我国载人航天器总体电路技术发展
2022-02-20程天然王林涛吴京松周垚沈朝阳
程天然 王林涛 吴京松 周垚 沈朝阳
(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)
航天器总体电路担负着合理分配和安全可靠地输送电能、配电控制等任务,是构成电气系统的重要环节[1]。总体电路主要由配电器(含集中变换的二次电源)、火工控制器和电缆网三部分组成,同时肩负交会对接完成后航天器间并网功率变换控制及传输的功能。载人航天器更是赋予了总体电路载人的技术特点,体现在围绕航天员的舱内环境保障,高压配电的安全性,电缆防潮、防水、防护,人机工效的可操作性等方面。
我国载人航天工程“三步走”发展战略已近收官,航天器总体电路历经技术升级换代,配电功率切换能力大幅增强,配电管理自主程度不断提高,电缆网从低速传输扩展到了高速传输领域,引入了自动化、智能化设计工具和手段,设计能力和水平大幅提升。总体电路作为航天器的生命线,为载人航天提供更强有力的保驾护航。
本文对我国载人航天器总体电路技术发展进行了总结,可为后续相关工程设计提供参考。
1 载人航天总体电路技术发展
1.1 供配电体制
1)神舟飞船
神舟飞船供配电系统组成如图1所示。
图1 神舟飞船供配电系统组成及拓扑结构图Fig.1 Composition and topological structure of power supply and distribution system of Shenzhou spacecraft
神舟飞船是28 V低压供电体制,配电器只提供负载一次母线电压,在配电器内实现各种一次供电母线的切换控制以及对某些重要设备的开、关机控制,而各分系统需要的二次电源电压分散在各设备内部变换产生。
神舟飞船作为搭载航天员的载人运输器,除了实现整船正常负载配电外,还要考虑上升段救生可能,轨道舱返回舱分离、推进舱返回舱分离期间的能源转换,返回舱再入大气层返回地面后的救援等待等。因此,设计了一套独特的由主电源母线、着陆断电母线、逃逸救生母线、返回舱主母线组成的多母线体系。
(1)神舟飞船推进舱、返回舱、轨道舱分别设有配电器,由三舱配电器的主母线分别给各舱段的用电设备供电。主电源在推进舱配电器形成主电源母线,通过穿舱给返回舱配电器主母线供电和轨道舱配电器主母线供电。应急电源作为主电源的备份,推进舱配电器可接收外部指令,或者当母线电压跌落时自动接通应急电源并网。推返分离前,返回舱配电器进行主返并网,由返回电源提供从推返分离到着陆后的返回舱主母线供电。
(2)为确保逃逸救生系统的供电安全,返回舱配电器设置了逃逸救生母线,由返回舱主母线供电,只在逃逸程序时段接通,在正常上升段抛整流罩后,断开此母线,确保飞船正常运行时逃逸程控器不会误发逃逸指令,保证神舟飞船正常飞行时的安全。
(3)由于返回着陆电源电量有限,为了尽可能延长返回舱着陆后的供电时间,返回舱配电器设置了着陆断电母线,由返回舱主母线供电,在飞船返回舱着陆后断开着陆断电母线,实现着陆后不工作的设备统一断电。
2)空间实验室和货运飞船
随着功率需求不断增长,在满足供配电任务要求的同时,兼顾一期设备状态,为我国空间站发展积累技术基础,空间实验室、货运飞船采用了100 V高压长线传输、区域就近配电体制。为发挥高压供电优势,减少电源变换的损耗,对新研制单机或50 W以上的大功率负载设备尽量采用一次电源100 V直接供电。负载设备所需的28 V二次母线由总体电路分系统统一实现集中变换,其他28 V以下二次母线均由负载设备自行变换,图2为货运飞船供配电系统组成及拓扑。
图2 货运飞船供配电系统组成及拓扑结构图Fig.2 Composition and topological structure of power supply and distribution system of cargo spacecraft
3)空间站
空间站单舱功率等级已高达10 kW,三舱组合体总功率更是几十千瓦,为了充分发挥高压供电优势,除阀门等少数负载为28 V供电外,其余均为100 V供电设备。与空间实验室、货船相同,由总体电路分系统集中进行100 V至28 V二次母线电压变换,其他电压由负载设备自行变换。
我国空间站在轨运行时间长,采用双母线供电,将保平台任务和安全的关键/重要负载由A、B母线同时提供配电通道,一方面实现了母线层的备份,增加了系统供电可靠性;同时当组合体完成舱间能源组网后,充分利用组合体多舱母线融合优势,当能源故障时可通过重构对供电体系进行调整,当供电能力不足时可进行本舱或舱间能量调配,极大提高了应对故障的能力。图3为空间站三舱组合体供电拓扑图,正常飞行时核心舱A、B母线分别由实验舱IIA和IB提供,故障时首先降低负载用电进入能源安全模式,再适时重构调整供电体系。与“一重故障保业务连续,二重故障保航天器安全”的新型航天发展战略思想相符。
面向空间站在轨维修的特点,设计了母线切换层、母线配电层、负载配电层的三级配电体系架构,降低了供配电设备维修对系统的影响。为了保证指令母线不间断供电,采用原位板卡更换设计技术,实现了指令母线单元在线维修。为了综合利用资源,以标准化接口为前提,采用板卡更换设计技术,实现了功率控制单元单板维修。
汇集各个载人航天器供配电体制如表1所示。
表1 载人航天器供配电体制对比Table 1 Comparison of power supply and distribution system for manned spacecraft
1.2 配电技术发展
航天配电技术的发展主要围绕开关器件、功率变换、总线和自主管理控制等技术的发展。其中元器件是配电技术的基础。在我国航天事业发展初期,工业基础薄弱,元器件种类不全,等级不高。大量元器件都是采用民用、工业用器件,后续随着工业发展才陆续使用了军品、“七专”、国家军用标准等较高等级器件,近几十年开始陆续使用了宇航元器件。
1)继电器开关器件
继电器作为开关器件的典型代表在宇航配电中发挥了巨大作用,随着载人航天功率等级的提高,继电器触点电流需求逐渐增大,触点电压新增了100 V需求。
(1)载人飞船采用了28 V母线,选用了28 V/1 A、3 A、15 A的继电器作为开关控制器件;
(2)空间实验室/货船在载人领域首次采用了100 V供电母线电压,选用了100 V高压继电器,有2 A、10 A、25 A、40 A等多个规格。另外由于并网供电等大功率需求,还使用了28 V/50 A继电器;
(3)到了载人航天三期空间站研制阶段,对于高电压、大功率的需求更加强烈,常规继电器已不能满足高电压大功率切换需求,空间站需要全新研制高电压大功率的开关器件,经过国内元器件厂家不懈努力,最终在空间站上应用了120 V/100 A和120 V/200 A的接触器。
图3 空间站三舱组合体供电拓扑图Fig.3 Power supply topology of space station module 3 assembly
2)固态功率控制器
固态功率控制器是近年来发展起来的一种新型配电技术,是由半导体器件构成的开关装置,用于接通断开电路。相对于继电器采用的电磁控制机械式开关,其优点是:
(1)没有机械触点,不产生电弧,没有触点燃弧和回跳,使用寿命长,可靠性高;
(2)耐冲击,抗振性能优异,不会产生抖断;
(3)开关状态转换速度快,体积小,质量轻。
固态功率控制器另外一个重要的特点是集成了保护功能,在负载发生过载甚至短路故障时能够对供电线路上的输出电流加以控制,进而起到保护供电母线的作用,即代替了继电器+熔断器的配电开关控制和保护模式。
载人航天三期空间站系统开始大规模使用了反时限保护特性的固态功率控制器(SSPC)作为开关控制和保护器件,采用了厚膜工艺,具有1 A、3 A、10 A、15 A几个等级。
3)直流电压变换器(DC/DC)
载人航天器直流电压变换器的发展特点:
(1)由于一次供电母线电压的不同,在28 V电压变换的基础上增加了100 V电压变换;
(2)分布式分散配电使用的小功率直流电压变换器采用的工艺从表面贴装逐渐过渡到厚膜工艺,体积质量减小;
(3)集中使用的直流电压变换器功率需求越来越大。
具体如下:
(1)载人飞船的分散配电大量使用了进口Interpoint公司的28 V直流电压变换器;
(2)目标飞行器/空间实验室集中100 V/28 V功率变换采用的是表贴工艺的200 W直流电压变换器,28 V分散配电与载人飞船一致仍然使用了进口Interpoint公司的28 V变换器;
(3)空间站和货运飞船的分散配电采用了型谱化的国产100 V厚膜直流电压变换器,满足各种单机对于不同电压等级的需求;货运飞船100 V/28 V/200 W集中变换直流电压变换器采用了平面变压器,减小了单机体积重量;空间站100 V/28 V集中变换直流电压变换功率增加到了500 W,并网供电使用100 V/100 V直流电压变换器单台功率达到了2 kW。
4)信息接口的发展带来能源管理功能自主化
配电系统作为航天器的关键功能,实现能源系统智能化自主管理一直是要实现的重要目标,在我国载人航天发展过程中,信息化接口的应用带来航天器自主能源管理飞跃式地发展。
一期载人飞船的配电系统遥测采用了有线模拟量电压遥测,指令采用了遥控、程控、手控等硬线指令;二期目标飞行器/空间实验室配电系统的遥测采用了串行数字信号接口(DS),减少了遥测相关的电缆重量。无论是载人航天一期还是二期,能源管理功能都依靠航天器的平台数据管理系统实现,由于资源有限,航天器仅能实现能源安全模式关负载等简单的能源管理功能。
三期空间站配电系统配置了专门用于能源管理的计算机,具备1553B总线接口,用于遥测传输和总线指令控制。可以实施功能更为全面和强大的自主能源管理功能。以能源管理器为核心,能源管理器作为上一级总线的RT,同时作为配电系统内总线的BC,通过1553B总线实现终端的管理。同时,配备的能源管理应用软件具有自主管理功能,实现能源安全模式、载荷用电管理、移动用电管理等能源管理策略。
1.3 电缆网技术发展
电缆网是航天器的重要组成部分之一,是航天器能量流和信息流的承载体。负责在不同飞行阶段,安全可靠地向各分系统传输电能,并为各舱段之间、舱段内各分系统之间进行指令和信息的传递,使航天器能量流和信息流协调一致。载人航天器电缆网具有规模庞大(见图4)、功能接口复杂、环境适应性高等特点,神舟飞船电缆网具有防水、防潮的设计要求,空间实验室和货运飞船电缆网具有高压安全性设计要求,空间站电缆网具有在轨操作、可维修性、长寿命设计要求。
图4 载人航天器电缆网发展对比Fig.4 Comparison of cable network development for manned spacecraft
1)防结露、防水设计
神舟飞船电缆网防结露、防水设计及验证是一项具有载人特色的研究成果。
载人航天器特有的密封舱环境下,航天员的呼吸及生活均会具有一定的产湿量,为解决密封舱内电连接器因结露造成绝缘性能降低而引起的影响系统工作安全性问题,密封舱内电缆具有防结露设计要求。通过模拟真实载人飞船舱内环境条件,设计载人飞船防结露试验方法,准确定位了不同型号电连接器及电缆工艺的防结露特性,针对不满足要求的电连接器插头插座对接面研发了密封措施,针对电缆尾部出线端研发了电连接器尾罩灌封及热缩套封工艺,并开展试验验证确保了设计更改的正确性、防护措施的有效性。
神舟飞船返回时,为防止落海造成暴露在返回舱外表面的穿舱插座上的接点短路而影响设备正常工作,确保航天员生命安全,返回舱电缆具有防水设计要求。针对载人飞船返回舱所有设备在返回段及着陆后的不同工作模式,对穿舱插座上接点因短路而带来的影响进行了分析,采取部分电缆插头与插座对接后整体热缩套封的防护措施,部分电缆接点由航天员在返回过程中实施断开操作的防护方式,有效解决了返回舱溅落在海上时由于暴露在返回舱外表面的穿舱插座上的接点短路而引起的影响设备工作安全性问题。
空间实验室和空间站等载人航天器沿用了此项技术,并经历了更严格的考核验证。
2)高压安全性设计
空间实验室和货运飞船首次于载人航天器上采用了“100 V高压长线传输、区域就近高低压混合配电、分布式局域二次母线”的供配电体制。高压安全性设计成为电缆网设计的关键技术。
高压电缆从元器件选型、分支设计、接点排布、布局走向均进行了安全性设计,高压电缆全部采用单根电缆,独立标识、单独敷设,在传输路径上采取二次隔离,电缆与舱体金属结构直接接触部位加铺聚酰亚胺膜;此外,为了防止高压100 V直接暴露在舱外,对操作安全及飞行安全造成影响,在设备上带有高电压的100 V空插座上安装了高压防护插头。
3)新型器件的应用
(1)密封穿舱电连接器。载人航天器密封舱具有气密性要求,泄漏率不大于1×10-4Pa·cm3/s,于神舟飞船上研制了三件套Y27系列玻璃烧结密封穿舱电连接器可满足跨舱段间能源和信号的传输要求。神舟飞船轨道舱与返回舱之间采用四件套Y35系列密封穿舱电连接器可适应飞船轨返分离、推返分离时电缆网舱段间的物理切割需求。密封穿舱电连接器在空间实验室和货运飞船进行了大量推广应用,在空间站上沿用了此项技术,并在此基础上提高技术指标、首次应用了能够承载大电流的大功率密封穿舱电连接器,以满足空间站超27 kW等级多母线能源系统舱间功率调配需求。
(2)在轨维修操作连接器。空间站在轨寿命长达15年,为满足电子设备维修性设计需求,研制JYH系列舱外宇航员作业专用电连接器、J36-T3、J14-T3型舱内在轨维修操作连接器。在轨维修操作连接器根据人机工效学要求,进行了防滑、对位、操作方式、操作反馈、界面机械安全性等专项设计,其构型设计、操作力设计、环境适应性设计、安全性设计等关键技术填补了国内该领域空白,于天和一号首次在轨成功应用,在轨验证结果表明其能够可靠、安全地支持宇航员开展维修活动,为载人航天器电子单机的维修性设计及空间站在轨长期运营提供有力的技术支撑。图5为航天员操作在轨维修连接器。
图5 JYH系列在轨维修连接器Fig.5 JYH series on-orbit maintenance connectors
(3)新型传输导线。普通导线采用的交联乙烯-四氟乙烯共聚物绝缘材料(X-ETFE),在辐照加工交联过程中,会产生游离氟,这些游离状含氟自由基团,与水接触会产生含氟酸性物质,在高温高湿的情况下,存在腐蚀金属外壳连接器的问题并对航天员不利。载人航天器舱内环境密闭、有人、有水(饮用水、冷凝水、结露等),特别是空间站长期驻人,为确保宇航员安全,空间站密封舱内电缆首次采用了低氟型新型传输导线;同时,在优化减重方面,电缆网大量选用了薄壁导线,电缆网减重20.31%;此外,空间站首次成功应用了抗辐照以太网传输线缆、千兆万兆光缆,实现航天员图像话音、网络信号高可靠传输,为大量应用载荷设备的数据管理和载荷数据的舱间、天地间高速通信管理,及舱内载荷试验和舱外暴露试验数据传输、存储、复接以及下行提供技术支撑。
4)数字化智能化设计
载人航天器电缆网数字化设计始于货运飞船系列型号,后续不断发展,在功能实现和性能提升上取得了大量成果。以核心舱为代表的空间站电缆网,单舱规模是载人二期的4倍(6万分支,24万接点、跨780个穿舱面),空间站设备规模庞大、组合体能源和信息流可靠冗余、跨舱调配、故障重构等传输需求极大地增加了电缆拓扑的复杂度。因此,在空间站电缆网设计中,电缆网设计从多维度积极探索数字化的设计与分析路径,建立适应型号发展的自动化、图形化、智能化的数字化设计平台,提出一种基于复杂度评估算法的电缆图形化智能分束方法,可以自动完成电缆网拓扑图,提供多种智能分束方案,将超大型网状电缆优化为分支拓扑结构相对简单,树状或小型交叉网状式拓扑,可以有效降低电缆复杂度,最终在核心舱正样阶段实现整舱电缆网减重470 kg。图6为电缆智能分束功能演示。
图6 智能分束方案预览(电缆局部)Fig.6 Preview of intelligent beam splitting scheme(local cable)
1.4 并网技术发展
来访主动飞行器通过交会对接与被动飞行器对接口对接完成后,存在功率流传输需求。表2为历次载人航天器之间并网功率需求和基本方案。
表2 载人航天器并网供电Table 2 Power utility grid connection for manned spacecraft
1)载人二期并网供电
载人二期工程突破了在轨交会对接技术后,空间实验室向神舟飞船的并网供电,是载人航天器在轨实施的首次并网供电。采用恒压限流并网工作模式[2],供电优先级为:太阳电池阵>并网控制器>镉镍蓄电池组>应急电源。并网供电组成结构示意如图7所示。
图7 并网供电组成结构示意图Fig.7 Power utility grid connection structure diagram
2)空间站并网供电
为避免电压源互相竞争造成并网电压不稳现象,空间站并网控制器在载人二期恒压并网模式的基础上增加了恒流并网模式,恒流模式的引入增加了并网控制的可靠性和灵活性。恒压-恒流输出模式可自主切换,并网控制器的输出电压和输出电流均可以通过在轨注入1553B总线指令实时控制,从而实现对并网功率的限值控制。
(1)恒压、恒流控制。功率组件的主电路通过恒压恒流控制器[3]实现“恒流限压”功能,恒流限压电路控制下变换器外特性曲线由6个控制域组成,分别为恒流工作域、正常工作域、过压域、过流域、过流保护域、过压保护域,见图8。
图8 恒流限压电路控制下变换器的外特性Fig.8 External characteristics of converter in constant current and voltage control mode
(2)远端采样控制。由于载人飞船输出端为低压大电流母线,且并网系统输出电缆较长,导致在不同负载条件下,并网点电压对功率波动。对载人飞船并网采用了远端电压采样及控制技术,把并网点作为电压闭环控制点,确保采样点电压值与实际并网点的电压值始终一致,将电缆上的压降损失放置在电压闭环内,以弥补大功率输出时,线缆上的压降造成并网点电压跌落,保证并网点电压在全负载范围内波动幅度小。图9为远端电压采样拓扑图。
图9 并网控制器远端采样拓扑图Fig.9 Remote sampling topology of power supplyment controller
1.5 火工控制技术发展
载人航天器安装了多种火工装置,通过起爆火工装置,用于实现机构解锁和分离,以及阀门打开等功能。火工控制技术属于配电技术的一种,但因其控制的负载为整器的火工装置,因此在技术本身及实施层面又有其特殊性。
从神舟飞船、空间实验室、货运飞船到空间站,火工控制技术的发展一直遵循成熟可靠、安全第一的原则,从如下方面确保火工控制系统的可靠性、安全性。
1)设计方面
载人航天器火工控制技术形成于神舟飞船,后续空间实验室、货运飞船、空间站均在此基础上,根据自身型号特点,并参照院标要求进行设计。
(1)设置独立的火工母线,保证火工母线与供电母线的物理隔离。神舟飞船各舱段配置独立的一组火工电源(由a、b两块电池构成),火工装置引爆采用单一火工母线供电。从空间实验室开始,不再单独配置专用火工电源,而是由3块一次电源供电电池组中间抽头形式提供3组火工电源,设置A、B两条火工母线给主、备起爆器分别供电,确保供电、起爆通路完全独立;同时,当火工电源1或火工电源2故障时,可以将故障火工电源切除,将第3组火工电源接入对应火工母线,增强火工供电的可靠性。
(2)各舱段单独设置火工控制装置,用于本舱段火工装置的引爆控制。
(3)在飞行程序设计上,火工装置引爆前接通火工母线,火工装置引爆后及时断开火工母线,保证了火工装置不会发生误爆。
(4)火工装置起爆电路一般设置3~4道安全控制:指令母线通断控制、火工母线(正/负)通断控制、起爆器供电(正/负)控制。
神舟飞船火工控制装置指令母线没有加继电器控制,对火工母线正线、火工装置的正、负进行控制。从空间实验室开始,严格遵照院标设置了多道锁。
(5)载人航天器火工控制装置中采用的是四川永星电子TRY系列专用限流电阻,该限流电阻是在原RY型的改进产品,将各火工装置起爆电流限制在安全可靠的范围内,同时消除火工装置引爆后搭壳引起的短路风险。
(6)火工装置控制及执行部件采用冗余设计,保证可靠性。
(7)火工供电线缆采取双端屏蔽层接地的正负双绞屏蔽设计,一方面减少火工供电线路对其他环境的干扰;另一方面增强自身抗干扰的能力。
(8)在火工控制装置内与各火工装置的连接处设置静电泄放电阻,构成静电泄放回路,避免在火工母线正、负端都断开时,火工控制装置内静电积累。
(9)采用霍尔电压传感器对火工母线电压进行测量,使用1只小磁保持继电器和起爆电磁继电器(一般2只并联)并联的形式,对火工装置起爆状态进行监测。
(10)设置地面火工单阻和综阻短路保护插头,以适应地面测试不同阶段对整器火工装置的保护。
2)测试和验证
载人航天器各型号火工系统的测试和验证方法主要包括如下方面。
(1)载人航天器初样研制阶段,采用真实火工品,设计状态一致的火工供电电缆,进行火工品真实点火试验,验证整个火工系统设计的正确性。
(2)载人航天器按照5~10 A进行引爆电流设计,通过起爆电流复核复算对整个火工控制系统可靠性进行确认。
(3)综合测试阶段安排专项火工指令检查,验证指令执行和遥测功能,以及设备内部供电通路的正常。
(4)整器火工装置阻值测试。为验证火工装置安装后电起爆器状态以及整个供电通路正常,在研制过程的不同阶段、北京地区和发射场地区均安排有测试和确认环节。
为了检测火工控制线路及火工装置状态,保证测试、运输状态下火工装置的安全,设计了单独的火工测试及保护电路,如图10所示。通过单阻测试插头直接测量每个火工装置桥丝阻值,通过综阻测试插头测量每个火工装置供电回路阻值,同时配置对应的单阻和综阻火工短路保护插头,以适应地面测试不同阶段对整器火工装置的保护。神舟飞船火工地面测试电缆有20根,后期通过将单阻和综阻测试插头型号和接点定义的统一,对火工测试电缆设计进行了优化,如货船飞船火工测试电缆根数精简到2根,减少了器上火工电缆的操作次数,降低了操作风险。
图10 火工品测试及保护设计原理示意图Fig.10 Test and protection design principle diagram of pyrotechnic devices
一期、二期载人航天器起爆电流计算和火工装置阻值测试理论值计算,基本采取电路仿真软件或Excel表格计算的方法,存在效率低下、计算结果偏差较大、工作重复容易出现低级错误的特点,无法满足后续空间站阶段各型号高密度研制和发射的任务要求。从2016年开始,完成了“载人航天器火工引爆线路仿真计算软件”的研制,实现了自动读取仿真计算所需数据,自动进行单综阻计算、引爆电流计算复核,自动生成测试细则、仿真报告的功能,提高了火工链路仿真的效率和可信度,目前该软件已在神舟系列飞船上得到了全面应用,极大提升了工作质量和工作效率。
2 后续载人登月对总体电路技术发展的需求与展望
载人登月初步规划了两个飞行器:新一代载人飞船和月面着陆器。其中,新一代载人飞船作为地球表面与月球轨道之间的往返飞行器,月面着陆器作为月球轨道与月球表面之间的往返飞行器。载人登月对总体电路除了更高的可靠性和安全性要求之外,在设备集成化、固态功率控制器(SSPC)芯片化智能化、电缆轻量化、无线移动供电、高速电连接器技术等方面提出了更高要求。
综合电子设备集成度进一步提高,一次二次配电、火工品管理等功能广泛集成在综合电子设备中。SSPC电路采用独立专用控制芯片,控制芯片通过总线进行配电数据采集、功率控制,SSPC电路体积重量显著缩小,控制芯片独立于功率器件之外,使用更灵活。广泛采用轻质导线、压接技术,电气设备连接器设计规范化,电缆复杂程度大幅度降低。试验载荷、月球车、月面活动移动用电设备广泛采用电磁耦合无线充电方案。高速时间触发以太网采用新型高速电连接器技术。以上总体电路的新技术均将有力的保障中国载人登月任务顺利实施。
3 结束语
中国载人航天发展到空间站阶段并不是结束,载人登月工程正在加速研究中。新一代载人飞船的可重复利用、返回落海后48 h的电气性能安全性保障要求,轻量化、小型化火工控制方式的改进,配电功率无线能量传输、固态功率控制器芯片化等方面进行的技术储备,综合电子的高度集成应用趋势,大功率汇流组件传输,预埋电缆网设计、布局与敷设的深度融合,都将为载人航天未来总体电路的设计及创新带来新的挑战。
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