五、燃燒室與渦輪
渦扇發(fā)動(dòng)機的燃燒室也就是我們上面所提到過(guò)的“燃氣發(fā)生器”。經(jīng)過(guò)壓氣機壓縮后的高壓空氣與燃料混合之后將在燃燒室中燃燒以產(chǎn)生高溫高壓燃氣來(lái)推動(dòng)燃氣渦輪的運轉。在噴氣發(fā)動(dòng)機上最常用的燃燒室有兩種,一種叫作環(huán)管形燃燒室,一種叫作環(huán)形燃燒室。
環(huán)管燃燒室是由數個(gè)火焰筒圍成一圈所組成,在火焰筒與火焰筒之間有傳焰管相連以保證各火焰筒的出口燃氣壓力大至相等??墒羌仁故侨绱烁鞲骰鹧嫱仓畠鹊娜細鈮毫σ策€是不能完全相等,但各火焰筒內的微小燃氣壓力還不足以為患。但在各各火焰筒的出口處由于相鄰的兩個(gè)火焰筒所噴出的燃氣會(huì )發(fā)生重疊,所以在各火焰筒的出口相鄰處的溫度要比別處的溫度高?;鹧嫱驳某隹跍囟葓?chǎng)的溫度差異會(huì )給渦輪前部的燃氣導向器帶來(lái)一定的損害,溫度高的部分會(huì )加速被燒蝕。比如在使用了8個(gè)火焰筒的環(huán)管燃燒室的JT3D上,在火焰筒尾焰重疊處其燃氣導流葉片的壽命只有正常葉片的三分之一。
與環(huán)管式燃燒室相比,環(huán)形燃燒室就沒(méi)有這樣的缺點(diǎn)。故名思意,與管環(huán)燃燒室不同,環(huán)形燃燒室的形狀就像是一個(gè)同心圓,壓縮空氣與燃油在圓環(huán)中組織燃燒。由于環(huán)形燃燒室不像環(huán)管燃燒室那樣是由多個(gè)火焰筒所組成,環(huán)形燃燒室的燃燒室是一個(gè)整體,因此環(huán)形燃燒室的出口燃氣場(chǎng)的溫度要比環(huán)管形燃燒室的溫度均勻,而且環(huán)形燃燒室所需的燃油噴嘴也要比環(huán)管燃燒室的要少一些。均勻的溫度場(chǎng)對直接承受高溫燃氣的燃氣導流葉片的整體壽命是有好處的。
與環(huán)管燃燒室相比,環(huán)形燃燒室的優(yōu)點(diǎn)還不止是這些。
由于燃燒室中的溫度很高,所以無(wú)論環(huán)管燃燒室還是環(huán)形燃燒室都要進(jìn)行一定的冷卻,以保證燃燒室能更穩定的進(jìn)行工作。單純的吹風(fēng)冷卻早以不能適應極高的燃燒室溫度?,F在人們在燃燒室中最普便使用的冷卻方法是全氣膜冷卻,即在燃燒室內壁與燃燒室內部的高溫燃氣之間組織起一層由較冷空氣所形成的氣膜來(lái)保護燃燒室的內壁。由于要形成氣膜,所以就要從燃燒室壁上的孔隙中向燃燒室內噴入一定量的冷空氣,所以燃燒室壁被作的很復雜,上面的開(kāi)有成千上萬(wàn)用真空電子束打出的冷卻氣孔?,F在大家只要通過(guò)簡(jiǎn)單的計算就可以得知,在有著(zhù)相同的燃燒室容積的情況下,環(huán)形燃燒室的受熱面積要比環(huán)管燃燒室的受熱面積小的多。因此環(huán)形燃燒的冷卻要比環(huán)管形燃燒室的冷卻容易的多。在除了冷卻比較容易之處,環(huán)形燃燒室的體積、重量、燃油油路設計等等與環(huán)管燃燒室相比也著(zhù)優(yōu)勢。
但與環(huán)管燃燒室相比,環(huán)形燃燒室也有著(zhù)一些不足,但這些不足不是性能上的而是制作工藝上。
首先,是環(huán)形燃燒室的強度問(wèn)題。在環(huán)管燃燒室上使用的是單個(gè)體積較小的火焰筒,而環(huán)形燃燒室使用的是單個(gè)體積較大的圓環(huán)形燃燒室。隨著(zhù)承受高溫、高壓的燃燒室的直徑的增大,環(huán)形燃燒室的結構強度是一大難點(diǎn)。
其次,由于燃燒室的工作整體環(huán)境很復雜,所以現在人們還不可能完全用計算的方法來(lái)發(fā)現、解決燃燒室所面臨的問(wèn)題。要暴露和解決問(wèn)題進(jìn)行大量的實(shí)驗是唯一的方法。在環(huán)管燃燒室上,由于單個(gè)火焰筒的體積和在正常工作時(shí)所需要的空氣流量較少,人們可以進(jìn)行單個(gè)的火焰筒實(shí)驗。而環(huán)形燃燒室是一個(gè)大直徑的整體,在工作時(shí)所需要的空氣流量也比較大,所以進(jìn)行實(shí)驗有一定的難度。在五六十年代人們進(jìn)行環(huán)行燃燒室的實(shí)驗時(shí),由于沒(méi)有足夠的條件只能進(jìn)行環(huán)形燃燒室部分扇面的實(shí)驗,這種實(shí)驗不可能得到燃燒室的整體數據。
但由于科技的進(jìn)步,環(huán)形燃燒室的機械強度與調試問(wèn)題在現如今都以經(jīng)得到了比較圓滿(mǎn)的解決。由于環(huán)形燃燒室固有的優(yōu)點(diǎn),在八十年代之后研發(fā)的新型渦扇發(fā)動(dòng)機之上幾忽使用的都是環(huán)形燃燒室。
為了更能說(shuō)明兩種不同的燃燒室的性能差異,現在我們就以同為普·惠公司所出品的使用環(huán)管形燃燒室的第一代渦扇發(fā)動(dòng)機JT3D與使用了環(huán)形燃燒室的第二代渦扇發(fā)動(dòng)機JT9D來(lái)作一個(gè)比較。兩種渦扇發(fā)動(dòng)同為雙轉子前風(fēng)扇無(wú)加力設計,不過(guò)推力差異比較大,JT3D是8噸級推力的中推發(fā)動(dòng)機,而JT9D-59A的推力高達24042公斤,但這樣的差異并不妨礙我們對它們的燃燒室作性能上的比較。首先是兩種燃燒室的幾何形狀,JT9D-3A的直徑和長(cháng)度分別為965毫米和627毫米,而JT3D-3B的直徑是1020.5毫米、長(cháng)度是1070毫米。很明顯,JT9D的環(huán)形燃燒室要比JT-3D的環(huán)管燃燒室的體積小。JT9D-3A只有20個(gè)燃油噴嘴,而JT3D-3B的燃油噴嘴多達48個(gè)。燃燒效率JT3D-3B為0.97而JT9D-3A比他要高兩個(gè)百分點(diǎn)。JT3D-3B八個(gè)火焰筒的總表面積為3.579平方米,而JT9D-3A的火焰筒表面積只有2.282平方米,火焰筒表面積的縮小使得火焰筒的冷卻結構可以作到簡(jiǎn)單、高效,因此JT9D的火焰筒壁溫度得以下降。JT3D-3B的火焰筒壁溫度為700-900度左右,而JT9D-3A的火焰筒壁溫度只有600到850度左右。JT9D的火焰筒壁溫度沒(méi)有JT3D-3B的高,可是JT9D-3A的燃燒室出口溫度卻高達1150度,而JT3D-3B的燃燒室出口溫度卻只有943度。以上所列出的幾條足以能說(shuō)明與環(huán)管燃燒室相比環(huán)形燃燒室有著(zhù)巨大的性能優(yōu)勢。
在燃燒室中產(chǎn)生的高溫高壓燃氣道先要經(jīng)過(guò)一道燃氣導向葉片,高溫高壓燃氣在經(jīng)過(guò)燃氣導向葉片時(shí)會(huì )被整流,并被賦予一定的角度以更有效率的來(lái)沖擊渦輪葉片。其目地就是為了推動(dòng)渦輪,各級渦輪會(huì )帶動(dòng)風(fēng)扇和壓氣機作功。在渦扇發(fā)動(dòng)機中,渦輪葉片和燃氣導向葉片將要直接的承受高溫高壓燃氣的沖刷。普通的金屬材料跟本無(wú)法承受如此刻克的工作環(huán)境。因此燃氣導向葉片和渦輪葉片還有聯(lián)接渦輪葉片的渦輪盤(pán)都必需是極耐高溫的合金材料。沒(méi)有深厚的基礎科學(xué)研究,高性能的渦輪研制也就無(wú)從談起?,F今有實(shí)力來(lái)研制高性能渦輪的國家都無(wú)不把先進(jìn)的渦輪盤(pán)和渦輪葉片的材料配方和制作工藝當作是最高極密。也正是這個(gè)小小的渦輪減緩了一些國家成為航空大國的步伐。
眾所周知,提高渦輪進(jìn)口溫度是提高渦扇發(fā)動(dòng)機推力的有效途徑,所以在軍用渦扇發(fā)動(dòng)機上,人們都在不遺余力的來(lái)提高渦輪的進(jìn)口渦度以使發(fā)動(dòng)機用更小的體積和重量來(lái)產(chǎn)生更大的推力。蘇27的動(dòng)力AL-37F渦扇發(fā)動(dòng)機的渦輪進(jìn)口溫度以高達1427度(應該是K而不是攝氏度?。?而F-22的運力F-119渦扇發(fā)動(dòng)機其渦輪前進(jìn)口溫度更是達到了1700度(應該是K而不是攝氏度?。┑乃?。在很多文章上提到如果要想達到更高的渦輪口進(jìn)氣溫度,在現今陶瓷渦輪還未達到真正實(shí)際應用水平的情況下,只能采用更高性能的耐高溫合金。其實(shí)這是不切確的。提高渦輪的進(jìn)口溫度并非只有采用更加耐高溫的材料這一種途徑。早在渦扇發(fā)動(dòng)機誕生之初,人們就想到了用涂層的辦法來(lái)提高渦輪葉片的耐燒上涂一層耐燒蝕的表面涂層來(lái)延長(cháng)渦輪葉片的使用壽命。在JT3D的渦輪葉片上普惠公司就用擴散滲透法在渦輪葉片上“鍍”上一層鋁、硅涂層。這種擴散滲透法與我們日常應用的手工鋼鋸條的滲碳工藝有點(diǎn)類(lèi)似。經(jīng)過(guò)了擴散滲透鋁、硅的JT3D一級渦輪葉片其理論工作壽命高達15900小時(shí)。
當渦輪工作溫度進(jìn)一步升高之后,固體滲透也開(kāi)始不能滿(mǎn)足越來(lái)越高的耐燒蝕要求。首先是固體滲透法所產(chǎn)生的涂層不能保證其涂層的均勻,其次是用固體滲透法得出的涂層容易脫落,其三經(jīng)過(guò)固體滲透之后得出的成品由于涂層不勻會(huì )產(chǎn)生一定的不規則變形(一般來(lái)說(shuō)經(jīng)過(guò)滲透法加工的零件其外形尺寸都有細小的放大)。
針對固體滲透法的這些不足,人們又開(kāi)發(fā)了氣體滲透法。所謂氣體滲透就是用金屬蒸氣來(lái)對葉片進(jìn)行“蒸煮”在“蒸煮”的過(guò)程中各種合金成分會(huì )滲透到葉片的表層當中去和葉片表層緊密結合并改變葉片表層的金屬結晶結構。和固體滲透法相比,氣體滲透法所得到的涂層質(zhì)量有了很大提高,其被滲透層可以作的極均勻。但氣體滲透法的工藝過(guò)程要相對復雜很多,實(shí)現起來(lái)也比較的不容易。但在對渦輪葉片的耐熱蝕要求越來(lái)越高的情況下,人們還是選擇了比較復雜的氣體滲透法,現如今的渦輪風(fēng)扇中的渦輪葉片大都經(jīng)過(guò)氣體滲透來(lái)加強其表面的耐燒蝕。
除了涂層之外,人們還要用較冷的空氣來(lái)對渦輪葉片進(jìn)行一定的冷卻,空心氣冷葉片也就隨之誕生了。最早的渦扇發(fā)動(dòng)機--英國羅·羅公司的維康就使用了空心氣冷葉片。與燃燒室相比因為渦輪是轉動(dòng)部件,因此渦輪的氣冷也就要比燃燒室的空氣冷卻要復雜的多的多。除了在燃燒室中使用的氣薄冷卻之外在渦輪的燃氣導向葉片和渦輪葉片上大多還使用了對流冷卻和空氣沖擊冷卻。
對流冷卻就是在空心葉片中不停有冷卻氣在葉片中流動(dòng)以帶走葉片上的熱量。沖擊冷卻其實(shí)是一種被加強了的對流冷卻,即是一股或多股高速冷卻氣強行噴射在要求被冷卻的表面。沖擊冷卻一般都是用在燃氣導向葉片和渦輪葉片的前緣上,由空心葉片的內部向葉片的前緣噴射冷卻氣體以強行降溫。沖擊冷卻后的氣體會(huì )從燃氣導向葉片和渦輪葉片前緣上的的孔、隙中流出在燃氣的帶動(dòng)下在葉片的表面形成冷卻氣薄。但開(kāi)在葉片前緣上使冷卻氣流出的孔、隙會(huì )讓葉片更加難以制造,而且開(kāi)在葉片前緣上的孔隙還會(huì )使應力極中,對葉片的壽命產(chǎn)生負面影響??墒怯捎跉獗±鋮s要比對流冷卻的效果好上很多,所以人們還是要不惜代價(jià)的在葉片上采用氣薄冷卻。
從某種意義上來(lái)說(shuō),在燃氣導向葉片和渦輪葉片上使用更科學(xué)理合理的冷卻方法可能要比開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的耐高溫合金更重要一些。因為空心冷卻要比開(kāi)發(fā)新合金投資更少,見(jiàn)效更快?,F在渦輪進(jìn)口溫度的提升其一半左右的功勞要歸功于冷卻技術(shù)的提高?,F如今在各式渦扇發(fā)動(dòng)機的渦輪前進(jìn)口溫度中要有200度到350度的溫度被葉片冷卻技術(shù)所消化,所以說(shuō)渦輪工作溫度的提高葉片冷卻技術(shù)功不可沒(méi)。
其實(shí)在很多軍事愛(ài)好者的眼中,渦輪的問(wèn)題似乎只是一個(gè)耐高溫材料的問(wèn)題。其實(shí)渦輪問(wèn)題由于其工作環(huán)境的特殊性它的難點(diǎn)不只是在高溫上。比如,由于渦輪葉片和渦輪機匣在高溫工作時(shí)由于熱漲冷縮會(huì )產(chǎn)生一定的變形,由這些變形所引起的渦輪葉片與機匣徑向間隙過(guò)大的問(wèn)題,徑向間隙的變大會(huì )引起燃氣泄露而級大的降底渦輪效率。還有薄薄的渦輪機匣在高溫工作時(shí)產(chǎn)生的扭曲變形;低壓渦輪所要求的大功率與低轉數的矛盾;提高單級渦輪載荷后渦輪葉片的根部強度等等。除了這些設計上的難題之外,更大的難題則在于渦輪部件的加工工藝。比如進(jìn)行渦輪盤(pán)粉末合金鑄造時(shí)的雜質(zhì)控制、渦輪盤(pán)進(jìn)行機器加工時(shí)的軸向進(jìn)給力的控制、對渦輪盤(pán)加工的高精度要求、渦輪葉片合金精密鑄造時(shí)的偏析、渦輪葉片在表面滲透加工中的變形等等,這里面的每一個(gè)問(wèn)題解決不好都不可能生產(chǎn)出高質(zhì)量、高熱效率的渦輪部件。
六、噴管與加力
尾噴管是渦扇發(fā)動(dòng)機的最末端,流經(jīng)風(fēng)扇、壓氣機、燃燒室、渦輪的空氣只有通過(guò)噴管排出了發(fā)動(dòng)機之外才能產(chǎn)生真正的推力以推動(dòng)飛機飛行。
渦扇發(fā)動(dòng)機的排氣有二部分,一部分是外函排氣,一部分是內函排氣。所以相應的渦扇發(fā)動(dòng)機的排氣方式也就分成了二種,一種是內外函的分開(kāi)排氣,一種是內外函的混合排氣。兩種排氣方式各有優(yōu)劣,所以在現代渦扇發(fā)動(dòng)機上兩種排氣方式都有使用??偟膩?lái)說(shuō),在高函道比的渦扇發(fā)動(dòng)機上大多采有內外函分開(kāi)排氣,在低函道比的戰斗機渦扇發(fā)動(dòng)機上都采用混合排氣的方式,而在中函道比的渦扇發(fā)動(dòng)機上兩種排氣方式都有較多的使用。
對于渦扇發(fā)動(dòng)機來(lái)說(shuō),函道比越高的發(fā)動(dòng)機其用油也就更省推力也更大。其原因就是內函核心發(fā)動(dòng)機把比較多的能量傳遞給了外函風(fēng)扇。在混合排氣的渦扇發(fā)動(dòng)機中,內函較熱的排氣會(huì )給外函較冷的排氣加溫,進(jìn)一步的用氣動(dòng)--熱力過(guò)程把能量傳遞給外函排氣。所以從理論上來(lái)說(shuō),內外函的混合排氣會(huì )提高推進(jìn)效率使燃油消耗進(jìn)一步降低,而且在實(shí)際上由于混合排氣可以降底內函較高排氣速度,所以在當飛機起降時(shí)還可以降低發(fā)動(dòng)機的排氣噪音??墒窃趯?shí)際操作的過(guò)程中,高函道的渦扇發(fā)動(dòng)機幾乎沒(méi)有使用混合排氣的例子,一般都采用可以節省重量的短外函排氣。
進(jìn)行內外函的混合排氣到目前為止只有兩種方法一種是使用排氣混合器,一種是使用長(cháng)外函道進(jìn)行內外函排氣的混合。在使用排氣混合器時(shí),發(fā)動(dòng)機會(huì )增加一部分排氣混合器的重量,而且由于排氣要經(jīng)過(guò)排氣混合器所以發(fā)動(dòng)機的排氣會(huì )產(chǎn)生一部分總壓損失,這兩點(diǎn)不足完全可以抵消掉混合排氣所帶來(lái)的好處。而長(cháng)外函排氣除了要付出重量的代價(jià)之外其排氣的混合也不是十分的均勻。所以除了在戰斗機上因結構要求而采用外則很少有采用。
在戰斗機上除了有長(cháng)外函進(jìn)行內外函空氣混合之外一般都還裝有加力裝置來(lái)提高發(fā)動(dòng)機的最大可用推力。
所謂加力就是在內函排氣和外函排氣中再?lài)娙胍欢〝盗康娜加瓦M(jìn)行燃燒,以燃油的損失來(lái)?yè)Q取短時(shí)間的大推力。到目前為此只有在軍用飛機和極少數要求超音速飛行的民用飛機上使用了加力。由于各種飛機的使命不同對加力燃料的要求也是不同的。比如對于純粹的截擊戰斗機如米格25來(lái)說(shuō),在進(jìn)行戰斗起飛時(shí),其起飛、爬升、奔向戰區、空戰等等都要求發(fā)動(dòng)機用最大的推力來(lái)驅動(dòng)飛機。其戰斗起飛時(shí)使用加力的時(shí)間差不多達到了整個(gè)飛行時(shí)間的百分之五十。而對于F-15之類(lèi)的空優(yōu)戰斗機來(lái)說(shuō)在作戰起飛時(shí)只有在起飛和進(jìn)行空中格斗時(shí)使用加力,因此其加力的使用使時(shí)長(cháng)只占其飛行時(shí)間的10%不到。而在執行純粹的對地攻擊任務(wù)時(shí)其飛機要求時(shí)用加力的時(shí)間連百分之一都不到,所以在強擊機上干脆就不安裝加力裝置以減少發(fā)動(dòng)機的重量和長(cháng)度。
加力燃燒是提高發(fā)動(dòng)機推重比的一個(gè)重要手段?,F在我們所說(shuō)的戰斗機發(fā)動(dòng)機的推重比都是按照加力推力來(lái)計算的。如果不按照加力推力來(lái)計算F-100-PW-100的推重比只有4.79連5都沒(méi)有達到!為了提高發(fā)動(dòng)機的最大推力,人們現在一般都在采用內外函排氣同時(shí)參與加力燃燒的混合加力。
但當加力燃燒在大幅度的提高發(fā)動(dòng)機的推力的時(shí)候,所負出的代價(jià)就是燃油的高消耗。還是以F-100-PW-100為例其在全加力時(shí)的推力要比無(wú)加力時(shí)的最大推力高66%可是加力的燃油消耗卻是無(wú)加力時(shí)的281%。這樣高的燃油消耗在起飛和進(jìn)行空中格斗時(shí)還可以少少的使用一下,如要進(jìn)行長(cháng)時(shí)間的超音速飛行的話(huà)飛機的作戰半徑將大大縮短。
針對渦扇發(fā)動(dòng)機高速性能的不足,人們又提出了變循環(huán)方案和外函加力方案。所謂變循環(huán)就是渦扇發(fā)動(dòng)機的函道比在一定的范圍內可調。比如與F-119競爭F-22動(dòng)力的YF-120發(fā)動(dòng)機就是一種變循環(huán)渦扇發(fā)動(dòng)機。他的函道比可以0-0.25之間可調。這樣就可以在要求高航速的時(shí)候把函道比縮至最小,使渦扇發(fā)動(dòng)機變?yōu)楦咚傩阅芎玫臏u噴發(fā)動(dòng)機。但由于變循環(huán)發(fā)動(dòng)機技術(shù)復雜,要增加一部分重量,而且費用高、維護不便,于是YF-120敗與F-119手下。
由于混合加力要求內外函排氣都參與加力燃燒,這樣所需要的燃油也較多,于是人們又想到了內外函分開(kāi)排氣,只使用外函排氣參加加力燃料的方案。但外函排氣的溫度比較低,所以組織燃燒相對的困難。目前只有少數使用,通常是要求長(cháng)時(shí)間開(kāi)加力的發(fā)動(dòng)機才會(huì )采用這種結構。。
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中國的工業(yè) 觀(guān)念 還停留在 封建農耕時(shí)代的作坊意識里!~根本沒(méi)有進(jìn)入現代社會(huì )系統化的大生產(chǎn)意識狀態(tài)~~~~~~``
嚴格意義上說(shuō):中國現在還沒(méi)有具備產(chǎn)生社會(huì )系統化的大生產(chǎn)意識狀態(tài)全民化的大平臺
有人說(shuō):"關(guān)鍵的問(wèn)題是我們的材料制造和加工工藝中變量太多" 是的,要命的就是這"變量太多".這些都是直接的技術(shù)層面,透過(guò)這一層面我們看看深層到底是什么呢?在一切因素中最終起決定作用的還是人,人的意識、人的素質(zhì)...但這一切又取決與整個(gè)社會(huì )的大環(huán)境和大氣候.
嚴謹的工作態(tài)度、 認真負責的精神、刻苦鉆研的氛圍、良好協(xié)調的群體協(xié)作意識... 系統、規范、縝密的生產(chǎn)管理運行體系 ...良好的現代的人文環(huán)境.這些都不是一個(gè)人兩個(gè)人一年兩年的問(wèn)題。
我說(shuō)這些并不是說(shuō)我們就自暴自棄,古代中國是交通不便經(jīng)濟比較落后的農業(yè)社會(huì ),人們都生活在以家族為單位的農耕社會(huì )中,家族中自然以倫理為先。君君臣臣父父子子的封建官僚等級社會(huì )是最好的制度,所以這也是中國傳統價(jià)值觀(guān)的一部分。中國是一個(gè)有著(zhù)幾千年歷史封建社會(huì )的大國。期望一時(shí)轉變也不現實(shí)。隨著(zhù)技術(shù)、交通、信息的發(fā)展,古代的秩序被打破了,可不代表中國的傳統價(jià)值觀(guān)完全全部被淘汰。但隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展進(jìn)步,全民現代意識的提高。我想一切都會(huì )慢慢地改變的。不過(guò)我們還是要一個(gè)清楚和清醒的認識,才能有努力的方向??鬃诱f(shuō):知恥勇于虎.我們要看看到自己的不足,要勇于認識自己改造自己超越自己,并努力去負著(zhù)于實(shí)踐,天下興亡匹夫有責,我們每一個(gè)中華熱血男兒都從現在做起,從自我做起。繼承優(yōu)良的傳統文化,屏棄末落腐朽的糟粕。形成一個(gè)良好的現代的人文環(huán)境.只有這樣才能實(shí)現民族的發(fā)展和振興,使中華民族真正長(cháng)久地屹立于世界之林.