離子推進(jìn)器(Ion thruster),又稱離子發(fā)動(dòng)機(jī),是一種動(dòng)力裝置,可為航天器提供動(dòng)力,離子推進(jìn)器是電推進(jìn)的一種,特點(diǎn)是推力小,比沖高,其性能評(píng)估重點(diǎn)為推力、比沖和效率。離子推進(jìn)器工作原理是利用電子轟擊原子產(chǎn)生離子,然后在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下將離子加速噴出來(lái),通過(guò)反作用力推動(dòng)飛行器進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整或者軌道轉(zhuǎn)移等任務(wù)。按照產(chǎn)生離子的方法,可以將離子發(fā)動(dòng)機(jī)分成三類:電子碰撞電離式離子發(fā)動(dòng)機(jī)、射頻電離式靜電離子發(fā)動(dòng)機(jī)、場(chǎng)發(fā)射電離式靜電離子發(fā)動(dòng)機(jī)。
1959年,第一臺(tái)離子噴射發(fā)動(dòng)機(jī)由美國(guó)物理學(xué)家Harold R. Kaufman在美國(guó)航空航天局制造,并成功測(cè)試通過(guò)。離子推進(jìn)器主要由電離室、離子光學(xué)系統(tǒng)、空心陰極、中和器四個(gè)部分組成。離子推進(jìn)器廣泛應(yīng)用于空間推進(jìn),如航天器姿態(tài)控制、位置保持、軌道機(jī)動(dòng)和星際飛行等。
歷史沿革
國(guó)際
美國(guó)自上世紀(jì)50年代起在離子推進(jìn)器方面投入了大量的研究。 1959年,美國(guó)物理學(xué)家Kaufman成功的開(kāi)發(fā)了第一臺(tái)電子轟擊式離子推進(jìn)器。隨后,歐洲Thales公司的HEMP(高效等離子推進(jìn)器)發(fā)動(dòng)機(jī)和霍爾效應(yīng)推進(jìn)器,都避免了使用電極格柵來(lái)對(duì)離子進(jìn)行加速,從而避免了高速離子對(duì)格柵的沖擊與腐蝕。
1964年,美國(guó)航空航天局發(fā)射的 SERT1飛行器搭載Glenn研究中性設(shè)計(jì)的一 臺(tái)8cm離子發(fā)動(dòng)機(jī)和一臺(tái)直徑10cm汞離子發(fā)動(dòng)機(jī) 進(jìn)行飛行試驗(yàn) 。 隨后在1970年發(fā)射的 SERT2 的試驗(yàn)飛行器攜帶兩臺(tái)經(jīng)過(guò)改進(jìn)的直徑18cm的離子發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行飛行試驗(yàn)。
俄羅斯在1969年試驗(yàn)了銫接觸式離子發(fā)動(dòng)機(jī) ,重點(diǎn)是研究中和器的中和效果;1982年~1985年間,研制出PIT 200C 、 PIT 200R離子推進(jìn)器。
1996年左右,俄羅斯克爾特什研究中心研制出了功率在500W 、直徑分別為5cm和10cm的電子轟擊式離子發(fā)動(dòng)機(jī)IT 50和IT 100。
1997年,泛美公司開(kāi)發(fā)的PAS5通信衛(wèi)星成功發(fā)射 ,其中搭載了進(jìn)行南北位置保持的13cm直徑的離子發(fā)動(dòng)機(jī)。這是離子發(fā)動(dòng)機(jī)首次用于南北位置保持。
1998年,深空一號(hào)DS1探測(cè)器成功發(fā)射 。離子電推進(jìn)系統(tǒng)的成功應(yīng)用是本次探測(cè)任務(wù)的重要保障,使深空一號(hào)在完成技術(shù)驗(yàn)證 首要任務(wù)之后進(jìn)一步執(zhí)行深空探測(cè)任務(wù) 。同年,日本三菱電子公司嘗試研究開(kāi)發(fā)了用于工程試驗(yàn)衛(wèi)星ETS 6主推進(jìn)的直徑12cm的氙離子推進(jìn)器。 DS1于探測(cè)器1999年完成與1992KD交匯,在2001年完成與Borrelly彗星交匯任務(wù),獲得大量科研數(shù)據(jù)。
2001年7月12日,第七枚商用阿麗亞娜5型運(yùn)載火箭進(jìn)行雙星發(fā)射時(shí),由于上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)不穩(wěn)定燃燒導(dǎo)致進(jìn)入了比預(yù)定軌道低很多的無(wú)用軌道。這是阿麗亞娜5型運(yùn)載火箭正式投入使用以后第一次遇到故障,這時(shí)它搭載的RITA-10離子推進(jìn)器力挽狂瀾,在7年中累計(jì)工作7500小時(shí),消耗了14.2公斤的,最終使航天器到達(dá)了預(yù)定軌道。為此,停止了2001年阿麗亞娜5型運(yùn)載火箭的其他發(fā)射任務(wù),并成立了專門(mén)的故障調(diào)查小組對(duì)故障原因進(jìn)行調(diào)查,2002年3月再次恢復(fù)發(fā)射。
2002年,日本宇航研究所( ISAS )的MUSES C小行星探測(cè)器發(fā)射成功, 該探測(cè)器使用電子回旋共振式離子推進(jìn)系統(tǒng)調(diào)整飛行軌道。 2004年3月底, 探測(cè)器的推進(jìn)系統(tǒng)成功運(yùn)行10600小時(shí)。 2004年5月完成變軌, 2005年到達(dá),并于2007年返回地球。
2007年9月 ,“黎明號(hào)”深空探測(cè)器發(fā)射成功,這是 “探測(cè)計(jì)劃”的第九次成功發(fā)射的探測(cè)器,其主要使命是關(guān)于和Vesta二顆進(jìn)行科學(xué)研究。2009年2月探測(cè)器穿越。
2007年9月27日,NASA發(fā)射升空,2011年7月16日抵達(dá)軌道。它使用離子推進(jìn)器作為主要的推進(jìn)系統(tǒng),同時(shí)也裝備了太陽(yáng)能電池板以供應(yīng)電力。在灶神星軌道上,黎明號(hào)對(duì)灶神星的表面和內(nèi)部進(jìn)行了詳細(xì)的研究,獲取了大量的科學(xué)數(shù)據(jù)。
2009年3月27日,發(fā)射了一個(gè)名為GOCE的探測(cè)器來(lái)探測(cè)地球重力場(chǎng)和海洋環(huán)流,是歐洲首顆利用高精度和高空間分辨率技術(shù)提供全球重力場(chǎng)模型的衛(wèi)星。
2012年9月5日,離開(kāi)軌道,前往中的另一顆行星——()進(jìn)行探測(cè)。
2015年3月6日4時(shí)39分(北京時(shí)間6日20時(shí)39分),“黎明”號(hào)探測(cè)器在距離谷神星6.1萬(wàn)公里時(shí)被谷神星的引力捕獲。隨后,美國(guó)航天局控制中心于5時(shí)36分(北京時(shí)間21時(shí)36分)接收到的信號(hào)。信號(hào)顯示,該探測(cè)器運(yùn)行良好,其離子推進(jìn)器工作正常,“黎明”號(hào)已按計(jì)劃進(jìn)入谷神星軌道。
中國(guó)
20世紀(jì)70年代,中國(guó)蘭州物理研究所開(kāi)始對(duì)離子發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行研究。
1986年,中國(guó)蘭州物理研究所成功研制出LF 8直徑8cm的汞離子發(fā)動(dòng)機(jī), 其推力為 5mN 、比沖2650s 、推進(jìn)劑的有效利用率為83%。
1988年,蘭州物理研究所在LF 8的基礎(chǔ)上開(kāi)始研制直徑9cm的LF 9離子發(fā)動(dòng)機(jī),于1993年完成LF 9試驗(yàn)機(jī),其推力為10mN 、比沖為 2980s 。 2~4臺(tái)LF 9離子發(fā)動(dòng)機(jī)可以承擔(dān)1~2噸的同步衛(wèi)星的位置保持與姿態(tài)控制任務(wù)長(zhǎng)達(dá)十年。
2016年1月,中國(guó)空間技術(shù)研究院502所專家向客戶展示了新一代離子發(fā)動(dòng)機(jī),其全線性能高于衛(wèi)星和飛船目前使用的同類產(chǎn)品,此款離子發(fā)動(dòng)機(jī)的加速度可達(dá)30公里/秒,中國(guó)將成為世上首個(gè)在高環(huán)地軌道衛(wèi)星上測(cè)試最新技術(shù)的國(guó)家。
工作原理
火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(rocket engine)是一種自備燃料和,無(wú)需利用外界空氣或其他介質(zhì)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。
離子推進(jìn)器不同于傳統(tǒng)化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī),這類發(fā)動(dòng)機(jī)的不進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),所以需要額外的電能。這部分能量可以通過(guò)能電池板獲得,除了以氙氣作為推進(jìn)劑的方式,離子推進(jìn)器還可以通過(guò)元素衰變電池來(lái)補(bǔ)充電能——钚元素衰變電池。它是利用钚238的衰變生成234并釋放一個(gè)阿爾法粒子產(chǎn)生的熱量來(lái)發(fā)電,雖然效率極低只有3-5%,每一公斤的钚元素只能提供30瓦左右的電能,但是它的半衰期為87.7年,因此可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的供給電能,不受外界影響,也將它作為電能來(lái)源,不過(guò)但其售價(jià)約為同質(zhì)量氙氣的3600倍。
以氙氣為推進(jìn)劑氣體的離子推進(jìn)器為例,離子推進(jìn)器采用氙氣推進(jìn)劑氣體,其通過(guò)工質(zhì)分配器和空心陰極進(jìn)入放電室。放電室空心陰極放電產(chǎn)生電子通過(guò)電場(chǎng)加速,形成高能電子。一部分電子在加速過(guò)程中轟擊中性工質(zhì)氤,形成等離子體。放電室的周圍在永磁體作用下形成環(huán)形磁場(chǎng)。在磁場(chǎng)的作用下離子只能向放電室下游運(yùn)動(dòng)而不會(huì)向四周擴(kuò)散。離子從放電室下游進(jìn)入離子發(fā)動(dòng)機(jī)光學(xué)系統(tǒng)。離子發(fā)動(dòng)機(jī)光學(xué)系統(tǒng)是離子發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件,包括加速柵極和屏柵極。屏柵極和加速柵極之間有極高的,離子在屏柵極與加速柵極之間的強(qiáng)電場(chǎng)作用下經(jīng)過(guò)聚焦加速,形成高速離子流向后噴出。為防止推進(jìn)系統(tǒng)帶上負(fù)電荷和離子束擴(kuò)散,通過(guò)加速柵極下游區(qū)的中和器向高速離子噴射電子,使噴出的離子獲得電子以中性原子的形式噴出。
主要結(jié)構(gòu)
離子發(fā)動(dòng)機(jī)的推力器由電離室、離子光學(xué)系統(tǒng)、空心陰極、中和器四個(gè)部分組成。
電離室
電離室有一個(gè)圓柱形外壁,一個(gè)圓形底面,二者均有磁性并保持在陽(yáng)極電勢(shì)上,空心陰極與點(diǎn)火電極位于電離室內(nèi),周圍無(wú)防護(hù)結(jié)構(gòu)。磁場(chǎng)一般由三個(gè)環(huán)形永磁鐵產(chǎn)生。三個(gè)四氧化三鐵中一個(gè)位于底面,另兩個(gè)位于側(cè)壁上,從而在電離室內(nèi)形成了三個(gè)磁場(chǎng)尖環(huán)。磁鐵是一個(gè)可變換磁極方向的圓環(huán),磁力線終止于陽(yáng)極表面。
沒(méi)有磁場(chǎng)的電離室?guī)缀跏遣荒芄ぷ鞯?,磁?chǎng)是電離室的關(guān)鍵部分,主要用來(lái)約束電離室內(nèi)由氣體放電形成的放電等離子體。陰極發(fā)射的電子叫做初級(jí)電子,電離室內(nèi)還有熱電子。并不是每個(gè)初級(jí)電子都會(huì)電離一個(gè)中性原子。
離子光學(xué)系統(tǒng)
光學(xué)系統(tǒng)用于將離子發(fā)電機(jī)的光束引導(dǎo)到目標(biāo)位置,主要由屏幕電極與加速電極組成,用于聚焦和準(zhǔn)直光束。通過(guò)調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù),可以控制光束的大小、形狀和方向。電場(chǎng)分布、粒子數(shù)密度的分布、引出離子束的電流等。離子發(fā)動(dòng)機(jī)光學(xué)系統(tǒng)主要由屏柵極和加速柵組成,是離子發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部分,直接影響離子發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、推力、效率等性能。
空心陰極
空心陰極是離子發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件,其工作參數(shù)與結(jié)構(gòu)的選擇將很大程度上決定離子發(fā)動(dòng)機(jī)的性能好壞。空心陰極通常放置在電離室內(nèi)提供初級(jí)電子。空心陰極一般比固體棒狀陰極壽命長(zhǎng),主要由耐高溫的圓柱管、點(diǎn)火電極、電阻加熱器等組成,其核心結(jié)構(gòu)是、等耐高溫的導(dǎo)體材料制成的圓柱管,管的一端里面套有一個(gè)直徑稍小的由鉭或鎢制成的長(zhǎng)度為20mm的多孔圓筒。圓筒材料中摻入了一定量的低功函數(shù)組份,電子主要由這些低功函數(shù)材料產(chǎn)生。陰極的該端前面焊接一個(gè)中心有一個(gè)小孔的鎢合金罩。在鉭管的外表面纏繞熱電阻,用于陰極放電啟動(dòng)前的加熱。大多數(shù)空心陰極都要在陰極前面很近的地方裝上點(diǎn)火電極。點(diǎn)火電極位于陰極前端。點(diǎn)火電極更易啟動(dòng)陰極放電,其作用相當(dāng)一個(gè)陽(yáng)極。
中和器
中和器發(fā)射出電子以進(jìn)入離子流中和離子。這非常必要,因?yàn)槿绻擦鲙ё吡舜罅空x子,那么飛行器將帶負(fù)電,使離子流減速,甚至反彈回來(lái),影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作。中和器應(yīng)放在適當(dāng)位置以減少尾流中離子的飛濺,并保證有效的中和。中和器的原理與空心陰極基本一樣。加速電極必須維持足夠低的電壓以防止電子流逆流到電極上,一旦流過(guò)加速電極,電子就會(huì)進(jìn)入電離室。
分類
按照產(chǎn)生離子的方法,將離子發(fā)動(dòng)機(jī)分成三類:電子碰撞電離式離子發(fā)動(dòng)機(jī)、射頻電離式靜電離子發(fā)動(dòng)機(jī)、場(chǎng)發(fā)射電離式靜電離子發(fā)動(dòng)機(jī)。
電子碰撞電離式離子發(fā)動(dòng)機(jī)
電子碰撞電離式離子發(fā)動(dòng)機(jī)的基本原理是,采用一定的方法將原子分解為離子與電子。在靜電場(chǎng)的作用下,加速噴射而出。加速后的離子流由中和器釋放出來(lái)的電子中和。在電子碰撞電離式離子發(fā)動(dòng)機(jī)中,電子在陰極加速下具有足夠的能量與原子碰撞并使之電離。電離產(chǎn)生的離子會(huì)被加速并噴射出來(lái),從而實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換。
射頻電離式靜電離子發(fā)動(dòng)機(jī)
射頻電離式靜電離子發(fā)動(dòng)機(jī)利用射頻電離技術(shù)來(lái)產(chǎn)生離子。射頻電離器通過(guò)在電極之間施加高頻率的電壓來(lái)產(chǎn)生交變電場(chǎng),電場(chǎng)能夠?qū)怏w分子電離成正離子和自由電子,離子會(huì)被加速并噴射出來(lái),從而實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換。與電子碰撞電離式離子發(fā)動(dòng)機(jī)相比,射頻電離式靜電離子發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于其能夠更有效地將氣體分子電離,并且產(chǎn)生的離子流更加穩(wěn)定。
場(chǎng)發(fā)射電離式靜電離子發(fā)動(dòng)機(jī)
場(chǎng)發(fā)射電離式靜電離子發(fā)動(dòng)機(jī)利用了場(chǎng)致發(fā)射效應(yīng)來(lái)產(chǎn)生離子。在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下,陰極表面的電子會(huì)被加速并沿著表面射出,形成電子束。這個(gè)電子束可以用來(lái)電離氣體分子,產(chǎn)生的離子會(huì)被加速并噴射出來(lái),從而實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換。與前兩種離子發(fā)動(dòng)機(jī)相比,場(chǎng)發(fā)射電離式靜電離子發(fā)動(dòng)機(jī)具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率和更長(zhǎng)的壽命。
應(yīng)用領(lǐng)域
軍事戰(zhàn)爭(zhēng)
當(dāng)在電離層中飛行時(shí)可以躲避敵方雷達(dá)波的照射,從而為取得制空權(quán)和戰(zhàn)爭(zhēng)的主動(dòng)權(quán)奠定了基礎(chǔ),特別是作為高空偵察機(jī)的動(dòng)力裝置,其偵察能力將大大提高。
航空航天
在太空中飛行時(shí),可以解決遠(yuǎn)距離飛行中動(dòng)力源不足問(wèn)題,使人類的探測(cè)目標(biāo)向宇宙的更深處延伸。中國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展?fàn)顩r與發(fā)達(dá)國(guó)家還有很大的差距,但在離子研究方面已經(jīng)身世界前列,如正陰離子對(duì)撞機(jī)、電子回旋加速器等,離子發(fā)動(dòng)機(jī)本身就是一個(gè)新型的發(fā)動(dòng)機(jī),有很廣闊的應(yīng)用前景。
航天器姿態(tài)控制
阿麗亞娜5型運(yùn)載火箭進(jìn)行雙星發(fā)射時(shí),由于上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)不穩(wěn)定燃燒導(dǎo)致衛(wèi)星進(jìn)入了比預(yù)定軌道低很多的無(wú)用軌道。這是阿麗亞娜5型運(yùn)載火箭正式投入使用以后第一次遇到故障,這時(shí)它搭載的RITA-10離子推進(jìn)器力挽狂瀾,在7年中累計(jì)工作7500小時(shí),消耗了14.2公斤的推進(jìn)劑,最終使航天器到達(dá)了預(yù)定軌道。
位置保持
泛美衛(wèi)星公司開(kāi)發(fā)的PAS5通信衛(wèi)星搭載了進(jìn)行南北位置保持的13cm直徑的氙離子發(fā)動(dòng)機(jī),這也是離子發(fā)動(dòng)機(jī)首次用于南北位置保持功能,借此,離子發(fā)動(dòng)機(jī)也真正進(jìn)入了商業(yè)應(yīng)用階段 。
軌道機(jī)動(dòng)
一般來(lái)講變軌飛行需要較大推力(幾百至上千牛),所以,以低推力等離子發(fā)動(dòng)機(jī)作為主推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行軌道轉(zhuǎn)移時(shí),不可能獲得以化學(xué)推進(jìn)作為主推進(jìn)系統(tǒng)時(shí)的速度增量,它是在與航天器軌道面垂直的圓周方向連續(xù)產(chǎn)生速度增量,圍繞軌道半徑以極其緩慢地速度增量螺旋上升。這樣,完成軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)往往需要幾個(gè)月至1年以上,航天器繞地球大約要轉(zhuǎn)1000周以上。
發(fā)展趨勢(shì)
高推力
雖然離子發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)能夠提供相對(duì)較高的推力和加速度,但科學(xué)家們?nèi)栽谂μ岣哌@些參數(shù)以滿足未來(lái)的需求。通過(guò)改進(jìn)離子源和提高電場(chǎng)強(qiáng)度,從而實(shí)現(xiàn)更高的離子加速速度,從而增加推力和加速度。比如,2020年6月,俄羅斯航天集團(tuán)通報(bào)稱,該集團(tuán)下屬凱爾迪什科研中心成功實(shí)現(xiàn)了ID-200 KR新型離子火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)。據(jù)悉,該款離子火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的功率為3000瓦,比沖量達(dá)4500秒。
高性能
離子發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)主要側(cè)重于提高效率和性能,隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何形狀、離子能量分布、電場(chǎng)和磁場(chǎng)等方面的優(yōu)化,進(jìn)一步提高其性能。比如,2023年11月6日,美國(guó)航空航天局(美國(guó)航空航天局)和航空航天公司AeroJet Rocketdyne成功完成了先進(jìn)電力推進(jìn)系統(tǒng)(AEPS)的資格測(cè)試。其功率輸出可達(dá)到12千瓦,足以為1330多個(gè)LED燈泡供電,是目前生產(chǎn)的功率最大的離子發(fā)動(dòng)機(jī),對(duì)于未來(lái)在月球及其他星球的科學(xué)和探索任務(wù)至關(guān)重要。
能源可再生離子發(fā)動(dòng)機(jī)
離子發(fā)動(dòng)機(jī)使用電能來(lái)加速離子,需要可靠的電力供應(yīng)。開(kāi)發(fā)出使用可再生能源(如太陽(yáng)能、風(fēng)能等)的離子發(fā)動(dòng)機(jī),那么這種發(fā)動(dòng)機(jī)將在空間探索中發(fā)揮更大的作用。世界上第一個(gè)采用太陽(yáng)能離子發(fā)動(dòng)機(jī)作為主要推進(jìn)系統(tǒng)的探測(cè)器SMART-1,只消耗了75kg燃料,就實(shí)現(xiàn)了從地球停泊軌道到環(huán)月軌道的轉(zhuǎn)移,其中燃料氙的利用率比傳統(tǒng)化學(xué)燃料高10倍。
高電功率
離子推進(jìn)器有諸多好處,但也有它的局限性,因?yàn)楹教炱鞯碾姽β视邢?,它的推力非常受限,只有幾十毫牛,大約就是一張紙的重量。如今它主要被應(yīng)用在衛(wèi)星的姿態(tài)控制動(dòng)力系統(tǒng),因?yàn)樗谋葲_非常高,如果用它來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)完成衛(wèi)星從GTO(地球同步轉(zhuǎn)移軌道)到GEO (地球同步軌道)的變軌,可以節(jié)約大量重量。
參考資料 >
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美“黎明”號(hào)探測(cè)器抵達(dá)環(huán)谷神星軌道.搜狐網(wǎng).2023-11-21
乘坐離子推進(jìn)器飛船,實(shí)現(xiàn)太空旅游,中國(guó)有望開(kāi)展深空項(xiàng)目.新浪看點(diǎn).2023-11-24
俄羅斯將于9月10日發(fā)射歐洲GOCE衛(wèi)星.新浪網(wǎng).2023-11-24
俄媒:中國(guó)研制出史上最強(qiáng)大離子噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)-國(guó)際在線.國(guó)際在線新聞.2023-11-24
電推進(jìn)加速技術(shù)現(xiàn)狀及展望.中國(guó)知網(wǎng).2023-11-22
俄研發(fā)出新型離子火箭發(fā)動(dòng)機(jī).今日頭條.2023-11-22
迄今最強(qiáng)離子發(fā)動(dòng)機(jī)完成測(cè)試.今日頭條.2023-11-22