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科技創(chuàng)新助力探索浩瀚星河

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從火箭技術(shù)到衛(wèi)星技術(shù),從回收與復(fù)用技術(shù)到航天測(cè)控通信技術(shù),每一個(gè)技術(shù)分支都在不斷進(jìn)步,推動(dòng)著商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。

商業(yè)航天就像是人類施向太空的魔法,向普通大眾揭開(kāi)了太空的神秘面紗,把科幻電影里的場(chǎng)景變成了現(xiàn)實(shí)。

商業(yè)航天是以市場(chǎng)為導(dǎo)向、以企業(yè)為主體、以太空探索和利用為目的的經(jīng)濟(jì)活動(dòng),涵蓋火箭發(fā)射、衛(wèi)星應(yīng)用、太空旅游等多個(gè)領(lǐng)域,旨在通過(guò)商業(yè)手段實(shí)現(xiàn)太空資源的利用和太空技術(shù)的應(yīng)用。人類要想探索浩瀚星河,少不了助推商業(yè)航天的“引擎”—— 科技創(chuàng)新。

“太空列車”的發(fā)動(dòng)機(jī)

火箭技術(shù),作為商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)的核心驅(qū)動(dòng)力,被形象地比喻為商業(yè)航天的“發(fā)動(dòng)機(jī)”,是人類叩響太空之門的關(guān)鍵鑰匙。在電影《流浪地球》中,那些宏偉壯觀且連接天地的太空電梯讓人印象深刻。這一極具想象力的科幻構(gòu)想,其原型植根于火箭技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

火箭的心臟就是發(fā)動(dòng)機(jī),它的性能直接決定了火箭能飛多遠(yuǎn)、運(yùn)多少;鸺l(fā)動(dòng)機(jī)可以分為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。顧名思義,固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)采用固體推進(jìn)劑作為燃料,像個(gè)大型“沖天炮”,其成本相對(duì)較低,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高,可隨時(shí)發(fā)射,適合那些需要快速響應(yīng)的發(fā)射需求。而液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)采用液體燃料,如液氫、液氧等,能量密度高,使得液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)能夠飛得更遠(yuǎn)、運(yùn)載能力更強(qiáng),但是液體燃料需要低溫儲(chǔ)存且在發(fā)射時(shí)進(jìn)行加注,因此液體火箭通常發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)。

固體火箭在我國(guó)商業(yè)航天中主要用于小型衛(wèi)星發(fā)射,有快舟、捷龍等系列。固體火箭的成熟技術(shù)和快速響應(yīng)能力使其在特定領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)?熘垡惶(hào)甲是由中國(guó)航天科工集團(tuán)研制的三級(jí)固體運(yùn)載火箭,全長(zhǎng)約20米,起飛質(zhì)量約30噸,700千米太陽(yáng)同步軌道的運(yùn)載能力為200千克,近地軌道運(yùn)載能力為300千克,主要面向微小衛(wèi)星發(fā)射和組網(wǎng),具備一箭多星發(fā)射能力。捷龍三號(hào)火箭是由中國(guó)航天科技集團(tuán)研制的四級(jí)固體運(yùn)載火箭,可實(shí)現(xiàn)零窗口、全方位發(fā)射,72小時(shí)內(nèi)完成星箭技術(shù)準(zhǔn)備和發(fā)射任務(wù),全箭總長(zhǎng)31.8米,箭體最大直徑2.65米, 起飛質(zhì)量140噸,500千米太陽(yáng)同步軌道運(yùn)載能力1.5噸。

火箭發(fā)射 圖 /AI生成

固體火箭運(yùn)載能力有限,難以滿足未來(lái)商業(yè)航天市場(chǎng)對(duì)大型衛(wèi)星和高軌道發(fā)射的需求。液體火箭是我國(guó)商業(yè)航天的未來(lái)發(fā)展方向,國(guó)內(nèi)多家商業(yè)航天公司都在積極布局液體火箭的研發(fā)和應(yīng)用。液體火箭在商業(yè)航天市場(chǎng)中具有較大的潛力,尤其是在大型衛(wèi)星發(fā)射和可回收火箭技術(shù)方面。大家熟悉的“胖五”——長(zhǎng)征五號(hào)就是一種大型低溫液體捆綁式運(yùn)載火箭,火箭全箭總長(zhǎng)56.97米,起飛質(zhì)量約869噸,具備近地軌道25噸、地球同步轉(zhuǎn)移軌道14噸的運(yùn)載能力。長(zhǎng)征五號(hào)研制成功,標(biāo)志著中國(guó)運(yùn)載火箭實(shí)現(xiàn)升級(jí)換代,是由航天大國(guó)邁向航天強(qiáng)國(guó)的關(guān)鍵一步。

火箭又是如何在飛行中改變方向的呢?我們知道,火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的火焰是它的動(dòng)力來(lái)源,那么推力矢量控制技術(shù),就是通過(guò)改變噴出火焰的方向,來(lái)改變火箭的飛行方向。它通過(guò)調(diào)節(jié)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的方向,改變發(fā)動(dòng)機(jī)推力的作用點(diǎn),從而控制火箭的姿態(tài)。該技術(shù)通過(guò)精確控制飛行方向,可以使火箭的飛行更加機(jī)動(dòng)靈活,進(jìn)而減少不必要的燃料消耗,提升火箭運(yùn)載能力,并且可以應(yīng)對(duì)各種氣流干擾。更重要的是,對(duì)于可重復(fù)使用的火箭,推力矢量控制技術(shù)可以幫助火箭在返回地球時(shí)精確控制著陸位置,就像一個(gè)熟練的飛行員,可以精準(zhǔn)降落在指定地點(diǎn)。例如,中國(guó)科學(xué)院的力箭一號(hào)就搭載了推力矢量控制技術(shù)來(lái)提升火箭飛行精度。

火箭在大氣層中飛行時(shí),空氣會(huì)像水流一樣“拍打”火箭,使其無(wú)法保持平衡,此時(shí)安裝在火箭尾部的氣動(dòng)控制面(如柵格翼、翼面等)就像給火箭裝上“小翅膀”,“小翅膀”通過(guò)改變其角度,讓空氣流動(dòng)的方向發(fā)生變化,從而對(duì)火箭產(chǎn)生一個(gè)反作用力,這個(gè)反作用力可以幫助火箭調(diào)整姿態(tài),比如向上、向下、向左、向右,或者保持平衡。舉個(gè)例子,如果火箭在飛行中稍微向左傾斜,氣動(dòng)控制面會(huì)自動(dòng)調(diào)整角度,讓空氣對(duì)火箭產(chǎn)生一個(gè)向右的推力,把火箭“扶正”。這個(gè)過(guò)程就像我們?cè)隍T自行車時(shí),身體稍微傾斜,車輪會(huì)自動(dòng)調(diào)整方向,幫助我們保持平衡。該技術(shù)一般用于大氣層內(nèi)的火箭姿態(tài)控制。例如,中國(guó)航天科工集團(tuán)的快舟一號(hào)和藍(lán)箭航天發(fā)布的朱雀三號(hào)都利用到該技術(shù)來(lái)調(diào)整飛行姿態(tài)和落點(diǎn)控制。

當(dāng)然,除了上述技術(shù)外,反應(yīng)控制系統(tǒng)(RCS)也對(duì)火箭飛行中調(diào)整飛行姿態(tài)起到至關(guān)重要的作用。它主要由一組小型發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴組成,這些噴嘴主要分布在火箭的頭部、尾部和側(cè)面,每個(gè)噴嘴都可以獨(dú)立工作,當(dāng)需要調(diào)整姿態(tài)時(shí),該噴嘴通過(guò)噴射高速氣體產(chǎn)生微小的推力來(lái)助力火箭的軌道機(jī)動(dòng)和姿態(tài)微調(diào)。

突破地球引力束縛、實(shí)現(xiàn)高效太空運(yùn)輸、提升有效載荷,對(duì)火箭材料的選擇至關(guān)重要。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料號(hào)稱航天科技中的“黑黃金”,具有輕量化、耐高溫、抗疲勞、耐腐蝕的特性,其密度不到鋼的四分之一,抗拉強(qiáng)度卻能夠達(dá)到鋼的7~9倍,并可在2000℃以上的高溫環(huán)境中保持穩(wěn)定狀態(tài),也被譽(yù)為“航天嚴(yán)選”的優(yōu)質(zhì)材料。在長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭的研制中,中國(guó)航天科技集團(tuán)采用了碳纖維復(fù)合材料“3+2”蜂窩夾層結(jié)構(gòu)整體成型技術(shù),實(shí)現(xiàn)火箭尾段減重400公斤。

太空中的“千里眼”和“順風(fēng)耳”

商業(yè)航天是利用商業(yè)模式運(yùn)營(yíng)的航天活動(dòng),旨在通過(guò)商業(yè)市場(chǎng)的方式開(kāi)展航天技術(shù)和服務(wù)的研發(fā)、制造、發(fā)射和應(yīng)用。人造衛(wèi)星作為商業(yè)航天的關(guān)鍵組成部分,應(yīng)用非常廣泛 ,如衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星遙感等領(lǐng)域。人造衛(wèi)星猶如“千里眼”和“順風(fēng)耳”,不僅能看清楚太空中的景象,還能和地球上的設(shè)備進(jìn)行“對(duì)話”。

遙感衛(wèi)星好比太空中的“千里眼”,它能拍下地球表面的高清圖像,幫助人們了解地球上的各種情況。高分辨率遙感衛(wèi)星更是“火眼金睛”,能清晰地識(shí)別地面上的小型物體,為國(guó)土資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)估產(chǎn)等領(lǐng)域提供寶貴的數(shù)據(jù)。中國(guó)航天科技集團(tuán)發(fā)射的高景一號(hào)衛(wèi)星星座,就是我國(guó)首個(gè)0.5米級(jí)高分辨率商業(yè)遙感衛(wèi)星星座,它的出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)了國(guó)外長(zhǎng)期壟斷亞米級(jí)商業(yè)遙感數(shù)據(jù)的局面。未來(lái),在科技的加持下,它們的分辨率會(huì)更高,甚至可能看清每一片樹(shù)葉,重訪周期也會(huì)更短,就像一個(gè)“實(shí)時(shí)監(jiān)控器”,可以隨時(shí)更新地球的動(dòng)態(tài)。低軌衛(wèi)星星座的建設(shè)會(huì)讓遙感衛(wèi)星“無(wú)處不在”,災(zāi)害預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)會(huì)更快、更精準(zhǔn)。

作為無(wú)線電中繼站,通信衛(wèi)星技術(shù)就像是太空中的“順風(fēng)耳”,它能讓信息在全球范圍內(nèi)快速傳遞。高通量通信衛(wèi)星是通信衛(wèi)星中的“佼佼者”,它能提供高速互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù),讓航空、航海、偏遠(yuǎn)地區(qū)的人們都能享受到便捷的通信服務(wù)。實(shí)踐十三號(hào)衛(wèi)星是中國(guó)首顆高軌道高通量通信衛(wèi)星,由中國(guó)航天科技集團(tuán)五院研制,其通信總?cè)萘窟_(dá)20Gbps以上,讓人們?cè)诟哞F、飛機(jī)上實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)沖浪的夢(mèng)想。

隨著技術(shù)的進(jìn)步,低軌道衛(wèi)星正在改變傳統(tǒng)衛(wèi)星通信的格局,這些衛(wèi)星離地球更近,延遲更低,能提供更快的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù),未來(lái)甚至可能讓全球每個(gè)角落都能享受到高速網(wǎng)絡(luò)。上海牽頭的千帆星座一期部署648顆衛(wèi)星,提供區(qū)域網(wǎng)絡(luò)覆蓋;二期部署1296顆衛(wèi)星,實(shí)現(xiàn)全球網(wǎng)絡(luò)覆蓋;三期規(guī)劃由超過(guò)1.5萬(wàn)顆衛(wèi)星為地球村的每一個(gè)角落提供多元融合服務(wù)。

助推器 圖 /AI 生成

導(dǎo)航衛(wèi)星,就像是太空中的“指南針”,它能為全球用戶提供精準(zhǔn)的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS),如北斗、GPS、GLONASS等,通過(guò)多顆衛(wèi)星組成的星座,實(shí)現(xiàn)了全球覆蓋,讓你隨時(shí)隨地知道自己身在何處。北斗衛(wèi)星是中國(guó)航天界的“太空明星”,它不僅是中國(guó)的驕傲,更是全球?qū)Ш筋I(lǐng)域的“超級(jí)巨星”。北斗是全球第一個(gè)提供三頻信號(hào)服務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),這意味著,如果一個(gè)頻率信號(hào)被干擾,它還能用另外兩個(gè)頻率繼續(xù)工作,定位精度和抗干擾能力都超強(qiáng)。GPS還在用雙頻信號(hào),而北斗已經(jīng)領(lǐng)先一步。北斗的短報(bào)文通信功能堪稱“黑科技”。以前求救者發(fā)出信息后不知道對(duì)方是否收到,而北斗實(shí)現(xiàn)了雙向溝通,求救者不僅能發(fā)出信息,還能收到確認(rèn)回復(fù),這種功能在緊急救援中簡(jiǎn)直是“救命神器”。北斗三號(hào)系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全球覆蓋,不僅能為全球提供定位導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù),還能提供國(guó)際搜救和全球短報(bào)文通信服務(wù)。它與GPS、GLONASS、Galileo系統(tǒng)并駕齊驅(qū),成為全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之一。

太空經(jīng)濟(jì)的“省錢法寶”

傳統(tǒng)的火箭和衛(wèi)星在執(zhí)行完任務(wù)后便會(huì)被廢棄,不僅成本高,而且還可能產(chǎn)生一些垃圾污染太空環(huán)境;厥张c復(fù)用技術(shù),堪稱商業(yè)航天的“省錢法寶”,它能讓火箭和衛(wèi)星這些昂貴的設(shè)備多次使用,大大降低成本;鸺厥占夹g(shù),就像是給火箭裝上了“返程票”,其通過(guò)柵格翼、發(fā)動(dòng)機(jī)矢量控制等技術(shù),能按照預(yù)定軌跡返回,并在指定區(qū)域軟著陸,為再次發(fā)射做好準(zhǔn)備。長(zhǎng)征十二號(hào)甲是中國(guó)航天科技集團(tuán)八院抓總研制的一款可重復(fù)使用火箭,2024年6月,它完成了國(guó)內(nèi)首次十公里級(jí)垂直起降回收試驗(yàn),這是目前國(guó)內(nèi)執(zhí)行過(guò)最大規(guī)模的垂直起降回收測(cè)試,標(biāo)志著中國(guó)在火箭回收技術(shù)上邁出了重要一步。藍(lán)箭航天自主研發(fā)的朱雀三號(hào)VTVL-1可重復(fù)使用垂直起降回收試驗(yàn)箭堪稱“太空舞蹈家”,2024年9月,它成功完成了十公里級(jí)垂直起降返回飛行試驗(yàn),驗(yàn)證了垂直起降返回火箭空中二次點(diǎn)火和跨音速大動(dòng)壓環(huán)境下“柵格舵-冷氣姿控-發(fā)動(dòng)機(jī)”聯(lián)合制導(dǎo)控制等關(guān)鍵技術(shù),這是國(guó)內(nèi)商業(yè)航天的重大突破。

衛(wèi)星回收與再利用,就像是給衛(wèi)星來(lái)了個(gè)“職業(yè)生涯第二春”。衛(wèi)星在完成任務(wù)后,通過(guò)推進(jìn)系統(tǒng)使其脫離軌道并調(diào)整姿態(tài),以精確的角度再次進(jìn)入大氣層后,與大氣產(chǎn)生劇烈摩擦,速度迅速降低,外部溫度急劇升高,此時(shí)衛(wèi)星的熱防護(hù)系統(tǒng)開(kāi)始發(fā)揮作用,保護(hù)衛(wèi)星內(nèi)部的設(shè)備和載荷免受高溫的損壞。當(dāng)衛(wèi)星下降到一定高度時(shí),降落傘系統(tǒng)啟動(dòng)進(jìn)一步減速,在接近地面時(shí),衛(wèi)星底部的氣囊開(kāi)始充氣減輕著陸時(shí)的沖擊力,保護(hù)衛(wèi)星和內(nèi)部載荷的安全,衛(wèi)星著陸后地面回收人員迅速到達(dá)著陸現(xiàn)場(chǎng),完成對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行檢查和回收。

2024年10月11日,我國(guó)成功回收了首顆可重復(fù)使用返回式技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星——實(shí)踐十九號(hào),該任務(wù)標(biāo)志著我國(guó)在衛(wèi)星回收技術(shù)上邁出了重要一步。實(shí)踐十九號(hào)衛(wèi)星不僅成功完成了多項(xiàng)技術(shù)驗(yàn)證,還搭載了植物種子和微生物進(jìn)行空間育種試驗(yàn),為農(nóng)業(yè)和生物技術(shù)發(fā)展提供了重要支持,它就像一個(gè)“太空快遞員”,完成任務(wù)后精準(zhǔn)返回地球,為未來(lái)的衛(wèi)星回收和重復(fù)使用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

太空與地球的“熱線電話”

商業(yè)航天的航天器發(fā)出后,需要持續(xù)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控和控制,而此時(shí)的“熱線電話”——航天測(cè)控通信技術(shù)至關(guān)重要,如航天器的飛行軌跡、姿態(tài)和工作狀態(tài)的測(cè)量、監(jiān)視與控制任務(wù)等等,它是航天器從起飛至壽命結(jié)束過(guò)程中天地聯(lián)系的唯一手段。而地面測(cè)控站又是航天測(cè)控通信系統(tǒng)的重要組成部分,它是連接地球與太空航天器的關(guān)鍵樞紐,可對(duì)航天器進(jìn)行跟蹤測(cè)量、控制和通信。

地面測(cè)控站的設(shè)備包括外測(cè)系統(tǒng)、遙測(cè)系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、電視系統(tǒng)、時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)、計(jì)算系統(tǒng)以及輔助設(shè)備。其中,外測(cè)系統(tǒng)是地面測(cè)控站的主體部分,其任務(wù)是對(duì)航天器進(jìn)行跟蹤測(cè)量,獲取航天器的運(yùn)動(dòng)參數(shù),確定航天器的軌道和位置,精準(zhǔn)檢測(cè)航天器的一舉一動(dòng)。遙測(cè)系統(tǒng)的任務(wù)是接收從航天器發(fā)送的關(guān)于航天器上設(shè)備工作狀態(tài)、空間環(huán)境參數(shù)和宇航員的生理信息等。電視系統(tǒng)用于接收有關(guān)載人航天器的動(dòng)態(tài)作業(yè)情況,觀察航天員在航天器內(nèi)和艙外的活動(dòng)。計(jì)算系統(tǒng)則是整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的核心,要求大容量、高速度的計(jì)算機(jī),來(lái)滿足快速精準(zhǔn)處理海量遙測(cè)數(shù)據(jù)、精確計(jì)算軌道參數(shù)、高效生成并發(fā)送控制指令、穩(wěn)定管理通信鏈路的需求。時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)用于為地面測(cè)控站提供精確標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基準(zhǔn),同步各設(shè)備時(shí)間,保障測(cè)控?cái)?shù)據(jù)準(zhǔn)確性和任務(wù)協(xié)同性。

我國(guó)在國(guó)內(nèi)有5個(gè)陸上測(cè)控站,包括東風(fēng)站、渭南站、青島站、廈門站、喀什站,在國(guó)外有4個(gè)陸上測(cè)控站,包括卡拉奇站、納米比亞站、馬林迪站和智利站。

火箭回收 圖 /AI 生成

由于地球是球體,地面測(cè)控站的信號(hào)覆蓋范圍有限,隨著航天器的飛行,會(huì)超出測(cè)控站的視距范圍。中繼衛(wèi)星位于地球靜止軌道,相當(dāng)于在太空中架設(shè)了一個(gè)信號(hào)中轉(zhuǎn)站,可以接收航天器的信號(hào)并轉(zhuǎn)發(fā)到地面測(cè)控站,大大擴(kuò)展了測(cè)控覆蓋范圍,實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器的全球、全天候測(cè)控通信覆蓋。

我國(guó)的天鏈衛(wèi)星系統(tǒng)是中繼衛(wèi)星的“明星成員”,從2008年發(fā)射的天鏈一號(hào)01星開(kāi)始,已經(jīng)建成了兩代中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。天鏈一號(hào)01星讓神舟七號(hào)飛船的測(cè)控覆蓋率從18%提高到了50%。2012年,天鏈一號(hào)02星和03星組網(wǎng)運(yùn)行,使我國(guó)成為繼美國(guó)之后第二個(gè)擁有全球覆蓋能力的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的國(guó)家。2025年3月26日,長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功將天鏈二號(hào)04星送入預(yù)定軌道,這顆衛(wèi)星是我國(guó)第二代地球同步軌道中繼衛(wèi)星,主要用于為飛船、空間站等載人航天器提供數(shù)據(jù)中繼和測(cè)控服務(wù),同時(shí)也為中、低軌道資源衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼和測(cè)控服務(wù)。天鏈二號(hào)04星在傳輸能力、響應(yīng)速度等方面進(jìn)行了多項(xiàng)技術(shù)狀態(tài)改進(jìn),進(jìn)一步提高了我國(guó)第二代地球同步軌道中繼衛(wèi)星的自主性和安全性。鵲橋中繼衛(wèi)星則是為嫦娥四號(hào)任務(wù)量身定制的中繼衛(wèi)星,它部署在地月L2點(diǎn),為嫦娥四號(hào)探測(cè)器在月球背面著陸和通信提供了關(guān)鍵支持,鵲橋中繼衛(wèi)星就像一座“太空橋梁”,讓地球和月球背面的探測(cè)器能夠?qū)崟r(shí)通信。

商業(yè)航天,這個(gè)充滿無(wú)限可能的領(lǐng)域,正以它獨(dú)特的魅力吸引著全球的目光。從火箭技術(shù)到衛(wèi)星技術(shù),從回收與復(fù)用技術(shù)到航天測(cè)控通信技術(shù),每一個(gè)技術(shù)分支都在不斷進(jìn)步,推動(dòng)著商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。未來(lái),商業(yè)航天將繼續(xù)以技術(shù)創(chuàng)新為引領(lǐng),不斷探索和開(kāi)拓,向著更深更遠(yuǎn)的太空邁進(jìn)。讓我們一起期待商業(yè)航天帶來(lái)的更多驚喜吧!

(文章來(lái)源:《創(chuàng)意世界》2025年6月號(hào))

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編校:范曉華,審讀:郭麗

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