引信傳爆序列能量匹配性設計與試驗

崔銀鋒, 周偉江, 康 樂

引信傳爆序列能量匹配性設計與試驗

崔銀鋒1, 周偉江2, 康 樂3

(1. 中國人民解放軍陸軍特種作戰學院 機電工程系, 廣東 廣州，510502; 2. 中國人民解放軍92493部隊, 遼寧 葫蘆島, 125000; 3. 中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

文中結合聚能戰斗部所用引信對傳爆序列的實際需求, 設計了一種適用于聚能戰斗部直列式引信用的傳爆序列, 其初級火工元件選用沖擊片雷管, 爆炸網絡采用一點輸入、六點輸出形式的同步起爆網絡, 六點輸出同步性極限偏差在200 ns以內。通過傳爆序列起爆、傳爆以及隔爆能量匹配性設計及試驗, 驗證了傳爆序列各火工元件起爆、傳爆匹配性良好, 在增強對爆炸網絡施主藥柱隔爆措施的情況下, 施主藥柱不會直接起爆戰斗部主裝藥, 由爆炸網絡起爆聚能戰斗部主裝藥, 爆炸能量能夠按照預定的路徑有控制地傳遞, 確保了爆炸網絡正常發揮作用。

聚能戰斗部; 引信; 傳爆序列; 沖擊片雷管; 爆炸網絡; 能量匹配

0 引言

彈藥傳爆序列一般是由一系列激發感度由高到低而輸出能量由低到高的火工品組成的有序排列[1]。傳爆序列的作用是把引信接收到目標的起始信號(或能量)轉變為爆轟波并有效控制地逐級放大, 進而起爆戰斗部主裝藥。根據戰斗部類型的不同和起爆方式的差異, 傳爆序列通常由電雷管、隔板、導爆管(或擴爆板)和傳爆筒(或起爆網絡板)等組成。國外對傳爆序列的研究始于20世紀40年代, 在此之前, 彈藥引信一直采用的是初級直列式傳爆序列。19世紀90年代后期, 出現了隔爆式引信[2]。20世紀中后期, 隨著引信安全系統技術的不斷進步, 以及對系統安全性、可靠性要求的提高, 傳爆序列逐漸由以往的錯位式傳爆序列向直列式傳爆序列發展, 在直列式傳爆序列中已不需要隔板, 由雷管正對下級火工元件, 一個顯著的特征是電雷管逐漸被沖擊片雷管所取代。能量匹配在傳爆序列設計中的基本原則是, 上一級火工品的輸出能量應大于下一級火工品的臨界起爆能量[3]。起爆、傳爆能量匹配性設計是傳爆序列設計的核心。

文中在借鑒多型彈藥傳爆序列成熟技術的基礎上, 以“安全可靠, 有效提高戰斗部毀傷威力”為指導思想, 根據某型聚能戰斗部的起爆要求, 設計了一種直列式引信傳爆序列, 通過陸上試驗, 驗證了傳爆序列起爆、傳爆、隔爆的能量匹配性, 并根據試驗結果對傳爆序列進行了優化改進。

1 傳爆序列設計

1.1 傳爆序列組成

文中所述的傳爆序列主要由雷管和爆炸網絡組成, 其中爆炸網絡包含施主藥柱、導爆索和受主藥柱等。

1.2 初級火工元件選型

傳爆序列初級火工元件一般為電雷管, 基于傳爆序列安全性、可靠性的需要以及引信全電子安全系統技術的日益成熟, 傳爆序列初級火工元件一般采用沖擊片雷管。沖擊片雷管是目前最安全可靠的高能鈍感雷管, 不含任何敏感的起爆藥劑, 僅裝有高密度的鈍感炸藥, 且換能元與藥劑不直接接觸, 具有很高的安全性、可靠性和高瞬發性, 可滿足大型戰斗部高安全性、高可靠性的起爆要求[4]。

1.3 擴爆元件設計

文中傳爆序列的擴爆元件主要指爆炸網絡中的傳爆藥柱, 負責接收沖擊片雷管的起爆能量, 并將其爆炸能量傳遞給下級藥柱, 進而起爆戰斗部主裝藥。擴爆元件的設計重點為傳爆藥的品種選型和傳爆藥柱的結構設計。炸藥的爆速和起爆威力隨裝藥密度的增加而增加, 這有利于傳爆藥的起爆, 但同時隨著密度的增加, 裝藥的感度在下降, 這不利于自身的起爆和爆轟成長。也就是說, 密度增加, 起爆能力增加的同時, 爆轟感度會下降[5]。傳爆藥柱需兼顧起爆能力和起爆感度, 并保證藥柱有足夠的強度, 防止產生裂紋及破碎。高能JH-14傳爆藥具有感度適中、較高爆轟輸出能量、工藝性和安全性好等諸多優點[6], 根據我國當前傳爆藥的技術成熟度、感度和傳爆藥柱結構特點等實際情況, 擴爆元件原材料選用國內的JH-14C作為炸藥品種, 采用壓裝方式。要使一定長度和直徑的主裝藥達到穩定爆轟, 傳爆藥的爆速必須大于主裝藥的臨界爆速, JH-14C的密度一般在1.2～1.7 g/cm3之間, 根據戰斗部主裝藥的特點, 確定傳爆藥柱裝藥密度為1.6 g/cm3。

1.4 爆炸網絡設計

利用爆炸網絡技術, 通過多點起爆方式在主裝藥中形成特定的爆轟波形, 有助于提高聚能戰斗部射流對目標的侵徹效果和穩定性, 滿足不同聚能戰斗部的需要。爆炸網絡多點輸出同步性指標對聚能戰斗部的毀傷威力具有重要影響, 是傳爆序列設計的重要指標之一。

爆炸網絡按載體不同, 通常分為剛性爆炸網絡和柔性爆炸網絡2類。剛性爆炸網絡是以剛性基板為載體的溝槽型爆炸網絡[7]; 柔性爆炸網絡則是利用柔性導爆索制成的爆炸網絡。根據聚能戰斗部設計的起爆方式以及傳爆序列總體設計特點, 借鑒文獻[8]~[11]等研究經驗, 文中設計的爆炸網絡采用柔性爆炸網絡, 爆炸網絡結構如圖1所示, 施主藥柱和受主藥柱之間用柔性導爆索連接。

圖1 爆炸網絡結構圖

爆炸網絡能量傳遞設計為一點輸入、六點輸出(即“一入六出”)形式, 1發施主藥柱接收沖擊片雷管的起爆能量, 通過6根等長度的柔性導爆索傳遞, 同步起爆6發受主藥柱, 再由6發受主藥柱同步起爆戰斗部主裝藥。

1.5 傳爆界面設計

傳爆序列的傳爆界面主要有沖擊片雷管-施主藥柱界面、施主藥柱-導爆索界面、導爆索-受主藥柱界面和受主藥柱-主裝藥界面。

1) 沖擊片雷管-施主藥柱界面

沖擊片雷管正對施主藥柱端面并與其同軸, 由于裝配因素的影響, 雷管輸出端面與施主藥柱端面之間存在空氣隙, 根據雷管起爆能量空間分布、聚黑類炸藥起爆特性以及裝配間隙對傳爆影響等理論, 在開展一定樣本量的驗證試驗基礎上, 可以評估沖擊片雷管-施主藥柱傳爆界面的工作可靠性。

2) 施主藥柱-導爆索、導爆索-受主藥柱界面

爆炸網絡采用鉛銻合金導爆索, JH-14C炸藥起爆鉛銻合金導爆索的可靠性是經過大量工程實踐驗證過的。鉛銻合金導爆索起爆JH-14C炸藥的可靠性與導爆索的索徑密切相關, 導爆索索徑越大, 單位長度的裝藥量越大, 其傳爆能力越強, 但索徑過大, 也會產生其他破壞性效果, 可能造成爆炸網絡功能失效。所以, 選擇合適的導爆索至關重要。MDF2-1鉛銻合金導爆索的索徑較大, 且柔韌性較好, 起爆能量較大, 能夠可靠起爆JH-14C炸藥壓裝成型的受主藥柱。為確保起爆可靠性, 可在受主藥柱的圓柱面上鉆一定深度的小孔, 將導爆索插在受主藥柱的小孔內。

爆炸網絡中的施主藥柱和受主藥柱結構分別如圖2和圖3所示。

圖2 施主藥柱結構圖

3) 受主藥柱-主裝藥界面

圖3 受主藥柱結構圖

受主藥柱與主裝藥之間有一定厚度的金屬層, 起爆能量傳遞形式為無化學反應的沖擊波、爆破作用、破片飛散的綜合效果, 此傳爆界面的工作可靠性與受主藥柱和主裝藥的裝藥品種、裝藥密度、起爆藥柱的外形尺寸(尤其是藥柱直徑)、受主藥柱與主裝藥之間的隔層材料和厚度等密切相關, 用理論計算的方法難度較大, 必須用試驗加以驗證。

1.6 傳爆間隙設計

在傳爆序列中, 雷管與導爆管之間、導爆管與傳爆管之間、傳爆管與戰斗部裝藥之間, 通常不是緊密配合, 而是有空氣、紙、金屬等介質, 其界面間的爆轟傳遞只能通過沖擊波、爆破作用、破片飛散實現。沖擊波起爆適合于界面之間空氣間隙較小或有多種金屬或非金屬介質的場合, 通過沖擊波方式進行爆轟傳遞時, 界面間的介質越少越好, 介質厚度越薄越好。

1.7 起爆能量匹配設計

1.7.1 沖擊波起爆臨界能量

美國康培爾等人以熱起爆理論為基礎, 根據熱平衡方程和約束關系式, 推導出著名的非均相炸藥的起爆判據[12], 即

式中:為沖擊波壓力;為脈沖持續時間。

根據式(2)沖擊波起爆判據及傳爆序列、戰斗部主裝藥選用的炸藥品種特性, 計算每個傳爆界面的起爆臨界能量, 再留有一定裕度, 以確保每個傳爆界面的工作可靠度。

1.7.2 施主藥柱與受主藥柱能量傳遞

非均相炸藥的起爆過程不僅是一個熱點形成的過程, 同時還包括熱點的發展過程, 直至形成穩定爆轟。受主藥柱中熱點的形成和施主藥柱-受主藥柱間有效沖擊起爆能量有關。藥柱間的起爆狀況與兩藥柱接觸面積有關, 爆轟成長區域內, 單位表面積獲得的熱點能量越多, 熱點的傳播越容易實現, 穩定爆轟(起爆)越容易實現。施主藥柱與受主藥柱能量傳遞不僅要考慮炸藥沖擊起爆能量的關系, 還需注意兩藥柱之間的接觸面積。

1.8 隔爆設計

對文中傳爆序列而言, 沖擊片雷管起爆施主藥柱后, 施主藥柱的爆炸能量不能直接起爆戰斗部主裝藥, 而需要按爆炸網絡的預置路徑進行傳爆, 確保爆炸網絡能正常發揮作用。由于施主藥柱藥量較大, 存在施主藥柱直接起爆戰斗部主裝藥的風險, 故在施主藥柱與戰斗部主裝藥之間增加了隔爆設計。隔爆設計的主要內容為隔爆材料選擇以及結構設計。該傳爆序列隔爆墊材料為聚碳酸酯樹脂, 隔爆措施由隔爆層和隔爆墊兩部分實現, 外形均為實心圓柱狀, 隔爆層裝配在爆炸網絡內部施主藥柱下方, 隔爆墊放置在傳爆序列外部, 位于施主藥柱軸向輸出端與戰斗部主裝藥之間。

1.9 安全性設計

傳爆序列要求結構簡單, 便于貯存, 平時安全, 戰時可靠。根據我國當前傳爆序列的技術進展, 采用非電傳爆系統作為傳爆序列是比較理想的選擇。非電傳爆系統一般由鈍感起爆器、傳爆元件與各種功能元件組成, 能夠完成電起爆分系統所能完成的起爆、傳爆等功能[14]。使用非電傳爆系統的目的是減少電火工裝置的數量, 提高首發元件電火工品的安全性和發火能量, 從而提高系統的安全性[15]。該傳爆序列即為一種非電傳爆系統, 其首發電火工品為沖擊片雷管, 安全性較高, 只有滿足特定條件才能引爆輸出。爆炸網絡的安全性主要表現為JH-14C炸藥的安全性和鉛銻合金導爆索的安全性, 這2類火工品都屬于非電火工品, 在沒有雷管、導爆管等外界爆炸能量刺激的條件下, 一般不會意外輸出。

1.10 可靠性設計

傳爆序列界面傳爆可靠性設計時, 從火工品可靠發火的極限輸入能量計算可知, 當把傳爆序列受主藥柱當作一個火工品元件對待時, 只要來自傳爆序列受主的輸入能是其臨界起爆能量的2倍時, 就可以認為傳爆可靠。工作可靠度一般應不低于0.999(置信度0.8)。

2 起爆、傳爆及隔爆匹配性試驗驗證

2.1 傳爆序列起爆、傳爆匹配性試驗

起爆、傳爆匹配性試驗主要驗證沖擊片雷管起爆爆炸網絡的施主藥柱、施主藥柱起爆導爆索、導爆索起爆受主藥柱、受主藥柱起爆模擬主裝藥等環節的起爆、傳爆功能是否正常, 火工元件設計是否合理, 并檢測爆炸網絡6發受主藥柱的爆炸同步性, 測試6個輸出點的起爆同步性極限偏差。

爆炸網絡組裝完畢后, 將其裝配至網絡基板上(如圖4所示), 再蓋上蓋板, 形成起爆網絡板。起爆網絡板施主藥柱下方設計有隔爆層, 起爆網絡板中心的雷管座用于接插沖擊片雷管。

圖4 裝配爆炸網絡的網絡基板

利用電探針法進行起爆網絡板爆炸同步性能測試, 分別在每個輸出起爆點下方布置1只測試探針(如圖5所示), 當爆轟波傳到同步爆炸網絡輸出起爆點端面時, 測試探針將爆轟波信號轉換為電信號輸入到示波器, 由示波器記錄同步起爆網絡起爆點作用的同步性信號, 即測試每只探針的閉合時間并以此作為起爆點作用的同步性信息。將起爆網絡板放置于一塊鋼質見證板上進行起爆、傳爆匹配性試驗(如圖6所示), 試驗數量3發。

圖5 布置探針的起爆網絡板

圖6 待試的起爆網絡板

雷管起爆后, 見證板被炸出6個明顯的凹痕, 且凹痕規則地排列呈圓周形(如圖7所示), 表明起爆網絡板施主藥柱被沖擊片雷管成功起爆, 6發受主藥柱均被導爆索引爆。

圖7 被起爆網絡板炸后的見證板

經測試, 3次試驗6個起爆輸出點的起爆同步性極限偏差測試結果見表1, 輸出同步性良好, 最大同步性極限偏差為195 ns。此外, 見證板中心部位出現一定深度的被爆炸沖擊過的痕跡, 表明起爆網絡板施主藥柱爆炸后, 雖然因隔爆層的作用對施主藥柱的軸向爆炸能量產生了一定衰減, 但還存在著施主藥柱可能直接起爆戰斗部主裝藥的風險, 必須采取一定隔爆措施, 消除風險。

表1 輸出同步性測試數據

3次試驗結果表明, 沖擊片雷管起爆施主藥柱、施主藥柱起爆導爆索及導爆索起爆受主藥柱等環節能量匹配性良好。

2.2 傳爆序列與模擬主裝藥起爆匹配性試驗

傳爆序列與模擬主裝藥起爆匹配性試驗按圖8所示的方法進行布置, 試驗數量3發。試驗時采用同步爆炸網絡的局部結構進行, 模擬主裝藥置于見證板上, 在模擬主裝藥端面上放置爆炸網絡局部結構的受主藥柱, 并根據起爆網絡板結構設計情況, 在受主藥柱與模擬主裝藥之間放置金屬隔層, 受主藥柱上端面放置雷管座, 用來安裝起爆受主藥柱的雷管。

圖8 起爆匹配性試驗產品布置示意圖

3次試驗受主藥柱均可靠起爆了模擬主裝藥, 被炸后的見證板如圖9所示, 傳爆序列受主藥柱與模擬主裝藥之間能量匹配性良好。

2.3 傳爆序列隔爆匹配性試驗

隔爆匹配性試驗采用起爆網絡板中的施主藥柱和局部基板結構進行。隔爆匹配性試驗按圖10所示的方法布置, 試驗數量6次。施主藥柱被起爆后, 若模擬主裝藥殉爆, 判定隔爆措施無效; 否則, 判隔爆措施有效。隔爆墊材料為聚碳酸酯樹脂, 作為隔爆層隔爆效果的補充。

圖9 被模擬主裝藥炸后的見證板

圖10 隔爆匹配性試驗產品布置示意圖

第1發試驗隔爆墊厚度為5 mm, 施主藥柱被沖擊片雷管起爆并震碎了模擬主裝藥, 見證板上灑落著模擬主裝藥的顆粒和粉末, 沒有發生殉爆現象, 初步表明增加5 mm的隔爆墊后隔爆措施有效。

鑒于第1發試驗模擬主裝藥未發生殉爆, 第2發試驗時去掉隔爆墊, 施主藥柱與模擬主裝藥正對, 兩者之間僅有一層局部基板結構底部的金屬材料。起爆后, 模擬主裝藥發生了殉爆, 見證板被炸出較大的凹坑, 并產生破裂。

第3～第6發試驗時, 均用厚度為5 mm的隔爆墊, 施主藥柱均被沖擊片雷管可靠起爆, 模擬主裝藥被震碎, 未發生殉爆。表明在有隔爆層的基礎上, 在施主藥柱與主裝藥之間再增加5 mm厚的聚碳酸酯樹脂材料的隔爆墊, 能夠起到有效隔爆作用。6發試驗的見證板如圖11所示。

6發起爆、傳爆匹配性試驗和6發隔爆匹配性試驗表明, 文中設計的傳爆序列各火工元件起爆、傳爆匹配性良好, 沖擊片雷管能夠可靠起爆爆炸網絡的施主藥柱, 鉛銻合金導爆索MDF2-1能夠良好接收和傳遞施主藥柱的爆炸能量, 并可靠引爆受主藥柱, 6發受主藥柱同步輸出爆炸能量, 產生特定起爆方式, 起爆戰斗部主裝藥。爆炸網絡隔爆功能設計還有待加強, 在原有隔爆措施(隔爆層)基礎上, 在施主藥柱與主裝藥之間再增加不小于5 mm厚的聚碳酸酯樹脂材料的隔爆墊, 能夠有效起到隔爆作用, 確保爆炸網絡能夠有效發揮作用。

圖11 隔爆試驗后的見證板

3 傳爆序列設計改進

經過傳爆序列設計和起爆、傳爆、隔爆匹配性驗證試驗, 結合傳爆序列對高安全性、高可靠性的需求, 可對傳爆序列進行一系列優化改進設計, 滿足系統更高的使用需求。

3.1 雷管

采用冗余設計原則, 傳爆序列的初始火工元件由1發沖擊片雷管改進為2發沖擊片雷管的組合, 并將2發沖擊片雷管固定于一個金屬結構中, 形成雷管組合件。

3.2 施主藥柱

參考文獻[3], 考慮到雷管與導爆索直徑匹配與傳爆的關系, 兼顧輸入感度和威力兩方面, 并結合雷管組合件采用冗余設計的優化改進, 將爆炸網絡施主藥柱改進為由2個小藥柱和一個帶2個小孔的大藥柱組合而成, 2個小藥柱分別對準雷管組合件的2個沖擊片雷管。為提高施主藥柱的起爆感度, 2個小藥柱的密度較帶孔大藥柱的密度低約0.5 g/cm3。

3.3 受主藥柱

為提高受主藥柱起爆戰斗部主裝藥的可靠性, 其外形尺寸較之前有所增大, 相應提高了裝藥量。

3.4 導爆索

爆炸網絡之前采用的鉛銻合金導爆索, 外殼為鉛銻合金, 具有良好的柔性。考慮到以后起爆網絡有可能也采用冗余設計, 如果爆炸網絡由于輸出起爆點過多產生導爆索之間搭接的情況, 則鉛銻合金導爆索會在2根導爆索搭接的地方產生傳爆干擾, 可改用限制性導爆索代替。傳遞爆轟時, 限制性導爆索的包覆層能將爆轟產物及碎片封閉在金屬殼內而不損壞相鄰零部件, 無污染性。限制性導爆索索芯較細、單位長度藥量較小、輸出能量較小, 在被施主藥柱起爆后, 再起爆受主藥柱可靠性較低, 借鑒文獻[16]~[17]的研究經驗, 將限制性導爆索設計為導爆索組件。在導爆索輸出端頭加裝傳爆接頭, 傳爆接頭內部裝填炸藥HNS-Ⅳ。工作時, 施主藥柱引爆限制性導爆索, 限制性導爆索傳遞爆轟起爆傳爆接頭中的HNS-Ⅳ, 再由HNS-Ⅳ起爆受主藥柱。相關研究表明[18-20], HNS-Ⅳ炸藥的起爆判據已經得到了充分掌握, 起爆能量匹配設計能夠得到保證。此舉雖然增加了傳爆環節, 但傳爆接頭的加入降低了導爆索不能直接起爆受主藥柱的技術風險, 提高了導爆索組件傳爆的可靠性。

3.5 爆炸網絡

在施主藥柱和受主藥柱結構改變、導爆索由鉛銻合金導爆索更改為限制性導爆索的情況下, 傳爆序列的爆炸網絡也需做相應結構調整，但傳爆線路保持不變。

3.6 隔爆塊

將隔爆層與隔爆墊合并設計為隔爆塊, 隔爆塊作為傳爆序列的一部分, 厚度不小于隔爆層與隔爆墊厚度之和, 結構設計可結合起爆網絡板的結構設計統籌考慮。

4 結論

文中設計的引信傳爆序列采用具有高安全性、高可靠性、高瞬發性特點的沖擊片雷管作為首發元件, 雙發雷管冗余合并為雷管組合件, 提高了傳爆序列的可靠性; 爆炸網絡采用“一入六出”形式的同步網絡, 能夠產生特定起爆波形, 滿足聚能戰斗部使用需求; 施主藥柱、受主藥柱選用傳爆藥JH-14C, 施主藥柱由具有密度差的3發藥柱組合而成, 最大化滿足冗余設計準則且易于起爆; 傳爆通道由限制性導爆索與傳爆接頭有機結合, 不但能提高導爆索傳爆可靠性, 并且為爆炸網絡傳爆線路冗余設計預留了空間; 采用一定厚度的聚碳酸酯樹脂材料設計成隔爆塊, 能夠有效衰減施主藥柱的爆炸能量, 避免施主藥柱直接起爆戰斗部主裝藥, 確保爆炸網絡能夠正常發揮作用。上述設計大幅提高了傳爆序列的安全性和可靠性。傳爆序列起爆、傳爆及隔爆匹配性試驗驗證了傳爆序列各火工元件起爆、傳爆匹配性良好, 在增強對爆炸網絡施主藥柱隔爆措施的情況下, 施主藥柱不會直接起爆戰斗部主裝藥, 爆炸能量將按照預定的路徑有控制地傳遞。

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Design and Test of Energy Matching for Detonation Train of Fuze

CUI Yin-feng1, ZHOU Wei-jiang1, KANG Le2

(1. Department of Mechanical and Electronic Engineering, Army Special Operations Academy of PLA, Guangzhou 510502, China; 2. 92493thUnit, the People’s Liberation Army of China, Beijing 101400, China; 3. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

A detonation train suitable for shaped-charge warhead direct-line fuze is designed according to its actual demand. Impact detonator is used for the primary pyrotechnic components. The explosion network adopts synchronous initiation network in the form of ‘one point input and six-point output’, and the synchronization limit deviation of the six-point output is within 200 ns. Through design and test of the energy matching in detonation train initiation, explosion spreading and explosion suppression, it is proved that all components in detonation train have good energy matching in the initiation and explosion spreading phases. In the case of enhancing explosion suppression for explosion network donor grainl, the donor grainl does not directly initiate the main charge in warhead, and the explosive energy will transfer along the predetermined path in a controlled manner to ensure that the explosion network works properly and the main charge in the shaped-charge warhead is initiated by the explosion network.

shaped-charge warhead; fuze; detonation train; impact detonator; explosion network; energy matching

TJ630.1; TJ410.1

A

2096-3920(2020)03-0337-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.03.015

2019-06-17;

2019-08-14.

崔銀峰(1982-), 女, 講師, 主要研究方向為計算機科學與技術.

崔銀鋒, 周偉江, 康樂. 引信傳爆序列能量匹配性設計與試驗[J]. 水下無人系統學報, 2020, 28(3): 337-344.

(責任編輯: 楊力軍)