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出国读建筑,本科一年级的我却学会了造火箭!

TransAxis TransAxis设计坐标 2023-03-13



在学习建筑的路上

你是否踽踽独行

我们想分享

和你聊聊有趣的、不为人知的

小故事


 

嗨喽大家好呀!小编前一段时间收到了一份作品投稿,里面写了长长的篇幅讲述关于空气动力学、飞行器之类的东西,当时小编用着自己仅存的高中物理学知识努力解读,还以为这位朋友走错片场了。谁知道交流下来才发现,作者就是在国外读建筑学的,只不过他们的课程设计作业有些独特另类,那么究竟如何呢,接下来为大家揭晓!!!


今天为大家介绍的作者是来自华盛顿圣路易斯学校建筑学本科的庄泰立,他在大一第二个学期的Studio进行了飞行器的设计与制造,这个课题着实让人倍感新奇——学建筑与造火箭有什么关系呢?看完他的介绍之后,不由得感叹这对于学习自主性与工作量的挑战之大,从动物仿生学的研究、空气动力学、机械制造工艺到性能与美学结合的设计、飞行器发射…… 这其中对研究设计思维与系统把控的要求是极高的。作者这个飞行器的设计获得了院长的肯定与赞赏,由此被推荐去往纽约实验性事务所Terreform实习。


P.S. 如果读完本篇文章觉得作者还不错,可以看一下本次发布另一篇文章,关于作者的专访介绍哈~


先看看充满机械美学感的火箭



2017年初,刚放完寒假的我们从世界各地跑回了圣路易斯,开始了我们本科建筑的第二个学期。那年,我们正大一。初识建筑,跃跃欲试。经过前一个学期的当头棒,我们似乎已经熟悉了建筑学死丢丢(Studio)的大致操作。窗外的草地上似乎还残留着一点雪,死丢丢内的暖气倒是打的劲道够足。圣路易斯的冬天还是比较冷,因此同学们都宅着不想出去,殊不知窗外的水泥台上将会是本学期课题的主要验证场所。


那时的我年轻气盛,自鸣得意。对建筑甚不了解,初生牛犊不怕虎,气不沉心也不敬。总之,这些毛病都会在后头带来非常大的教训。


1

研究型设计 - 飞行器


第二个学期的死丢丢(112)的命题倒是让所有人都耳目一新。命题要求我们做一个受到启发并演变的飞行器械。同学们对这个课题的态度是两极分化。一些人对此感到反感,觉得学校教的不是如何建房子,好像在搞一个不伦不类的东西。另外一些人感到兴奋,因为这好像在做一个大玩具。

 

达芬奇的飞行器(来自google)


我是属于后者。


我们首先需要选择研究一个动物(能飞或者能游泳)和一个人造飞行物。动物的选择限定要求是必须有能力在液态或气态的环境中行动。我们要学习他们的行动模式。


问:飞鱼是如何从在液体游动模式转化成气体游动模式,是不是有个突然加速的过程?以及其是否有展开翼状鳍进行滑行?从液态中高阻环境中运动需要的是流线型紧凑体形,转变到在气态环境中需要产生风压和阻力来进行滑行才能在空中飞行。   


来自google


以上关于飞鱼的运动模式是一个大致的例子。这种运行模式的格式改变正是我们需要研究调查的。我们要学习这些来自自然界的规律,并把他简化成某种可以用机械关节能够代替的形态。然后,我们还得研究一个现有的人造飞行物(archetype),为准备将其来进行改良。我们要把动物运行模式的独特性移植到一个自己设计的飞行器上,这个飞行器的基本飞行原理将来自这个现有人造飞行物。比如说风筝,滑翔机,回旋镖,等。我们需要学习这些archetype飞行器的飞行原理和方式,把它们作为一个研发基础,然后将其与我们从动物身上学到的飞行原理进行组合,改善,从而拥有一种改良过的飞行模式。

同学Philip Kentner 和Taili Zhuang(我)的现有人造飞行物研究图


这个仿生设计的过程是在向早期的航空先锋致敬。达芬奇,凯利,莱特兄弟,万户,等先辈,他们在没有任何载人航空先例的条件下,只能把目光放向天生的飞行家:大自然中的动物,和当时仅有的小飞行器:风筝,箭矢,飞盘,火箭等。他们将其合二为一,不断实验,各自创造出来了他们的prototype。这些prototypes也许并不能顺利飞翔,但它们是一个个向自然规律和人造器械研究探索的结晶。


重要的一点是,我们的导师指出,一个优秀的仿生设计并不是单纯的模仿对象生物的外形,而是要去模仿其外形或者结构中蕴含的原理。我跟几个同学对此有个探讨。比如早期的滑翔翼外貌与鸟类的翅翼相似,却并不能让使用者像鸟一样飞行。

  

奥托·李林塔尔的早期的滑翔机 与 莱特兄弟飞机


但是到了1800前后,莱特兄弟时代的航空先驱则是通过研究鸟类翅翼与气流产生的关系来进行仿生设计。鸟翼的横截面与它在气流中的运动被拿来进行模仿。

 

奥托·李林塔尔对鸟类飞行原理的研究 (讲课教义)


飞行原理的核心:如何去撩动气流,产生压差,并产生升力,被真正的科学运用于仿生学设计。那个时代的飞机虽然外貌跟鸟类大相庭径,但原理却同出一处。仿生学的真正科学运用让这些早期飞机能够真正意义上的翱翔于蓝天。


2

乌贼 + 气压火箭的探索


我挑选的动物是深海大王乌贼。大王乌贼不同于我们食用的小乌贼,它的推进方式基本上是利用自身的器官向后喷射出一阵阵的高压水枪来进行推进,类似于喷气式飞机。而平常我们吃的食用小乌贼则是一般利用两侧的鳍来进行扇动从而产生推进力。大王乌贼有两种运动模式。一种是巡游模式,流线型的身体通过两鳍来平衡自身,像是稳定舵,好比一个在深海中的喷气式战斗机。第二种是捕猎模式。一边在惯性的作用下持续向前,一边大王乌贼会翻一个身,然后张开它的八条触手,通过细微的摆动控制水流的走向,然后精准的改变运动方向从而捕获在高速运行中的猎物。这有点像马斯克SpaceX 年初的火箭垂直落地回收。

 

大王乌贼运动模式研究


大王乌贼运动模式研究


大王乌贼运动模式模仿模型

SpaceX重型猎鹰侧推进器同时在航天中心着陆

我选的archetype便是气压水力火箭。气压水力火箭就是我们在孩童时代时或许玩过的一种小玩具。一个塑料瓶,加上软木塞,插上自行车打气针,注入30%的水然后倒置。使劲往瓶内打气,等到一定临界点气压,软木塞的摩擦力就会败给膛内气压,空气推动着膛内的水往外推挤。瓶内的气体被用来储存能量,表现为膛内不断上升的气压。瓶内的水为反推质量,用来在被喷射出膛体时根据F=ma能量守恒来给瓶体本身产生反作用力,从而推动火箭膛体上升。只要用打气筒不断的打气,过不了多久,砰的一声,带着一场小雨,火箭就飞出去了。

气压水力火箭模型


我的想法是把乌贼和气压火箭结合起来,做出一个喷射式飞行器,能像巡游模式的乌贼一样在拥有最小风阻的状态下喷射上天,然后能在空中临界点转变形态,像捕猎模式的乌贼一样拥有最大风阻并能利用它来较为准确的回到地面。

 

早期火箭设计方案


早期火箭设计电子模型


令我沮丧的是,我的老师并不欣赏我做火箭。大多数人都做在风筝,因为可以直接由线牵引,方便控制。在设计上也可以更自由的发挥,因为飞行原理并不像其他种类的飞行器那样复杂且难以控制。最重要的是,有大量学长学姐的案例可以模仿。少数人尝试做滑翔机,皮筋动力飞机,扇翼机,还有火箭。我在老师的反对下依然选择做火箭,单纯是因为觉得这个肯定很好玩。孩童时代的男孩子都喜欢军武,比他们稍微大一些的我也喜欢暴力的大玩具。


3

疯狂试错的“理工科阶段”


一个多月我都在研究相关的资料和他人的作品,不断的观看北美各地的水火箭竞赛,收集制作工艺。幸运的是在地大物博的美洲大陆,有钱有闲的人出乎意料的多。有一大批气压水力火箭爱好者活动于线上线下参与各种升空竞赛和技术研究。网上的共享文献非常完善,我毫不费力的就了解了大致制作工艺,剩下的就是筛选出适合我情况的资料。

  

来自US water rocket 网站的资料样页 (回收方式制作以及每个不同火箭设计的摘录)

 

美洲气压水力火箭比赛视频


一开始我的主要调查方向是如何制造出抗压性强的膛体。网上气压水力火箭协会的火箭例子中制作工艺最方便的就是塑料瓶膛体火箭。通过多个2L饮料瓶进行组装(5-8个是我的适合范围内),我能够造出能容纳4-5L水的气压火箭。越多的水代表越多的上升推力,我需要造比较大号的飞行器来挂载我的外型部件。塑料瓶需要洗干净,去油后,去掉两头,只留下中间那段平整的圆桶型身躯。这里的制作技巧就是先在塑料瓶中灌上水至意向的水位,然后用马克笔把水平线描一圈。这样就能获得一个完美的水平圆形剪裁线,再拿上剪刀剪干净就OK。在连接两个塑料瓶身时,还需要将一边的塑料瓶末端进行缩圈,产生公母接头。我拿了一个面碗,倒上水然后用微波炉转几圈煮沸,再迅速把塑料瓶身的其中一端往烫水中沾一下,像是蜻蜓点水。塑料在热水中会缩的非常快,所以只能沾一下试一下,不断的看看能不能卡入另外一个瓶身。因为会报废很多瓶子,这是一个比较窝火的过程。最终看着一个个能紧密相套的公母塑料瓶头也是令我大快人心。

 

一段膛体制作完毕


除此之外,抗压性强的膛体还需要强力的粘合剂。Super Glue这种平时够用的强力胶并不适合这种需求。用在气压火箭上的胶水需要能够防水,拉力大,密封性强,最重要的一点是能在干后还保持一定的柔韧性。我比较了论坛上的各种观点后最终选择了PL工业胶,一种在施工作业时使用的强力胶水。相比Epoxy干后的透明水晶,PL胶干后呈像土黄,但是它胜在力大。Epoxy粘后的连接环在100psi以上的气压下就有罢工的可能性,然而PL胶的连接环将比塑料瓶体本身更抗压。

  

PL胶


最后,把瓶身接口一圈内外进行沙皮打磨处理,再在粘合带边缘绑上胶带,涂胶,套入后拧转一圈把胶水散布均匀,然后再扒掉胶带留下一条干净的粘合带。PL工业胶需要一天来定型,在此之前为了避免胶水污垢凝结后影响塑料瓶体膨胀系数,要用松节油把多余的胶水污垢抹除。听上去繁琐复杂的工艺处理,为的也是一个能密封能耐力又美观的火箭膛体。

 

‎March ‎6, ‎2017 在一次飞行试验中瓶体因为狂风偏移轨道飞到了教学楼楼顶


当初为了找到大量理想的2L塑料瓶,我跑东跑西问遍死丢丢,甚至混入社团活动捡他们聚餐剩下的塑料瓶。Dr. Pepper,Mtn Dew,七喜,和百事可乐的2L装塑料瓶最为上等,因为它们有着笔直完整的膛身。可口可乐与雪碧的2l塑料瓶因为有个凹糟的曲线,只能被我扔进垃圾桶。杂牌汽水瓶的标签条最容易被不留痕迹的扯去(因为使用劣质胶水),而相对品牌的汽水瓶标签条使用的胶水较好,扯去后会残留下无数细小的锯齿状残片,清理时令人头痛。

 

左边的是不好的,右边的是好的


经过各种处理和固定,最终的膛体能容纳大约130psi(大气压)!这就是飞行器的基本硬件要求。同时,我也按照网上的资料组装了一个由pvc管和各种锁扣,橡胶圈,zip tie,和绳扣组成的发射台。一个有用的发射台能让我固定住火箭,并在自己意向的psi发射火箭,而不是靠玄学和薄弱的软木塞摩擦系数(只能撑到大概40psi,远远不到瓶身最佳发射气压)。

  

发射台草图以及购物清单


‎February ‎4, ‎2017发射台制作完毕


发射台为一个工字形的PVC框架为底座,其中一头钻开了一个小孔,反向塞出一个自行车车胎内胆气头,橡胶头卡住密封。内胆气头能让气体从打气筒传送到发射架内,聚集到唯一的出口:中央的一根pvc发射管。发射管的末端需要装上一圈橡胶圈,从而使发射管与塑料瓶口内壁卡紧密封。我把发射管割成两半,在中间塞了一根外直径等于发射管内直径的内胆管,再套上橡胶圈,再插上剩下的半截发射管,从而让橡胶圈微微胖出发射管外直径那么一小点。所需直径的内胆管在市场上没有卖,我就找了半天的塑料管,最终把一个润唇膏拆解后发现其外套管身正好差不多是需要的直径。我把外壁打磨后成功的把它塞进了发射管里。

 

发射管橡胶圈安装草图


发射台上身的主要部件为一圈在尾巴上固定住的zip tie,外面套着一个系了绳子的套管。这便是激发装置。当塑料瓶嘴倒扣发射台时,zip tie 圈会从外部包裹上瓶嘴的盖圈。这时,上滑套管就能防止zip tie 外展,从而锁住zip tie 并迫使他们扣拉住塑料盖圈。当需要发射时,只需抽动绳索,套圈下滑,zip tie 就会整齐的脱扣,充满能量的膛体就会在霎那间向上运动。


发射台加压试射


这阶段的过程不必多说,总而言之就是不断的学习,试错,调查,组装,与研究,是一个比较理工科的过程。


下一个月我开始了回收装置的研究。最初想法是一种翅膀,能在上升阶段做为鳍来固定火箭发射角度,从而避免它的布朗运动。然后这个鳍又能在上空因为某种机制能展开变成一个滑翔翼,能够火箭瓶体能缓缓下降。后来我在网上发现了一种火药动力火箭,能通过螺旋状的横向喷射从而带动一对有角度的桨叶旋转,从而上升。



我在想可不可以逆向这个操作,让桨叶能够在下降过程中旋转起火箭瓶体,增加稳定性又增加风阻,从而起到一个减速稳定作用。我一查,还果真有,但是是一个火药火箭专属的回收机制,并没有人用在气压火箭上面。



可能是因为气压火箭需要几倍粗的膛体去容纳水和气压,相比之下更重,更大,更难以控制,而火药火箭只需要细窄的瓶身,更容易被附带的旋翼稳定住。我就在想能不能做一套巨大的旋翼降落系统,来回收气压火箭。网上还竟然有文献报告,研究旋翼的最佳倾斜角度来让火箭在旋翼展开时能顺利的被气流推动并旋转起来。我也做了相应的模型进行研究(各种摔)。

关于旋翼回收组件的研究文献

旋翼回收组件的模型研究


旋翼的启动机制有很多种,最原始的就是通过一个附加的小叶片能在火箭朝下运动时被从下而上的气流推开,从而展开翅膀。我试了这种,但是发现很多时候因为火箭在最高点并不完全正交于地面,下降时往往只会带动一部分叶片。然后火箭整体就会失衡,并一头栽下来。网上还有遥控机制,但是因太过依赖于电子设备而对本项目不适用。最后我选择了皮筋。皮筋将撑起各个方向的叶片,并容忍大幅度的叶片摇摆,但在与瓶身呈90°以上会被一个木塞结构卡死。在平放时,火箭的叶片会保持60°夹角.在上升时,上升气流会把叶片推挤到瓶侧,从而达到最佳气动。在y轴最高点,火箭失去上升势能,并丧失推挤叶片的气流,这时皮筋就会把叶片撑起。当火箭下坠时,气流会从下而上把叶片推至90°与瓶身正交。每个叶片的旋转轴是倾斜在一个特定的角度(大概20°)。当叶片被撑起时,它们将进行一个扭转,从与瓶体正切运动至最高点被卡在一个倾斜的角度,从而达到螺旋下降的效能。这就是我意向运动概念。

 

火箭功能示意图纸


叶片转动轴基座的构成是两片长短不一的支架,转动轴在上面呈一个倾斜的角度。当叶片与支架程正交时,叶片因为支架两端的高低不同也会倾斜在一个角度。当叶片落下,与支架平行时,支架的槽位在水平轴方向没有不同,从而叶片与瓶身呈平行。这个小机关让叶片在收起时能紧贴于腹,展开时能微微倾斜。


二相接口(tornado tube):原功能为通过上下摇动让瓶内产生水流旋窝


我把火箭躯体设计为两段。中间由一个二相接口(tornado tube)相连。为了防水,我在连接管内部塞了两片橡胶圈,再旋上后便能在高压下密封。接口处的瓶身可以作为整套外框架的固定轴点。我可以把塑料膛体旋开,然后拔出或套入外框架。在准备发射时也可以先把上面的膛身旋开,倒水,再旋上,加压。这个布局让填充燃料的过程更方便,也让外框架能够稳定的嵌入火箭膛体,又能方便随时将其移除检修。

 

期中火箭模型


4

回归系统与美学结合的设计


学期过了一半,我的老师跟我谈了一次话。她觉得我的飞行器太“工科”了,不够“设计”。在此之前,我已经规划好了这个学期接下来的研发方向,最终目标为一种两米多长的巨型火箭。名字我都想好了:Wrath(愤怒)。老师给我的阻力很大。这学期没有处理好师生关系,处处与老师针锋相对。学期到此我跟老师有着很多次的争吵,这个名字也是在代表我对这个课题的气恼。在跟老师谈完话以后,这个疯狂的计划就这样被无情的抹杀在草图阶段。接下来的方向则向设计上的系统与美学靠拢。

 

方案机:Wrath


期中试验机与未来趋势


在不断的制作prototypes中我也不断的进行了结构性质的改建。首先就是进行结构上的优化。老师给我的一个方向是把结构从单纯的垂直卡扣演发到更立体的连接方式。我利用了三角形,试图把回收结构总结为一个个由三角体组成的系统,从一个2D连接模式到了3D链接模式。

  

三角组件草图  


March ‎30, ‎2017 三角组件角度计算与试验模型


三角组件单体拆解


三角组件整体拆解


三角组件整体组合


我可以用更薄更轻的木片做出相同或更大强度的结构网格。在设计激光切割片时我将中间多余的材料扣去,只留下骨架。这样拼装出的结构倒有一点哥特教堂似的精巧。


其次,我试图把整个回收系统模块化。乌贼生为无脊椎动物有一个很有名的特点,它是软体结构生物,全身只有一块骨头。这个概念放到我的飞行火箭上也可以总结为利用弹力和软体组织来抗击回收时候与地面撞击所产生的动能。我就把目光放向了有弹性,能记忆复原的piano wire,钢琴线。选择了502号的钢丝,是一种比较粗韧的钢琴线。我把整套系统通过钢琴线串联起来,并用钢琴线制作了尾鳍等容易受伤的突起部件。然后,我把结构网格延伸出的一个模块进行改进,把它串联上钢丝,放在最末端,赐予火箭主体一个缓冲模块。在我的心目中,通过这套三角体结构和铁丝所组成的系统,我能延伸出诸多不同的功能性部件来改善我的气压火箭。在我要增加火箭膛体容量时又能通过不断的叠加模块来满足体形需求。

  

铁丝与模块的连接设计


转动轴模块


转动轴模块拆解


转动轴模块拆解


我不断的制作相对应的链接板件。在这个系统中,我只需要在零件上做一些细微的角度更改就能迅速的在现有的模型上添加更多的组件。因为这个特性,我能够不断的添加新的结构来让火箭更完善,更概念性的体现它该有的功能。系统中新的配件被设计出来,被用来连接不同的材质。我需要将木头与木头连接,木头与聚脂薄膜连接,木头与铁丝连接,铁丝与铁丝连接,铁丝与聚脂薄膜连接。为此,很多特制插件在仓促下被赶制出来,将通过夹片,插孔,销子,等方式将各种材质互相固定。

  

叶片模块设计


叶片模块分解


叶片末端中间预设开口,让突出的结构模块尖端不影响到叶片运动


April ‎10, ‎2017 叶片模块试验装载


May ‎2, ‎2017 火箭叶片装载完毕


侧鳍模块与缓冲模块的连接结构草图


侧鳍模块与缓冲模块的连接结构


侧鳍模块与缓冲模块的连接结构分解


早期侧鳍模块设计


侧鳍模块分解


老实说,事到如今我其实放弃了指望每个功能模块能正常运行起来,因为毕竟都是用强度系数低的basswood木做的。火箭本身倒是能够带动很大的载重量,但是摔下来的动能足够砸碎一切用铁丝和basswood组成的“缓冲”组件。很多方面因为这个飞行器械的本质难以进行大量的重复实验,我也缺失该有的工科储备在短短三个月内“送箭上天,落箭自如”。我不得不把整个设计过程更“概念化”。即使达不到,也要做出来个大致的模样。


5

“躁怒”完成


这套系统似乎带来了无限的可能性,但也令我栽入一个陷阱:我的这项设计已经被我展开到难以收尾的地步。最后半个月是噩梦级的,然而最后一周连噩梦都做不了了。我在那七天就没有回家睡觉过,每天在死丢丢与我患难与共的好友睡熬夜苦干,分不清日夜。每天日出后在地板上眯15分钟到2个钟头就被闹钟叫醒去上课。我们在杂乱的死丢丢靠着之前囤的四川粉丝面生存,轮流用着热水壶和唯一的一套碗筷,连去食堂的时间都没有。在这里感谢那些一起跟我仰头痛饮怪物红牛,一起披星戴月的同学们。


50多张不同设计的6”X4” 3/32” basswood 激光切割文件重叠 


令人惋惜的是,最终我并没有在截止日前完成这个作品,在拖延几日后的模型也因连接管漏气没能顺利发射(虽然我觉得即使发射成功也会摔得粉身碎骨)。老师最后忍无可忍的评分也让我蓝瘦香菇。最后的成型模型看上去更像是一件艺术品而不是工业器,这也是一个比较讽刺的结果。很大一部分原因是因为我一个学建筑的其实对其他专业物理学科了解不是太深。很多实际上的飞行问题我都没有解决,比如说膛体重心,飞行姿态,重量控制,下落速度,等。很多时候,我寻找出路也是靠直觉和美感,然而这不是工科学生的思维,也不是严谨的科学思维。更多的时候我是与周围的环境抗争:老师的反对意见,未知的路线并没有成功的先例,设计方向过于繁琐而力不从心,空气动力本身的复杂性,精力花费方向的取舍。最后的造物很大程度上是一个“样子货”。从诸多方面上说它是一个失败的飞行器,但是我觉得它成功的作用就是清楚地描绘了我的一套思维方式与设计走向。我给予其名:Fury(躁怒)。它浓缩了我一学期的躁动与不安,但最终我还是欣慰它以这么一种诚实的方式呈现。



它虽离完美甚远,但或许当有闲心者看到它时,会想:“嘿,你似乎有着一个有趣的故事!”

   

‎May ‎9, ‎2017完成并照相记录

 

She’s my Fury.



P.S. 其他小组成员的飞行器都会如何呢?


这个学期的诸多经历最终成了一段记忆犹新的回忆。同学们各自的作品也在那个时候预兆着他们个性分明的设计思维。有很多小伙伴的作品令我反思自己的不足,也给予了我新的探索方向。在这里我想略做分享。


Corinna Su 是一位美籍菲律宾学生,因为自身对服装设计有兴趣,设计方向也偏向利用可折皱的柔软材质。整个学期她利用塑料包装纸为主要材质,激光剖洞后进行重叠和折皱制造出飞行器本身的主体和细节。整个风筝由一段段小模块串联成一大长条组合,材质本身滤出五彩光芒,相比我的火箭更为轻盈,思路纯粹。

    

Dylan Chan 是一位美籍新加坡学生,热衷于利用现有的五金零件进行拼装。整个作品的构件都是五金店找来进行二次运用,跟我依赖于自行设计并激光制作有着鲜明的反差。最终飞行器由四段模块连接而成,每段模块带着四片薄膜和骨架,关节连接处由弹簧提供柔韧性。Dylan的作品与我的相比较,关节更甚精妙,用材更有逻辑。

    


Philip Kentner 是一位美籍德国学生,在校俗称“德国工艺”,对关节零件特别情有独钟。跟我一样,他做出来了一个不怎么会飞的飞行器械,但却在动作机械上专研许久。所有的活动轴都用相应的金属零件处理包裹。相比我清一色的带有激光焦痕的木头,德国工艺的飞行器用料分明,玲珑通透。


P.S. 如果读完本篇文章觉得作者还不错,可以看一下本次发布另一篇文章,关于作者的专访介绍哈~ 


END



文字&图片:庄泰立

编辑:王祥 侯苗苗


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