邊炳秀，魏延明

（北京控制工程研究所，北京l00080）

電推進系統(tǒng)在靜止軌道衛(wèi)星平臺上應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

邊炳秀，魏延明

（北京控制工程研究所，北京l00080）

在未來靜止軌道平臺上應(yīng)用電推進系統(tǒng)是我國航天事業(yè)發(fā)展的必然趨勢。將氙離子電推進系統(tǒng)（XIPS）應(yīng)用于靜止軌道衛(wèi)星平臺，除了要解決電推力器本身的問題之外，還要在系統(tǒng)應(yīng)用方面做大量工作。以該靜止軌道衛(wèi)星對電推進系統(tǒng)的需求為基礎(chǔ)，從三個方面對電推進系統(tǒng)在未來靜止軌道平臺上應(yīng)用所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)進行了分類及梳理：一是電推進系統(tǒng)與電推力器之間的關(guān)系，包括電推力器與推進劑貯存和供給子系統(tǒng)、電源子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)聯(lián)合工作所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)；二是電推進系統(tǒng)與化學推進系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，包括兩種推進系統(tǒng)的任務(wù)分工及相互影響所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)；三是電推進系統(tǒng)對整星及大系統(tǒng)的影響，包括電推進系統(tǒng)對電源、熱控、羽流污染控制、電磁兼容性（EMC）、遙測遙控、自主管理等所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)。通過對這三個方面的關(guān)鍵技術(shù)進行梳理，明確了電推進系統(tǒng)在整星上應(yīng)用所需要開展的工作。

電推進系統(tǒng)；靜止軌道衛(wèi)星；關(guān)鍵技術(shù)分析

1 概 述

電推進作為一種先進的推進技術(shù)，由于其高比沖的優(yōu)勢，在先進國家的衛(wèi)星平臺上已經(jīng)日漸廣泛應(yīng)用，以降低系統(tǒng)質(zhì)量、提高壽命、增加載荷，并提高姿態(tài)控制精度[l]。目前，國際上主要的靜止軌道衛(wèi)星平臺上都采用了電推進系統(tǒng)，其中，絕大多數(shù)采用了氙離子推力器、穩(wěn)態(tài)等離子推力器（SPT）、脈沖等離子推力器（PPT）和電弧加熱推力器。表l所示為國外主要商業(yè)衛(wèi)星平臺使用電推進系統(tǒng)的情況[2]。這些電推進系統(tǒng)大多數(shù)是用來為衛(wèi)星南北位置保持提供推力，有的還可以為衛(wèi)星入軌及東西位置保持提供推力。

表1 國外主要商業(yè)衛(wèi)星平臺使用電推進的情況

我國電推進系統(tǒng)的研制起步較晚，與國際水平差距較大，目前還沒有在衛(wèi)星上應(yīng)用的先例。在東四平臺研制階段曾經(jīng)對電推進系統(tǒng)應(yīng)用的可行性進行過詳細論證，但是由于當時的技術(shù)條件尚不成熟，電推進系統(tǒng)還沒有進行過空間搭載試驗，倉促上馬會帶來很大風險，因此，最終沒有在該平臺上應(yīng)用電推進系統(tǒng)。

未來的靜止軌道平臺的重量要遠大于現(xiàn)有的衛(wèi)星平臺，僅僅依靠化學推進系統(tǒng)來滿足其壽命需求是非常不經(jīng)濟的，從任務(wù)需求本身來看，在該平臺上使用電推進系統(tǒng)是必需的。同時，從技術(shù)發(fā)展的角度來看，在該平臺上采用電推進系統(tǒng)也是大勢所趨。另外，電推進技術(shù)研究的不斷深入，以及空間搭載試驗的成功，將為未來在該平臺上成功應(yīng)用電推進系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。

2 電推進系統(tǒng)的初步應(yīng)用方案

在靜止軌道衛(wèi)星平臺上，擬同時應(yīng)用電推進系統(tǒng)和化學推進系統(tǒng)為衛(wèi)星提供推力和力矩。其中，化學推進系統(tǒng)采用優(yōu)化后的雙組元統(tǒng)一推進系統(tǒng)，其功能是為衛(wèi)星入軌、動量輪卸載和衛(wèi)星東西位置保持提供推力，并作為衛(wèi)星南北位置保持的備份；電推進系統(tǒng)擬采用氙離子電推進系統(tǒng)，為衛(wèi)星南北位置保持提供推力，以節(jié)約推進劑，并提高性能。該方案既可以充分發(fā)揮雙組元統(tǒng)一化學推進系統(tǒng)在衛(wèi)星入軌和姿態(tài)控制方面的優(yōu)勢，又可以利用高比沖、小推力電推進系統(tǒng)進行南北位置保持，以節(jié)省推進劑，減輕衛(wèi)星的重量，提高衛(wèi)星有效載荷的攜帶量，并能提高控制精度[3]。

電推進系統(tǒng)的4個電推力器安裝在衛(wèi)星的背地板上，其中兩個裝在南面，兩個裝在北面[4]。這種安裝方式可以降低對整星集成的影響，并降低羽流濺射到太陽帆板所產(chǎn)生的干擾力矩。整個系統(tǒng)分為6個模塊：兩個推力器模塊，每個模塊包括兩個推力器，安裝在同一個通用調(diào)節(jié)裝置上，推力器安裝角為45°，采用一個二維推力矢量調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)節(jié)推力方向，保證推力矢量通過衛(wèi)星的質(zhì)心；兩個電源模塊（PPU），電源位于衛(wèi)星的南北面熱管輻射散熱器上，以有效地向空間環(huán)境散熱，每個PPU可以通過繼電器向一個南面的推力器和一個北面的推力器供電，繼電器靠近PPU放置，配有冗余備份；兩個氙氣貯箱，位于衛(wèi)星平臺內(nèi)部，安裝在衛(wèi)星桁架結(jié)構(gòu)上。

在使用電推進系統(tǒng)進行南北位置保持時，每天在升交點和降交點附近各工作一次，工作時同一側(cè)的兩個推力器可以同時點火，每個推力器也可以單獨工作，這樣可以實現(xiàn)冗余備份，增強系統(tǒng)的可靠性。電推進系統(tǒng)的主要技術(shù)指標如表2所示。

表2 電推進系統(tǒng)主要技術(shù)指標

3 電推進系統(tǒng)應(yīng)用所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)

將氙離子電推進系統(tǒng)應(yīng)用于靜止軌道衛(wèi)星平臺，除了要解決電推力器本身的問題之外，還要在系統(tǒng)應(yīng)用方面做大量工作。這主要有以下三個方面的內(nèi)容：一是電推進系統(tǒng)與電推力器之間的關(guān)系，包括電推力器與存儲系統(tǒng)、供給系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)聯(lián)合工作所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)；二是電推進系統(tǒng)與化學推進系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，包括兩種推進系統(tǒng)的任務(wù)分工及相互影響所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)；三是電推進系統(tǒng)對整星及大系統(tǒng)影響，包括電推進系統(tǒng)對電源、熱控、羽流污染控制、EMC、遙測遙控、自主管理等所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)。通過對這三個方面的關(guān)鍵技術(shù)進行梳理，明確了電推進系統(tǒng)在整星上應(yīng)用所需要開展的工作。

3.1 電推進系統(tǒng)與電推力器間的關(guān)系

電推力器是電推進系統(tǒng)的重要組成部分，但是，要將電推進系統(tǒng)成功應(yīng)用于衛(wèi)星平臺，只解決電推力器的問題是遠遠不夠的，必須對包括電推力器在內(nèi)的所有子系統(tǒng)進行全盤考慮，使其能夠協(xié)調(diào)工作。

電推進系統(tǒng)由4部分組成：電推力器、供配電子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、推進劑貯存和供給系統(tǒng)。

推力器是為衛(wèi)星平臺產(chǎn)生控制推力的裝置，它是電推進系統(tǒng)的核心部件，電推進系統(tǒng)中其他所用子系統(tǒng)都是為其能夠正常工作而配備的。離子推力器主要由電離室、陰極、離子光學系統(tǒng)、中和器等組成。

供配電子系統(tǒng)提供衛(wèi)星平臺的電源總線和推力器之間功率轉(zhuǎn)換，其設(shè)計主要需要考慮各個組件之間的協(xié)調(diào)工作、啟動和關(guān)閉期間防止過電流燒毀設(shè)備、可靠性、壽命、轉(zhuǎn)換效率以及減輕質(zhì)量等問題。

數(shù)字接口和控制子系統(tǒng)（DCIU）由微處理器、接口電路等及相應(yīng)的程序組成，是離子發(fā)動機的神經(jīng)中樞。其任務(wù)是接收來自地面的控制信號、PPU、氙氣供給子系統(tǒng)（XFS）、電離室的反饋信號，然后進行綜合判斷，發(fā)出控制PPU、XFS、電離室的信號。DCIU可靠性高，具有智能化和故障自我排除能力。

推進劑貯存和供給系統(tǒng)的主要功能包括：氙氣的貯存、氙氣的壓力控制和氙氣的流量控制。由于電推進的推進劑流量小，對于推進劑的流量、純度的精度都有很高的要求，對推進劑貯存和供給系統(tǒng)的設(shè)計也提出了很高的要求。與常規(guī)化學推進系統(tǒng)的推進劑供給系統(tǒng)相比，推進劑貯存和供給系統(tǒng)有如下顯著特點：減壓比高、壓力調(diào)節(jié)精度高；微小流量控制；長時間連續(xù)工作；高潔凈度；長壽命。目前，國內(nèi)的水平離這些要求還有一定的差距。

除了以上各個基本組成部分之外，要將電推進系統(tǒng)應(yīng)用在衛(wèi)星上，還要配置推力矢量調(diào)節(jié)機構(gòu)。這是由于電推進系統(tǒng)在長時間工作期間，不可避免地會對整星的姿態(tài)產(chǎn)生擾動，如果沒有推力方向調(diào)節(jié)裝置，這種擾動就必須依靠姿態(tài)控制執(zhí)行機構(gòu)或化學推力器點火來補償，勢必大大增加了星上控制執(zhí)行機構(gòu)的負擔并增加了推進劑的消耗量。推力矢量調(diào)節(jié)裝置應(yīng)滿足l5年以上的使用壽命要求，調(diào)節(jié)范圍應(yīng)達到±5°，分辨率應(yīng)達到0.006°，目前國內(nèi)尚沒有這樣的調(diào)節(jié)裝置，需要進行研制。

電推進系統(tǒng)在星上安裝時，將整個系統(tǒng)分為6個安裝模塊：兩個氙氣貯箱模塊、兩個供配電模塊和兩個推力器組模塊（每個推力器組模塊包括推力器的數(shù)字接口及控制子系統(tǒng)、推進劑供給子系統(tǒng)和兩個推力器），每個模塊之間自成體系又相互關(guān)聯(lián)，各個模塊之間由控制子系統(tǒng)支配進行協(xié)調(diào)工作。電推力器分別安裝在平臺背地板的南北兩側(cè)，并全部位于星體的YOZ平面內(nèi)，圖l所示為電推力器安裝示意圖。

圖l 電推力器安裝示意圖

通過對電推進系統(tǒng)和電推力器關(guān)系的梳理可以看出，要在靜止軌道衛(wèi)星平臺上應(yīng)用電推進系統(tǒng)，除了要研制高效的氙離子電推力器外，還要在相關(guān)子系統(tǒng)的研制方面投入大量精力，尤其是在氙氣存貯和供給系統(tǒng)，以及推力矢量調(diào)節(jié)機構(gòu)研制方面加大投入力度。

3.2 電推進系統(tǒng)與化學推進系統(tǒng)間的關(guān)系

電推進系統(tǒng)與化學推進系統(tǒng)共同完成衛(wèi)星的姿軌控任務(wù)，化學推進系統(tǒng)的功能是為衛(wèi)星入軌提供推力、為衛(wèi)星東西位置保持提供推力、為動量輪卸載提供推力、為衛(wèi)星南北位置保持作備份；電推進系統(tǒng)的功能是為衛(wèi)星南北位置保持提供推力。該方案既可以充分發(fā)揮雙組元統(tǒng)一化學推進系統(tǒng)在衛(wèi)星入軌和姿控方面的優(yōu)勢，又可以利用高比沖、小推力的電推進系統(tǒng)進行南北位置保持，以節(jié)省推進劑，減輕衛(wèi)星的重量，提高衛(wèi)星有效載荷的攜帶量，并能提高控制精度。因此，明確兩種推進系統(tǒng)的任務(wù)分工及減少相互影響是電推進系統(tǒng)應(yīng)用的另一類關(guān)鍵技術(shù)。

3.2.l 電推進位置保持策略的制定

靜止軌道衛(wèi)星平臺將用電推力器實現(xiàn)南北位置保持，由于電推力器的推力只有幾十毫牛，因此用電推力器作南北位置保持，在位置保持策略及姿態(tài)和軌道控制系統(tǒng)的工作方式上都需要進行重新設(shè)計。采用電推力器后的南北位置保持方案初步考慮如下：每天執(zhí)行兩次南北位置保持，在升交點和降交點附近各工作一次，兩次位置保持時電推力器的推力方向相反，具體分析如下。

采用化學推力器時大約每半個月執(zhí)行一次南北位置保持，軌道傾角矢量漂移圓半徑為0.034°，每次南北位置保持對應(yīng)的法向速度增量為Δv=Δi·vs=l.8 m/s。改為每天進行南北位置保持后，每天位置保持需要完成的傾角改變量由l4天的0.034°變?yōu)槊刻斓?.0024°，每天位置保持的法向速度增量變?yōu)?.l286 m/s。考慮采用兩臺電推力器同時工作，按每臺推力40mN、安裝角45°計算，有效推力約為56.6mN。衛(wèi)星質(zhì)量按2300kg計算，則每天位置保持所需的時間為：

即每次向南（或向北）位置保持時間約為43.5min。

3.2.2 推進劑攜帶量的分配

電推進系統(tǒng)和化學推進系統(tǒng)所攜帶的推進劑量是由其執(zhí)行的任務(wù)來計算的。該衛(wèi)星平臺中，電推進僅用來進行南北位置保持，假設(shè)電推力器比沖為30000 N·s/kg，使用壽命為l5年，按照上述的控制策略進行計算，所需要攜帶的氙氣量為l l0kg?；瘜W推進系統(tǒng)主要為衛(wèi)星入軌、東西位置保持、動量輪卸載、南北位置保持提供推力和沖量。由于消耗推進劑最多的南北位置保持由電推進代替，可大大節(jié)約化學推進劑的使用和攜帶量。

3.2.3 兩大系統(tǒng)的相互冗余備份

由于靜止軌道衛(wèi)星平臺是首次應(yīng)用電推進系統(tǒng)，因此，為了盡量降低風險，采用化學推進系統(tǒng)作為電推進系統(tǒng)完全備份。另一方面，電推進系統(tǒng)也可以用作為衛(wèi)星平臺提供入軌功能的化學推進系統(tǒng)的備份，這在國外衛(wèi)星上有過成功的先例，ARTEM IS衛(wèi)星由于發(fā)射原因未能入軌，就是采用離子推進系統(tǒng)將其成功送入了同步軌道[5]。因此，在化學推進系統(tǒng)和電推進系統(tǒng)設(shè)計中要把系統(tǒng)的冗余備份作為重要內(nèi)容進行預先考慮。

3.3 電推進系統(tǒng)與整星及大系統(tǒng)間的關(guān)系

電推進系統(tǒng)在靜止軌道平臺上應(yīng)用，將對整星及大系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響[6]。其中，主要包括對電源系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)、遙測系統(tǒng)、星載計算機、羽流污染、EMC的影響等。具體介紹如下。

對電源系統(tǒng)的影響：根據(jù)現(xiàn)有的衛(wèi)星南北位置保持策略，在使用電推進系統(tǒng)進行南北位置保持時，避開了地影區(qū)，因此可以使用太陽帆板提供的電能為電推進系統(tǒng)供電，這樣就避免了對蓄電池提出額外的要求。但這要求太陽帆板在壽命末期還能夠為電推進系統(tǒng)提供2500W以上的電源。另外，由于電推進系統(tǒng)的功耗很大，會對電源母線帶來沖擊，特別是啟動時的浪涌電流危害很大，因此電源變換器應(yīng)有輸入保護和浪涌抑制的功能。

對熱控系統(tǒng)的影響：采用電推進系統(tǒng)后，一方面由于電源轉(zhuǎn)換效率的限制，會使PPU產(chǎn)生250W左右的發(fā)熱量，另一方面推力器產(chǎn)生的部分熱量需要熱控系統(tǒng)輔助散熱。目前離子推進系統(tǒng)PPU的DC-DC電源轉(zhuǎn)換效率約92%，因此PPU對衛(wèi)星平臺的熱負荷為250～300W。推力器的效率為50%左右，其能量損失包括羽流的化學能和熱能損失、向宇宙空間的熱輻射、向衛(wèi)星表面的熱輻射以及向推力器安裝結(jié)構(gòu)的導熱等，其中向衛(wèi)星表面的熱輻射和向推力器安裝結(jié)構(gòu)的導熱會增加衛(wèi)星的熱負荷。此外，氙氣貯存系統(tǒng)對溫控的要求極為嚴格，這也需要熱控系統(tǒng)進行保證。

對遙測系統(tǒng)的影響：電推進系統(tǒng)對衛(wèi)星控制精度高，而且在星上應(yīng)用時幾乎每天都要工作，對遙測的精度和密度均有較高要求。這些遙測參數(shù)分為模擬量和數(shù)字量，模擬量遙測參數(shù)包括：壓力、溫度遙測參數(shù)，電源電壓、電流遙測參數(shù)。數(shù)字量遙測參數(shù)包括：推力器開關(guān)狀態(tài)、自鎖閥開關(guān)狀態(tài)和電源開關(guān)狀態(tài)。電推進系統(tǒng)本身要增加60路以上的遙測參數(shù)。

對星載計算機的影響：電推進系統(tǒng)的推力小，啟動、關(guān)機時間長，工作時間長，需要每天工作，開關(guān)機頻繁，工作過程需要密切監(jiān)視，往往需要配置專門的控制器。如果由星上的控制計算機來完成這項工作，可以實現(xiàn)衛(wèi)星南北位置保持時的自主運行機制，減少對地面站的依賴，目前我國地面測控網(wǎng)絡(luò)可以滿足電推進的工作需求，但對星上計算機有更高的要求，需要能根據(jù)衛(wèi)星當前的狀態(tài)，計算出每天的開關(guān)機時間和工作模式，并能準確提供指令，如果推進系統(tǒng)帶有推力矢量調(diào)節(jié)裝置，還需要由星上計算機來控制推力矢量方向。

羽流污染的影響：將電推進系統(tǒng)應(yīng)用到新型衛(wèi)星平臺上，羽流是一個重要的考慮因素。離子發(fā)動機的羽流中含有各種高能粒子，包括電子、離子、中性粒子等，雖然發(fā)散半角小于SPT推進系統(tǒng)，但粒子的能量更高，它對衛(wèi)星平臺的影響主要包括以下幾個方面：羽流與其它部件的相互作用對衛(wèi)星的力學影響；羽流對其他部件的熱影響；羽流對推力器結(jié)構(gòu)件及其它星上部件的濺射腐蝕；羽流濺射產(chǎn)生的粒子沉積對衛(wèi)星的污染；羽流在衛(wèi)星表面的電荷沉積對衛(wèi)星的靜電環(huán)境的改變；等離子體羽流對衛(wèi)星電磁環(huán)境的干擾；在某些工作條件下，推力器的電流波動會引起各種高頻等離子體振蕩，對無線電通信造成影響。如果對羽流問題不加慎重考慮，沒有采取有效的防范措施，羽流與衛(wèi)星平臺的各個部件相互作用會帶來一系列的問題，如太陽能電池帆板的效率下降乃至失效、對電磁場的屏蔽、對衛(wèi)星表面材料的腐蝕等。

EMC的影響：由于電推進系統(tǒng)產(chǎn)生的電場和磁場很強，因此除電推進系統(tǒng)本身的EMC試驗外，還必須進行整星的EMC試驗，這是一項復雜的工作，必須在借鑒國外經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，做大量的研究工作。我國電磁兼容性試驗的航天標準中列的所有l(wèi)5項電磁兼容性試驗項目中，氙離子電推進系統(tǒng)需要通過其中的l3項試驗（僅不用關(guān)于接收機和發(fā)射機的驗證）。此外，還有4項工作也非常關(guān)鍵：PPU的濾波和隔離；電纜網(wǎng)的屏蔽；離子推進系統(tǒng)接地網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)；靜電放電的敏感度分析。其中接地網(wǎng)絡(luò)涉及PPU供電電源和離子推力器的11路電源的隔離和接地，由于各路電源的電壓相差很大，需要很好的匹配；放電電流與氙氣的流量緊密耦合、互相影響，氙氣流量的變化也會引起電磁環(huán)境的變化；由于放電室濺射產(chǎn)物的沉積，加速柵極與屏柵極之間可能發(fā)生短路，會引發(fā)PPU短路保護，使發(fā)動機的工作點偏移。另外，如果中和器點火延遲或提前關(guān)機，哪怕時間只有幾毫秒，也會使推力器的電位升高到上萬伏。上述故障模式對離子推進系統(tǒng)乃至整星都有重要的影響，因此EMC/靜電放電（ESD）設(shè)計應(yīng)該貫穿到設(shè)計的整個過程，大部分關(guān)鍵項目只能通過試驗來解決。

電推進系統(tǒng)除了對以上系統(tǒng)有重要影響之外，還需要解決多種接口的關(guān)系，另外它對發(fā)射場環(huán)境也有非?？量痰囊?，這些都是今后需要解決的問題，這些問題解決將為電推進系統(tǒng)的成功應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

將氙離子電推進系統(tǒng)應(yīng)用于未來靜止軌道衛(wèi)星平臺，除了要解決電推力器本身的問題之外，還要在系統(tǒng)應(yīng)用方面做大量工作。本文對電推進應(yīng)用所涉及到的三個關(guān)系做了梳理，即電推進系統(tǒng)與電推力器間的關(guān)系，電推進系統(tǒng)與化學推進系統(tǒng)間的關(guān)系，電推進系統(tǒng)與整星及大系統(tǒng)間的關(guān)系。通過對這些關(guān)系的梳理，列出了所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)，為今后開展電推進系統(tǒng)的應(yīng)用研究提供參考。

[l]魏延明，邊炳秀.電推進技術(shù)、空間應(yīng)用與中國發(fā)展戰(zhàn)略[C].航天推進的現(xiàn)在與未來專題研討會，2002，西安

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Key Techniques for the App1ication of the E1ectric Propu1sion System in the Geostationary Sate11ite P1at form

BIAN Bingxiu，WEIYanm ing
（Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100080，China）

The application of electric propulsion system in China′s geostationary satellite in the future is a necessary trend.For the application of the electric propulsion system，a lot of problems have to be solved for both thruster itself and the system application.Based on the analysis of satellite requirements，this paper summarizes the key techniques for the electric propulsion system application on the geostationary satellite.These problems can be separated into three aspects：the first is the internal interface of the electric propulsion system，including the interface between thruster and propellant storage and supply subsystem，power subsystem，control subsystem etc.The second is the coordinate operation of electric propulsion system and chemical propulsion system，including the separate operation and interaction.The last one is impact of the electrical propulsion system on the whole satellite，including plume，electromagnetic compatibility（EMC），telemetry，tracking and control（TT&C）and power etc.This paper classifies and integrates the key techniques and defines the problems to be solved for the application of electric propulsion system in China′s geostationary satellite.

electric propulsion system；geostationary satellite；key techniques

2007-l2-11

邊炳秀（l959-），男，吉林人，研究員，研究方向為推進技術(shù)（e-mail：Bianbx@bice.org.cn）。

V439.4，V433

A

l674-l579（2008）0l-0020-05