人工降雨方案.docx

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人工降雨方案

火箭撬雨蚀试验设施

方案报告

湖北霍洛曼航空设备工程有限公司

一、项目背景

误！

未定义书签。

二、火箭撬雨蚀试验设施技术指标探讨与确认.

2.1.—现有国内标准

2.2.天然降雨特性

2.3.人工模拟降雨装置主要技术指标

2.4.高速火箭撬雨蚀试验设施具体技术参数确定

三、高速火箭撬雨蚀试验设施方案

3.1.火箭撬雨蚀试验设施性能要求

3.2.

错

7

7

7

8

9

10

10

火箭撬雨蚀试验设施系统组成10

1）

总供水系统11

2）管道及喷淋支撑装置12

3）可移动调节装置13

四、人工模拟降雨系统14

16

1）机架

2）喷头摆动机械传动系统

17

错误！

未定义书签

3）供回水系

17

错误！

未定义书签

4）喷射装置18

5）控制系统19

6）人工模拟降雨装置工作原理19

7）人工模拟降雨装置喷头及供水管路的布局和设计20

8）系统设备清单24

五、火箭撬雨蚀试验设施技术指标的检测25

5.1、新型闭环反馈逼近控制算法25

5.2、现场传感器/执行器设置28

六、小结29

一、项目背景

随着现代化军事和武器的发展，越来越多的现代化武器要求具有高速和

全天候的作战能力。

特别是雷达导弹要求高速和全天候作战能力更强，这样，当

导弹穿过雨区飞行时，雨滴的冲击对位于导弹头部的天线罩造成的破坏（即雨

蚀”将是一个不可忽视的问题，随着现代导弹飞行速度的提高，这个问题将更为突出。

当飞机或导弹高速飞行通过雨区时，其天线罩表面受雨滴的撞击与侵蚀会产生损坏，这种现象称为天线罩的雨蚀。

在飞机或导弹的飞行过程中，雨蚀对天线罩性能有两个重要的影响：

一是雨蚀会引起天线罩壁厚局部变薄、表面粗糙，导致天线罩电气性能下降；二是雨蚀还会引起天线罩局部裂纹和沟槽，造成整体结构损失甚至破裂。

早期的导弹天线罩都采用氧化铝陶瓷，因这种材料硬度较大，耐雨蚀性能极好。

但随着导弹速度和雷达频率的提高，雨蚀对天线罩的破坏作用越来越明显，天线罩表面的温度也明显升高，常使用的氧化铝陶瓷和微晶玻璃等天线罩材料在温度升高到500C以上时，由于材料的介电特性随温度的变化明显的增加和不能承受剧烈地热冲击。

从而使氧化铝陶瓷和微晶玻璃等天线罩材料在导弹速度大于3马赫的情况下，往往不能满足导弹总体性能的要求。

现代导弹天线罩更多地采用了讨热冲击性能和介电特性更为优越的泥铸溶石英肉瓷材料。

适用于

飞行速度大于3~5马赫情况下使用的独特的天线罩的材料。

在国外,SCFS材料已在美制爱国者（SaM—D）导弹和意大利的A:

pl'。

但这种材料的缺点是不够致密、抗雨蚀性能差。

在导弹飞行速度大于3马赫时，雨蚀对天线罩的影响是严重的。

所以,开展对天线罩抗雨蚀技术的研究也是天线罩设计内容的一个重要方面。

天线罩雨蚀

试验是一项十分复杂的技术，目前主要采用的方法有以下几种：

a）雨蚀防护模拟试验装置。

它包括隔离间、旋转臂机构和模拟雨滴的喷淋机构，喷淋机构由水箱、流量仪表、流量阀和喷淋管通过管路连接而成，喷淋管安装在隔离间的天花板上，旋转臂机构安装在隔离间中喷淋管的下方，喷淋机构的结构包括安装

在防护罩中的伺服电机和旋转臂，伺服电机与旋转臂之间通过弹性连轴器和传动轴相连，试验件安装在旋转臂上。

通过伺服电机带动旋转臂高速旋转，安装在臂上的试验件以较高的相对速度穿越雨滴模拟区，雨量的大小通过流量阀控

制，通过控制伺服电机的转数，实现试验件穿越雨滴模拟区相对速度的调节。

b）旋转臂液滴冲蚀试验装置，通常有一个人造雨的环境，其中有一个高速旋转的横臂,其端部装有一个可调多角度的工装盘，旋转臂线速度约为900mrs-1。

最大的旋转臂雨蚀装置是在美国Holloman空军基地，其试验速度可达5马赫（1700m・s-1）。

这类试验设备的体积非常庞，速度实现非常困难；b）火箭橇试验:

把全尺寸天线罩装在火箭橇上，点燃火箭，使火箭橇沿导轨高速通过一段人工降雨区来试验天线罩的受雨破坏情况。

这种方法的优点是试验不受试件尺寸的限制•缺点是试验场地较大，技术实现较为困难。

火箭试验滑轨是当代一种高精度、高速度的大型地面动态模拟试验设施。

我国大型的火箭撬试验滑轨，长度已经达到9000Km火箭橇最大速度可达音

速和超音速（7马赫）;能够承担航空航天乘员救生试验、空气动力试验、降落伞试验、碰撞（包括穿甲、引信）试验、发动机推进系统试验、爆炸冲击试验、惯性制导试验、雨蚀与沙蚀试验、进入自由飞状态的发射试验、弹头软回

湖北霍洛曼航空设备工程有限公司收试验以及其它高科技工业领域的科学技术试验。

火箭滑车试验是用火箭推进的滑车，对飞行器部件、设备进行高加（减）速度、高速气流作用和一些特殊环境的综合性试验，又称火箭橇试验。

与飞行试验相比，这种试验能比较精确地重复模拟所给定的速度、加速度及其变化率，易于观察试验情况和收集测量数据，可以回收试件。

但这种试验有效时间短，空气密度不能控制，无法获得实际高度上的飞行数据。

由轨道产生的振动和地面效应降低了模拟飞行环境的真实性，因而只能作为风洞等地面试验和飞行试验的补充手段。

试验设施：

主要有轨道、滑车和测试设备三个部分：

1轨道：

类似于直线铁路的路轨，有单轨、双轨和三轨几种，但多采用双轨。

轨道通常用经过预制加工的重型钢轨焊接而成，需要有很高的平直度，使用期间还须定期校正，弯曲或表面粗糙的轨道会使滑车产生不应有的过载和振动。

采用水刹车方式的滑轨，轨道之间还有水槽，按一定距离以隔板隔开。

现代世界上最长的滑轨长达16公里。

2火箭滑车：

一般由车体、滑块、动力系统和制动系统组成。

滑车的前后滑块包住轨道的钢轨凸缘，用以支撑滑车和在滑轨上滑行。

动力系统可用固体火箭或液体火箭，也可用固液混合推进剂火箭，也可以制成单独的推进车。

制动系统有水刹车、沙刹车、反推火箭、

阻力伞、拦阻索等几种方式。

3测试设备：

有速度测量系统、光学照相设备、遥测设备和数据处理系统、时间统一系统。

4辅助设施：

主要有维修工厂、发动机装配间、检测校验设备和火箭滑车点火间等。

试验方法：

滑车运行一般分为加速、等速运行、减速滑行和制动4个阶

段。

各个阶段的状态由滑车的重量、气动特性、推进火箭和制动装置的性能来决定。

滑车具有不同的运行性能，借以达到试验所要求的各种速度、加速度和加速度变化率。

滑车的制动多采用水刹车方式，即利用动量转换原理将滑车动能转变为水的动能来实现制动。

当进入制动段时，装在火箭滑车上的戽斗冲破轨道间水槽的隔板，水进入戽斗，经过转向管道，向前进方向高速喷出产生制动力。

制动快慢靠调节各个隔板间的水位高低来控制。

试验内容：

飞行器的部件和设备所进行的火箭滑车试验包括：

1救生设备试验：

包括弹射座椅、分离座舱、牵引救生装置和飞机座舱盖抛盖系统的试验。

2降落伞试验：

新材料和新式样的降落伞可在滑车上试验和测量充气特征、开伞冲击系数、阻力系数、稳定性等基本性能数据。

3导弹弹头和制导系统的试验：

验证动态性能，确定战斗部和引信的控制

湖北霍洛曼航空设备工程有限公司线路和控制程序，也可做穿甲性能试验。

4颤振试验：

对导弹翼面、飞机尾翼进行全尺寸实物的颤振试验，能确定试件的颤振临界速度。

5非金属天线罩试验：

火箭滑车试验场一般都有模拟降雨的设备，降雨量可以调节。

雷达的非金属天线罩的雨蚀试验一般在超音速下进行。

6冲压发动机试验：

在高速火箭滑车上进行超音速气流下的点火和工作性能试验，能保证试验工作的安全性。

火箭滑车试验有时也用来测试火箭喷流引起的气流分离现象和进行高雷诺数的气动试验。

（见彩图）

结合我国最长的火箭橇试验滑轨（ALS:

9Km），建立一个人工模拟降雨

系统（约0.5Km、甚至更长），借以火箭滑车承载试验件高速（3-5马赫）穿越人工雨区进行测试试验，就可模拟雨滴对飞行物及其天线罩浸蚀破坏。

早在上世纪70年代，美国霍洛曼空军基地就在15.6km的火箭撬滑轨上建

立人工模拟降雨装置，对其导弹进行整体雨蚀试验，见下图。

我国至今为止，对雨蚀的研究仅局限室内小型雨蚀试验与研究。

结合

ALS-9km火

m某甬诩效果研究试验中整装待发的火

箭撬滑轨建

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设室外雨蚀试验设施是必要的，意义重大，且投资较低。

二、火箭撬雨蚀试验设施技术指标探讨与确认

2.1、现有国内标准

到目前为止，我国有关室外高速雨蚀试验设施设计建设的相关规范和技术指标要求均是空白。

通过查阅有关资料，我国于2009年5月25日颁布过《军

用装备实验室环境试验方法--第8部分：

淋雨试验》（GJB150.8A-2009）。

本标准试验的目的在于确定下列与淋雨、水喷淋和滴水有关的环境影响：

1）防止水渗入装备的保护罩、壳体和密封垫圈的有效性；

2）装备暴露于水中时以及暴露之后满足其性能要求的能力；

3）由于淋雨造成装备的任何物理损坏；

4）任何除水装置的有效性；

5）检验装备包装的有效性；

本标准对试验条件也做了如下规定：

雨强

雨滴直径

风速

暴露面

水压

预热温度

试验时间

试验

状况

1.7mm/min

0.5-4.5mm

18m/s

全方位

276kPa

差值10度

根据寿命而定

但是，对于室外雨蚀试验来说，一方面，其规定的技术条件偏少，无法对人工模拟降雨装置进行全面详细的设计。

另一方面，有些规定的技术条件在室外无法满足，比如风速、试验件的加热等。

2.2、天然降雨特性

室外雨蚀试验目的主要是模拟高速飞行器（试验件）在天然降雨环境下的

各项性能的有效性。

为此，我们应该从天然降雨的4个特性：

1）降雨强度；

2）降雨分布均匀性；

3）雨滴直径大小和分布；

4）雨滴降落速度；

进行定性和定量分析，确定雨蚀试验设施的最佳试验技术条件和指标。

根据国内外专家几十年来对天然降雨的研究，特别是美国学者罗斯等人对天然降雨雨滴形成过程的研究指出：

天然降雨雨滴形成特性

雨滴直径

雨滴终速度

降落高度

小雨

中雨

大雨

暴雨

0-6mm

2-2.9mm/s

7-9m

15-45mm/h

45-80mm/h

80-120mm/h

120-180mm/h

天然降雨过程

雨强分类

2.3、人工模拟降雨装置主要技术指标

如何在人工模拟降雨装置中实现天然降雨雨滴的形成过程是雨滴发生器设计的关键。

如何合理地确定雨蚀试验技术条件（雨强、雨滴直径、降雨分布均匀度、雨滴终速度或动能）是设计人工模拟降雨装置和雨滴发生器的依据

1）我国使用的人工模拟降雨装置的主要技术性能

研制单位

降雨面积

（点）

降雨形式

落差

（m

雨强范围

（mm/h

雨强控制

使用时间

中科院水文室

3X8

喷嘴水平往复运动

4

12-204

调节总流量

1976年

山西省水保所

5X7

静止喷嘴侧喷

10

24-264

调节喷头数量

1987年

铁科院西南研究所

170

网状喷嘴

5

20-200

调节总流量

70年代末

山西省水保所

2.5X2.5

喷嘴静止下喷

4.6

25-38

改变水压

1988年

辽宁省水保所

10-40

喷嘴静止下喷

11

20-380

改变不同直径喷头

1998年

中科院

2X5

喷头

2.4

70-144

改变压力

2000年

水保所

往复运动

和流速

北京师范大学

3X2.2

喷嘴静止下喷

2.4

20-120

调节流量和压力

2000年

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2）国外人工模拟降雨装置的主要技术性能

研制单位

降雨面积（点）

降雨形式

落差

（m

雨强范围

（mm/h

雨强控制

使用时间

日本原子研究所

0.48X0.48

针头滴水加震动

0.6

20-200

调节总流量

1988年

日本大起

1X1

针头滴水

2

5-50

调节

1984年

株式会

加震动

总流量

英国伊利洛斯大学

12X12

针头压力盒

10

20-180

调节压力

70年代末

日本国立科技中心

3700

不同直径喷嘴下喷

16

20-240

改变水压

1988年

2.4、高速火箭撬雨蚀试验设施具体技术参数确定

根据以上介绍，结合现有ALS-9km火箭撬滑轨的具体情况，拟提出以下具体技术参数，便于前期方案论证设计。

高速火箭撬雨蚀试验设施技术参数

序号

技术指标名称

具体参数

技术要求与规定

备注

1

布局

2X450m

沿滑轨承轨梁两侧布

置，从500---950m

现有轨道起点

2

支撑方式

采用钢筋混凝土支墩做基础支撑，其支墩顶咼不咼于承轨梁水槽底标咼，其它钢结构在非雨蚀试验状态下不得干扰其它试验的正常进行。

3

降雨形式及高度

2.4m

水平摆动下喷喷嘴出水口至试验件表面咼度

4

雨强

2

0-120mm/h.m

小雨0-45mm/h中雨45-80mm/h大雨80-120mm/h

5

雨滴直径

0-6.5mm

6

喷淋范围

2

2.2X450m

7

雨滴终速度

2.0-2.9mm/s

8

雨滴均匀度

70%以上

在试验件表面

9

喷淋持续时间

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三、高速火箭撬雨蚀试验设施方案

3.1、火箭撬雨蚀试验设施性能要求

根据实体模型建设和试验研究的需要，火箭撬雨蚀试验设施必须符合以下

性能要求：

1）装置的降雨均匀性好，能够满足试验；

2）装置可以模拟降雨强度的空间和时间变化，并可模拟黄土高原的高强度降雨过程；

3）装置的可扩展性好（易组合，易移动）；

4）装置便于自动化控制；

5）装置的可靠性高，便于维护；

6）造价较低；

通过分析比较，本项目目前选择下喷式人工降雨装置，该装置可以同时满足以上6项要求。

3.2、火箭撬雨蚀试验设施系统组成

火箭撬雨蚀试验设施解决方案有四大部分组成分为：

总供水系统、管

道及喷淋支撑装置、可移动调节装置、人工模拟降雨系统。

四大部分组成后可以全部实现火箭撬雨蚀试验设施实验的整个过程。

1、总供水系统

总供水系统由蓄水池、供水水泵、主供水管道、阀门（电磁阀）及电路控制系统组成。

1）供水系统工作原理

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如下图

2）供水系统设备设施清单

供水系统设备设施清单表

序号

设备设施名称

规格

数量

备注

1

深井

20m3/h

2口

为蓄水池提供水源

2

蓄水池

800m3

1座

为雨蚀试验提供水源

3

水泵

流里50m/h扬程30m

2台

输水给人工降雨装置高位水箱

4

上水管道

DN100

1200m

5

截止阀

DN100

60只

6

电子溢流阀

DN50

2只

7

焊接三通

DN100

60只

8

弯头

DN100

60只

9

水泵启动控制系统

1套

全自动

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2、管道及人工降雨装置支撑系统

1）主管道采取就地深土掩埋，防止冷冻破坏；

2）高位水箱采取钢筋混凝土支墩，其支墩标高保持一致，如下图；

由4根240X240钢筋混凝土立柱，组

成1500X1500的平台，共计60处。

3）人工模拟降雨装置采取钢筋混凝土丁字支墩，如下图;

每根承轨梁两侧各3个丁字支墩,总计180处。

其上安装水平移动丝杆机构和垂直升降丝杆机构，负责将人工模拟降雨装置调整到工作状态和非工作状态。

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3、可调节移动上升装置系统

1）系统组成

可调节移动上升装置系统由水平

导轨、滑靴式拖车、水平电动丝杆、垂直提升钢架、垂直电动丝杆等组成。

见下图：

2）主要作用与工作原理

其主要作用是负责人工模拟降

雨装置系统横向移动和垂直上升、

降。

当试验开始时，开启垂直丝杆电机，将人工模拟降雨装置提升到试验高度位置，然后启动水平移动丝杆电机，将人工模拟降雨装置和垂直丝杆机构整体平移到位，确保人工模拟降雨装置喷嘴布局满足设计要求。

试验结束时，水平丝杆回位后，垂直丝杆下降回位，将人工模拟降雨装置安放于安全位置。

3）系统设备清单

序号

设备设施名称

规格

数量

备注

1

水平导轨Q100

4.0m/根

1500m

精加工轨道

2

滑靴式拖车

1200X1200

180套

全包滑靴，4处滑靴

3

垂直提上支架

500X500X4800

180套

采用方管焊接

4

水平移动丝杆

3500X©60X2

3.5kw

180套

电机室外防爆电机

5

垂直升降丝杆

3500X©80

3.5kw

180套

电机室外防爆电机

6

移动升降控制系统

60套

全自动，就地控制盒远程

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四、人工模拟降雨系统

根据火箭撬雨蚀试验设施的布局（450m）,因系统管线较长，流体压力损失较大，工况不均匀，拟将其分解成若干套并列独立的人工模拟降雨装置，以15m（长）X2.2m（宽）为一个独立的人工模拟降雨单元，喷淋面积共33m2,

由单独的水泵从水箱提供水源，将喷淋管道安装在距离试验物表面2.4m的高

度；各喷淋单元首尾并排排列，形成整体喷淋系统，按喷淋试验面积计算，喷淋单元沿线30X15=450m两侧布置共60个单元。

每个降雨单元装有一套电子数字阀装置，独立地进行就地控制，可以获得某一种降雨强度的降雨。

再由60个这样独立的降雨单元组合而成，每个降雨单元的电子数字阀装置统一由一台数字电子计算机远程控制。

形成系统统一降雨雨强的控制调节。

降雨覆盖

面积为450mX2.2m,系统的降雨均匀度可达到84%以上。

4.1人工模拟降雨装置参数的实现

在进行模拟降雨的性能检测工作之前，深入了解天然降雨的特性是必要的.天然降雨的主要特性包括：

（1）降雨强度；

（2）降雨分布的均匀性；（3）雨滴直径大小和分布；（4）装置雨滴降落速度等。

目前大多数学者都是以上述降雨特征值作为人工模拟降雨的设计比较和评价。

1降雨强度

目前我国的模拟降雨装置的降雨强度控制主要是通过调节流量和控制压力来实现的。

从雨滴发生器的两个不同方式看，首先以喷头为雨滴发生器的模拟装置，主要是通过选用不同的喷头组合和不同的喷嘴直径来实现不同雨强的效果.一般以喷头为雨滴发生器的雨强范围在30〜150mm/h,由于喷头的工

作压力，雨滴具有一定的初动能，雨强相应要大；另外一种以小孔为雨滴发生

器的模拟装置，小雨强的装置主要是通过改变针号和针数来实现模拟较宽范围的降雨强度，大雨强的模拟装置主要是通过调节供水量和调节振动台的频率来实现不同雨强的效果。

这种模拟降雨装置的雨强范围在2〜100mm/h。

根据

我们的需要采用第一种方式来测量不同雨强下对实验物的打击力，具体划分如

下:

小雨0-45mm/h;中雨45-80mm/h;大雨80-120mm/h;

2降雨分布的均匀性

目前我国模拟降雨装置的降雨分布均匀性测定一般方法是在降雨面上布设一组雨量筒（多个）作为测点，根据各个测点的降雨量，采用均匀性公式计算。

3•雨滴直径大小和分布

降雨雨滴的观测，是研究天然降雨和人工模拟降雨特征及设计人工降雨装置的一项重要工作。

国内外文献报道的雨滴谱测量方法已很多。

如常见的雨滴

谱测试方法有色斑法、面粉团法、摄影法、沉浸法、雷达观测法、光学雨量计法等。

摄影法能方便准确的测出降雨的雨滴大小与分布情况，但高速摄影仪造

价太高，一般人工模拟降雨试验很难接受；浸入法适合于测定较小的雾滴，对大雨滴不适用；面粉团法所需的测量仪器成本低廉，测量成果较可靠，它适用于高强度的降雨，但每次测量中都须让面粉球在取样器中自然风干一天，然后

放在烘箱内105°条件下烘48小时，再高精度电子天平逐级称量的过程，在

野外使用很不方便，且不适用于测量粒径太小的雨滴；色斑法适合于各种人工降雨试验与野外天然降雨研究，此法可以观测到粒径极小的雾滴，国内多采用此方法间接推算雨滴直径，来了解各种降雨中的雨滴特性，该法由于操作简单，成本低廉而在国内外应用最为广泛。

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4、雨滴的降落速度

雨滴降落速度的计算方法：

采用物体降落运动方程式，计算雨滴的降落

速度。

雨滴在空气中下落过程，如果不考虑风等因素的影响，主要受到雨滴自身重量（mg）向下的力与雨滴下落运动受到向上的空气阻力的作用。

最关键的是雨滴降落终点速度，雨滴降落终点速度又叫雨滴末速度或雨滴的打击速度，是降雨动能的重要参数之一。

美国学者罗斯等人对天然降雨雨滴形成过程的研究指出：

天然降雨雨滴的分布，波动在0~6mm;其相应的终点速度为2~2.9mm/s,根据一些学者对雨滴下落速度研究，测定结果指出，具有初速度的下喷式喷头，降雨高度达2m,就可满足不同直径的雨滴获得2~2.9mm/s的终点速度•根据一些数据采用下喷方式，降雨高度在2.4m及供水压力在0.2~1kg/cm时,所测定的雨滴直径为0~7mm.雨滴的平均直径为6.2mm,这一数值与天然降雨雨滴平均直径6.5mm接近。

该系统是火箭撬雨蚀试验设施的关键系统。

在2.2mx450m的试验弹道范围内，拟分成60个规格一致的人工模拟降雨装置单元，每个单元控制分就地控制和远程集成控制。

4.2人工模拟降雨系统组成

人工模拟降雨装置单元由机架、喷头摆动机械传动系统、供回水系统、喷射装置、控制系统等五大部分组成。

1）机架

它是试验装置单元的支撑机构，它将装置内的喷头摆动机械传动系统、供回水系统、喷射装置组装集成在各自位置。

拟采用不锈钢方形管焊接成桁架形

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式，其断面如下图。

主桁架断面尺寸400X

500mm,长度14800mm,悬

挑支臂2180mm,悬挑支臂

由钢丝绳悬索斜拉。

桁架主

要杆件断面尺寸为口40X

2）喷头摆动机械传动系统

它是将动力源从驱动电机传动到摆动喷头，实现喷头的间歇式摆动。

其主要组成包括：

驱动电机、链轮传动机构、可控超越离合器、四连杆机构、联动装置及喷头摆动机构等六部分。

3）供回水系统

主要功能在于利用水泵将高位水箱中的水，通过上水管道以一定压力输送到喷头出口，再由回水管道流回水箱。

该系统由水泵、水箱、上水母管、会水母管、支管、压力表、流量控制阀门等部件组成。

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供回水系统示意图