便標(biāo)準(zhǔn)化管理、提升產(chǎn)品形象、提高產(chǎn)品防護(hù)能力等方面效果明顯，且成本低、研制周期短、兼容性高、簡易便攜，可解決小型精密儀器數(shù)量多、種類雜的裝箱難題。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，可看出此形式包裝箱適用于小型航天精密儀器的運(yùn)輸和貯存。此外，此類包裝箱還可以應(yīng)用于航空、航海領(lǐng)域裝備配套，部隊(duì)后勤、科學(xué)探測、影視器材等領(lǐng)域也可應(yīng)用，市場前景非常廣闊。

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Design and Experiment of Distribution Packaging Box for Small-sized Aerospace Precision Instrument

SUN Fu-jia, YANG Ming, CHEN Ran, CHEN Juan-fang, ZHANG Yong-qin

(Tianjin Institute of Aerospace Mechanical and Electrical Equipment, Tianjin 300458, China)

The work aims to design a new type of packaging box in view of the long processing cycle, high development cost and inconsistent dimensions and difficult management and transportation caused by many customized products of the traditional aluminum distribution packaging box for small-sized aerospace precision instrument. A non-metallic precision instrument distribution packaging box suitable for commercial transportation was designed by selecting new box materials, designing the box structure, altering the form of processing technology, changing the way of product installation and internal protective damping materials. Through the simulation test on harsh commercial transportation, the small-sized aerospace precision instrument distribution packaging box could realize multiple packing in one box, had the functions of vibration isolation, moisture protection, etc. and saved the cost, shortened the development cycle, and was easy to manage and transport. The packaging box can meet the transportation and storage of small-sized aerospace precision instrument, and its structure and test results can provide reference for the subsequent development of this kind of packaging box.

aerospace precision instrument; distribution packaging box; design; experiment

TB485.3

A

1001-3563(2022)23-0259-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.23.031

2022–04–18

孫福佳（1991—），女，本科，工程師，主要研究方向?yàn)楹教炱靼b運(yùn)輸防護(hù)。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋