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空客集团2014年度宇航防务领域开发与拓展研究

时间:2015年07月17日 信息来源:国际太空 点击: 【字体:



空客集团即之前的欧洲航空航天防务集团(EADS),在完成了组织结构调整后,2014年初正式更名并按照新的组织结构运行。在新的宇航防务战略下,完成了重大项目以及新领域与新市场的开拓。我们通过研究2014年空客集团宇航防务领域主要业务的进展、新概念与新技术研发情况,以及一系列航天国际合作举措,最终通过分析得出了军工集团宇航防务业务发展的重要启示。


1  概述


空客集团是目前世界第二大、欧洲第一大宇航防务集团,2014年进行重组后其下属有3个事业部,其中,空客防务航天(ADS)事业部集中了集团的宇航防务业务,拥有4万名员工,是法国国防部最大的承包商。


空客集团2014年新组织结构图


ADS事业部2014年明确了业务发展战略,一是将火箭与卫星、军用飞机、导弹及相关系统与服务确定为未来核心业务,会进行重点投资建设;二是不符合战略目标但具有开发潜力的业务将作为候选投资项目,如:商业及国有通信与服务业务,将通过调整所有权结构进行创收;三是非核心业务将会被剥离;四是电子业务发展模式需要再研究,做出明确定位,创造价值并取得收入增长。

2014年ADS事业部另一项重大业务优化举措是宣布与赛峰集团(Safran)合资成立了空客-赛峰公司,用以火箭的研制与发射,以保障其火箭业务的生存力。


2  运载火箭


阿里安-5火箭


2014年,ADS事业部研制的阿里安-5(Ariane-5)火箭共在库鲁发射场进行了6次发射,实现了该火箭在12年内连续63次的成功发射。从2003年至今,该事业部带领的火箭工业团队有550家公司,20%以上都是中小企业,分布在欧洲12个国家,组成了一个完整的供应链。


阿里安-5火箭2014年发射情况


测试中的“雅典娜-费多思”


ADS事业部还与欧洲运载火箭公司(ELV)签署合同,为ELV公司的“织女星”火箭研制惯导等电子组件。这些组件也将用在阿里安-5火箭上,未来两型火箭将共用一条生产线,使阿里安-5火箭的组件批产优势可直接用于“织女星”火箭的组件批产。


阿里安-6火箭


ADS事业部得到了欧洲航天局(ESA)价值6000万欧元的阿里安-6火箭可行性研究合同,要求明确总体结构设计和主要性能指标。

为了研制好阿里安-6火箭,ADS事业部在2014年推进了多项举措,一是开始了阿里安-6火箭首个发动机的壳体纤维缠绕工作,这将成为欧洲最大的碳材料发动机壳体;二是与赛峰集团合资建立了空客-赛峰公司,专门研制并发射阿里安-6火箭;三是与液化空气集团(Air Liquid)合资成立的Eurocyrospace公司,这是在德国不来梅建设的新工厂,设计、研制阿里安-5ME和6火箭通用的上面级贮箱。首个阿里安-5ME火箭低温贮箱将于2015年11月下线开始测试,期间,阿里安-6火箭会并行开发,最大程度上实现两型火箭分系统的通用性。


3  航天器


卫星


2014年,ADS事业部共取得14颗卫星的订单,订单总数达到39颗。ADS事业部是世界第一大观测卫星研制与出口商,无论对国外政府,还是对卫星运营商,其卫星在轨交付占有率都是最高的。


(1)“哥白尼”计划中的项目任务

欧洲议会在2014年批准了新的欧洲地球观测计划,即“哥白尼”计划[之前称为“全球环境与安全检测”(GMES)],预算43亿欧元,周期为2014-2020年,目标是实现陆、海、空监视,天气探测、安全监视、海上交通与灾害管理,通过数据分析,提供温度变化、海平面上升、冰川融化、太阳辐射、洪水预测、温室气体等发展趋势。“哥白尼”计划主要依托“哨兵”(Sentinel)系列卫星与载荷,ADS事业部负责研制其中3颗卫星与相关有效载荷,2014年任务进展主要如下。

哨兵-1A由泰雷兹-阿莱尼亚空间意大利公司研制,在2014年由“联盟”火箭成功发射。其中,ADS事业部研制的卫星核心部件——合成孔径雷达(SAR)天线在轨展开进行工作。合成孔径雷达天线采用了先进的数据压缩技术,未来7年每天传输图像数据高达8000G,可在全天候、全时段下执行C频段观测任务,开启了“哥白尼”计划下新的地球观测时代。

ADS事业部取得ESA的1.44亿欧元合同,用以研制哨兵-5光谱仪。该设备可每日监视全球大气,通过对特定示踪气体(如:臭氧、二氧化氮、甲烷、二氧化碳、二氧化硫等)与悬浮物的测定,供大气与气候科研人员分析污染源,评估对气候与空气质量影响。哨兵-5仪器内核是一个紫外、可见光、近红外、短波红外的成像光谱仪,质量约270kg,将安装在第二代气象业务-SG(MetOp-SG)卫星上。气象业务-SG将于2019年交付,2021年发射,送入800km高度的极地轨道。

ADS事业部交付的哨兵-2A在德国进行了一系列环境试验,将在2015年上半年发射,哨兵-2B(第2颗)在2016年发射。哨兵-2质量1.2t,可提供从近红外到短波红外的电磁波谱光学图像,最低分辨率达到10m。


(2)建成地球观测卫星联合体

截至2014年底,ADS事业部凭借在轨运行的光学成像卫星斯波特-7和6(SPOT-7和6,分辨率1.5m)、昴宿星-1A和1B(Pleiades-1A和1B,分辨率0.5m)以及雷达成像卫星“X频段陆地雷达”(TerraSAR-X,分辨率0.25m)与“X频段串联”(TanDEM-X,分辨率0.25m)卫星,成为全球首家能够同时研制多分辨率、多谱段地球成像卫星,并提供数据服务的供应商。

ADS研制的斯波特-7在印度萨迪什·达万(Satish Dhawan)航天中心成功由“极轨卫星运载火箭”(PSLV)发射,服役期为10年。昴宿星-1A、1B可以配合斯波特-7和6,针对特定地区进一步放大观测,两类卫星在同一轨道,可每日对全球任意地点进行观测。

ADS事业部还与阿塞拜疆的卫星运营商阿宇宙公司(Azercosmos)进行了战略合作,将斯波特-7的所有权转交给该公司,并提供地面段设施与培训项目。双方都可访问斯波特-7和6的图像及相关地理信息数据,并发布给各自的用户。其中,阿塞拜疆欲借此大力发展本国商业太空产业,促进国家经济发展。


(3)主要卫星交付与研制合同

2014年,ADS事业部签订了多颗卫星研制合同并交付了一定数量的卫星。

2014年ADS事业部主要的卫星研制合同与交付情况


深空探测器


(1)“罗塞塔”探测器

“罗塞塔”(Rosetta)探测器经历了957天的休眠飞行后,2014年在即将到达67P/楚留莫夫-格拉希门克(简称67P彗星)彗星时苏醒。为实现顺利苏醒,采用了若干方法,一是设计了4个苏醒闹钟,为避免某个闹钟出现故障提前叫醒“罗塞塔”,要求必须至少2个闹钟同时响起才能叫醒;二是在发射前的2年内,连续进行了大量飞行软件测试,避免飞行中易出现的故障;三是采用纯太阳能供电,保证休眠状态下的最低供电。以往飞越火星的探测器都采用了核能供电,而“罗塞塔”采用的先进太阳能电池技术,可用于在极低温、低光条件下收集能量。


(2)欧洲自动转移飞行器-5

2014年阿里安-5ES火箭成功发射了第5架欧洲“自动转移飞行器”(ATV-5,命名为“乔治·勒梅特”),执行“国际空间站”(ISS)货运任务,质量20.3t,是质量最大的一架“自动转移飞行器”。自动转移飞行器-5运送了6.6t生活用品,包括:4t油水气,2.7t食品以及衣物和科研设备。其中包括ADS事业部研制的电磁悬浮器(EML),用于在“国际空间站”上研究先进合金、半导体材料的熔融特性,从而改进工业铸造工艺。自动转移飞行器-5由ESA航天员执行任务,飞行至260km高度的圆轨道,火箭飞行轨迹将从发射场向东北方向飞,飞越法国、卢森堡、德国、波兰、乌克兰、俄罗斯,飞越1h后与上面级分离并飞向“国际空间站”,上面级坠入太平洋。至此,5次“自动转移飞行器”任务全部结束,后续ADS事业部计划将“自动转移飞行器”技术与经验用于其他新的航天工程中,其中包括美国“猎户座”(Orion)飞船的服务舱、空间碎片捕捉、小行星登陆等。


(3)“盖亚”空间望远镜

ADS事业部花费10年时间研制了欧洲最先进的空间望远镜“盖亚”(Gaia),并于2013年成功发射。“盖亚”携带有10亿像素探测器,可在700km外识别出一束头发丝,最终将定位在地-日拉格朗日点(L2),距离地球1.5×106km,用于绘制银河系高精度3D天体图,研制太阳系进化起源。

除上述3个主要项目外,在“罗塞塔”承受-270℃低温与完全黑暗环境的基础上,ADS事业部目前正在研制水星探测器,2016年执行探测任务,届时将承受350℃高温与强太阳辐射;ADS事业部研制并交付了泰雷兹-阿莱尼亚空间公司的火星探测器前、后防热层,其中前防热层可耐受1850℃高温,计划2018年飞往火星,搜寻生命迹象。


4  新概念与前沿技术


空天飞机自主着陆试验


在新加坡经济发展局的支持下,ADS事业部空天飞机验证机成功在中国南海邻近区域,沿着新加坡海岸线飞行了100多千米,验证了返回时的动力飞行条件。验证机采用1:4比例大小,由新加坡机器人公司——希望技术公司(HOPE Technik)与空客集团的创新中心联合研制。验证机吊装在一架直升机上,在3km高空释放,通过7艘海上游艇遥控飞行,数小时后降落海上并回收。该项目2007年就已经开始进行,2008年金融危机时进展缓慢,ADS事业部希望通过此次试验能吸引合作伙伴共同开发该项目,这也是ADS事业部迈向天地往返领域的重要一步。


“微风”无人飞行器试验


“微风”(Zephyr)高空无人飞行器是ADS事业部无人系统中的重要装备之一。“微风”被看作是一种高空伪卫星(HAPS),完全依靠太阳能在云层与航空域之上飞行,用于填补卫星与无人机之间的能力空白,可监视方圆1000km左右的区域,提供类似卫星通信与情报监视与侦查(ISR)服务,保持长期不间断通信。“微风”验证了由中心控制站进行远程控制,完成全球飞行任务的能力,最终实现全年不间断飞行。

2014年,微风-7分别与英国和阿联酋方面合作,各进行1次试飞演示。ADS事业部在英国国防部军用航空局(MAA)等部门帮助下,在南半球冬季环境中,为英国国防部演示了由卫星数据链进行远距离控制的微风-7飞行任务,完成了11天(250h)不间断飞行监测,并取得了首个HAPS项目军用注册登记号PS001。

“微风”的首次民用飞行任务,由ADS事业部与阿拉伯联合酋长国先进科学技术研究院(EIAST)的项目团队联合完成。“微风”在迪拜进行完成了一昼夜飞行,飞行高度最高为19km,飞行环境温度在40~-80℃之间,充分验证了应用的可行性,强化了用户信心,体现了项目在资源管理、环境监测、紧急保障等方面的重要民用价值,更重要的是可以在民用管辖权与民用空域下提供这些服务。未来ADS事业部与EIAST将进一步合作开发该项目,研制有效载荷,并推向民用与商业市场。

微风-8是微风-7的改进型,未来将邀请有效载荷客户与应用客户联合进行飞行演示,在澳大利亚、美国、欧洲等地完成试飞工作。


卫星电推进技术


为发展电推进技术,ADS事业部在2014年主要有两项举措。

一是ADS事业部在德国Lampoldshausen市投资250万欧元,建设了太空推进系统总体中心,致力于为全球市场设计电推进方案,Lampoldshausen市在最近50年来一直在从事大量太空推进组件的研发制造和试验。该中心目前拥有300名研发人员,研发从组件级到分系统级的化学推进技术与电推进技术。ADS事业部将利用该中心的射频离子推进器生产线,设计高比冲方案,减少燃料的消耗。ADS事业部的阿里安-5、“织女星”火箭的上面级与“自动转移飞行器”动力系统的测试集成工作也在Lampoldshausen市进行。

二是ADS事业部与赛峰集团所属的斯奈克玛公司(Snecma)签署协议,斯奈克玛公司负责研制新型PPS5000等离子发动机,用于实现ADS事业部的欧洲星-E3000卫星平台电推进能力。斯奈克玛公司从事民用或军用飞机发动机设计、研发、生产、销售,采用单独或与外界联合的方式,用于运载火箭和卫星的推进器,并提供相关维修与保障服务。


天文望远镜核心技术

ADS事业部研制的近红外光谱仪(NIRSpec)与中红外探测器(MIRI),集成于“詹姆斯-韦伯空间望远镜”(JWST)的科学仪器舱内,通过了120天超低温真空实验,近红外光谱仪达到-235℃,中红外探测器达到-266℃。这2个仪器由ESA授予合同,用于JWST分析宇宙起源时的星体光线。装载仪器的JWST科学仪器舱将会在2015年进行热真空实验,2018年由阿里安-5火箭发射。


展示“詹姆斯-韦伯空间望远镜”1:1模型


超高速太空数据中继


ADS事业部在哨兵-1A与“阿尔法卫星”(Alphasat)雷达之间,成功完成了激光影像的吉比特级数据传输试验,成为首家掌握该技术的公司,有望为太空通信领域带来颠覆性变革。ADS事业部此次实验基于激光通信终端(LCT)技术,是ESA“欧洲数据中继系统”(EDRS)的主要组成部分。“欧洲数据中继系统”亦被称为“空间数据高速路”(SpaceDataHighway),致力于提供LEO卫星或者航空飞机与GEO卫星之间的安全高速数据通信,有望突破当前天基数据通信的能力边界,服务于商业、民用与军事应用。


新一代通信卫星数字处理器

ADS事业部向日本电气公司(NEC)交付了首个第3代通信卫星数字处理器。2013年,ADS事业部为国际移动卫星公司(INMARSAT)发射的“阿尔法卫星”中携带了8个该处理器,每秒运算速度10万亿次,数据处理能力比3个国际移动卫星-4能力之和还要强大。目前,ADS事业部正在开发第4代处理器,投资方还包括英国技术战略委员会与ESA,预计2015年完成设计工作,性能相当于第3代处理器的10倍。


高速率光子远程通信卫星

ADS事业部加入了欧洲“灯塔”(Beacon)计划,其中一项重要研发工作是研究如何将地面上的光子与光纤技术用于航天器,设计比当前远程通信卫星更加小型化、低能耗的高吞吐量通信卫星。通过“灯塔”计划,ADS事业部将继续保持卫星前沿技术的领先地位。


5  航天国际合作


ADS事业部在2014年开展了丰富的航天国际合作,主要合作模式可分为以下几种。


利用外部机构的地域市场资源

ADS事业部与马来西亚沙布拉(Sapura)集团建立安防技术战略合作关系,联合开发指挥、控制、通信、计算机、情报、监视和侦查(C4ISR)系统及其相关的规划与数据融合产品,为亚太地区的军队提供数字化能力,并实现区域商业化应用。这是ADS事业部在马来西亚战略布局的其中一步,也是Sapura公司在主导国家重大项目的同时,突破国门,走向世界的重要一步。

ADS事业部与新加坡电信集团全资子公司国家电脑系统公司(NCS)共同在新加坡建立了卓越中心(Centre of Excellence),联合研发并商业化亚洲安全城市方案,实现数据融合、预测分析、人群视频分析与仿真等,并在各城市间进行数据共享,使城市居住更智能、更安全。合作将设立研究项目,吸引当地大学、政府、私人实验室共同参加。

为了拓展日本卫星应用市场,ADS事业部在斯波特-7发射后,与日本从事航空影像与地理空间服务的帕斯克公司(PASCO)签署了斯波特-6、7直接接收站(DRS)数据发布协议,并将全资子公司东京斯波特图像株式会社(TSI)出售给了PASCO公司,以便于推进全面合作。TSI成立于2002年,一直服务于日本的民用市场,如:地图绘制、农林等政府部门。斯波特-6、7 直接接收站(DRS)配合已有的“昴宿星”与“X频段陆地雷达”DRS,帕斯克公司将为日本的商业客户与相关机构客户提供更高质量、高分辨率的卫星数据产品。除日本帕斯克公司外,全球目前已有25个组织加入了ADS事业部的DRS网络,且数量仍在增加。


公司之间进行优势联合

ADS事业部与法国农作物研究机构阿尔瓦利斯(Arvalis)联合成立的Farmstar Expert公司,近12年来一直从事着将卫星成像与农业技术相结合,提供农作物生长信息,供法国1.5万农民进行精准的施肥与杀虫管理。三角洲无人机公司(Delta Drone)设计用于数据采集和处理的小型民用无人机。2014年,Farmstar Expert首次尝试将Delta Drone公司无人机数据与卫星成像数据进行匹配,共同服务农场管理与诊断。后续双方还将进行更多匹配试验,作为ADS事业部发展的重要方向。

ADS事业部与英国宇航系统公司(BAE Systems)结为战略联盟,将ADS事业部的合成孔径雷达数据源优势与BAE公司的地理空间情报(GEOINT)分析能力相结合,开发、推广并销售一种新型合成孔径雷达产品,具有全球先进指标,客户面向美国及全球政府与商业客户。该产品将独享“X频段陆地雷达”与“X频段串联”卫星的X频段合成孔径雷达系统数据,可在常年多云地区进行精度变化探测、海上监测、数字高程建模(如WorldDEM产品)、地面控制点提取、地形绘制等。

萨瑞卫星技术公司(SSTL)在2009年成为ADS事业部全资子公司,而萨瑞卫星技术公司所属的灾难监测星座国际成像公司(DMC II)拥有的2颗观测卫星,每日可获取1.0×107km2地面数据,分辨率可达22m。为打造更大的商业化地球观测卫星能力,2014年ADS事业部宣布开始应用DMC II公司的数据与服务,补充已有的3组先进地球观测卫星能力,即:斯波特-6和7、昴宿星-1和2、“X频段陆地雷达”与“X频段串联”。DMC公司位于英国,与ADS事业部合作也有利于将自身的农业、环境、森林观测能力拓展至英国以外的全球市场。


将资源嵌入先进商业平台

2014年,ADS事业部将“斯波特”、“昴宿星”及“X频段陆地雷达”与“X频段串联”3组先进光学与雷达卫星数据嵌入当前先进的商业软件平台,开拓了更广泛的商业市场。

ADS事业部开始为美国埃克斯利斯公司(Exelis)ENVI图像分析软件的用户提供ADS事业部卫星图像数据库的访问权,让更多的GIS用户使用。ENVI用户能够直接通过ENVI软件搜索光学或雷达地理情报图像。Exelis公司从事图像处理与发布、授时与导航、空中交通管理等宇航防务信息服务,拥有1.9万名员工。

ADS事业部与美国环境系统研究所公司(Esri)签署了协议,在Esri公司的在线服务平台ArcGIS中增加8.5×107m2的2.5m分辨率最新图像,覆盖164个国家,以及主要城市的0.5m分辨率高清图像,大大增强了Esri公司现有的地图数据库。同时,还可为Esri公司的ArcGIS Marketplace产品网上用户,通过APP提供定制式的成像与监视服务,用户可以选择感兴趣的区域,如:东欧、中东机场图像,指定特定的卫星,通过在线账号获取卫星图像。此次合作是ArcGIS产品中首次让用户直接使用ADS事业部光学卫星数据,扩大了该事业部卫星数据的发布渠道,突破以往向销售商提供数据的单一渠道。


直接输出技术

ADS事业部为美国“猎户座”飞船设计的服务舱(ESM)方案,经ESA批准通过,并取得了3.9亿欧元研制合同,方案包含了主推进系统、供电系统、生命保障系统等。ESM正式从纸面设计阶段转至硬件研制与试验阶段,2014年开展静态模型试验,2015年开展动态试验,模拟发射过程中的载荷与结构负重。未来ESM的研制将基于“自动转移飞行器”的5次成功飞行与经验,协助“猎户座”飞船搭载“航天发射系统”(SLS)火箭,完成无人或载人的登月、登小行星等深空探测任务。

ADS事业部与韩国武器装备制造商LIG Nex1公司(由LIG集团控股,LIG归属于韩国LG公司)签署卫星传感器研制合同,利用相控阵合成孔径雷达卫星技术优势向LIG Nex1公司提供雷达天线与电子设备,达到亚米级分辨率。韩国宇航研究院(KARI)将利用该传感器研制韩国新一代雷达卫星,即韩国多用途卫星-6(Kompsat-6)地球观测卫星,预计2019年发射入轨。此次技术输出突显了ADS事业部的雷达卫星技术优势,同时也促进了ADS事业部与LIG Nex1公司未来深入合作。


6  分析与启示


国家联合、技术联合、资本联合、市场联合的并行推进,成为军工集团军民产业发展的重要手段

2014年,空客集团ADS事业部最显著的特征是“多元化联合”,即与欧洲之外的国家联合,与外部公司的资本和技术联合,与不同商业组织拥有的市场进行联合。客观来看,军工集团的军用与民用产业都很难在系统或技术上自建完整产业链,甚至连关键技术都难以完全独自掌握。

ADS事业部不但与美国方面联合研制“猎户座”、“罗塞塔”深空探测器,与泰雷兹-阿莱尼亚空间意大利公司联合研制卫星有效载荷,与新加坡、阿联酋相关机构联合创新飞行器设计概念,甚至连主打产品“阿里安”火箭也与两家公司分别进行合资研制和发射,斯波特-7竟然由印度发射,且拥有权转交给了阿塞拜疆的公司,而以民用业务为主的市场联合更是涉及马来西亚、新加坡、日本、巴西等国家。这种联合一方面为自有技术找到了新的应用,一方面可以在特定区域创造可观的收益,同时还有利于实现全系统能力的最优化与快速实现。


改进与优化平台的同时,更要进行概念创新,甚至颠覆性升级与突破

空客集团加速对各类大型航天平台进行创新与升级,新型卫星平台“新星”(Neosat)凭借性能优势得到广泛投资,与波音公司竞争卫星电推进技术优势大幅降低火箭载荷,功能介于卫星与航空飞机之间的“微风”飞行器具有难以预测的多种军民两用功能,“地球观测卫星联合体”形成了世界最强的对地观测能力,而地球数字高程新产品WorldDEM将地球空间网格精确提高了7~8倍,等等。

基于航天前沿科技,2014年空客集团多种平台升级的力度与近几年相比要大很多。由全球竞争态势可知,要保持优势和发展动力,不能仅仅依赖技术改进与系统优化,满足于小幅度改进,还需要积极推动概念创新,甚至颠覆性突破。在这一过程中,概念论证与颠覆性技术的运用将成为实现目标的重要手段。


向全球宇航防务组织输送技术与产品,不断突破区域限制

以往空客集团宇航防务技术与产品市场主要集中在欧洲大陆,近年来空客集团逐渐认识到了地域局限性带来的经济收益不景气,一直在将技术与产品向全球的宇航防务工业或商业机构推送,几乎遍布各大洲主要国家。空客集团ADS事业部将“自动转移飞行器”技术移植到美国“猎户座”飞船中,向韩国卫星系统输出先进的卫星天线技术,向日本NEC公司通信卫星输出新一代数字处理器技术,向美国商业软件平台输出高精度卫星图像数据等。

ADS事业部以商业化思维,保持技术开放与应用推广,向全球输出技术并取得收益。这会形成对自身能力的一种检验,并带来激发技术提升的动力,因为在这种思维模式下,为了保证国际信誉与行业技术地位,ADS事业部将不得不高度关注研制的可靠性与技术的领先性。


系统集成与先进技术能力并行打造

空客集团ADS事业部是欧洲多个大型宇航防务系统的集成商,承担着ESA多项重要任务,然而在保持集成能力欧洲第一的同时,并没有放松前沿技术的开发与核心技术的打造。ADS事业部投资建设工厂发展先进的卫星电推进技术,拥有可绘制银河系3D模型的“盖亚”空间望远镜技术,研发卫星间超高速激光通信技术,输出卫星核心部件合成孔径雷达天线等,都体现出ADS事业部在关键单项技术方面的关注与投入。这也体现出ADS事业部作为大型系统集成商的基础是,具有一部分内部关键技术的同时集成一部分外部关键技术,这也将有利于保持集团的核心竞争力,对内对外都能够发挥积极的牵引作用。

 

(作者:张京男 王邵飞 蒋佳玲)
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