CN108279080B - 用于具有空气射流的抗结冰总气温探头的系统和方法 - Google Patents

Abstract

呈现用于具有空气射流的抗结冰总气温探头的系统和方法。在一个实施例中，探头包括：具有强制空气输入口的基座；以及从基座延伸的具有前缘和后缘的体，该体包括：第一内气流通路；定位在第一气流通路内的温度传感器；在体的远端处的有凹口的进气口，有凹口的进气口包括延伸到进气孔隙中的开放通道，和限定从第一面嵌入的凹入的第二面并且露出开放通道的切去区域。进气孔隙通向第一内气流通路中，有凹口的进气口在有凹口的进气口的尖端处包括空气喷射口；以及通过体并且与第一内气流通路隔离开的加热的气流通路，该加热的气流通路将强制空气输入口联接到空气喷射口。

Description

用于具有空气射流的抗结冰总气温探头的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种总气温数据探头。

背景技术

总气温（TAT）测量用于适当地控制航空器操作以及向航空器供电的发动机的各个方面。现今使用的TAT探头常见的一个问题是它们容易受到结冰的影响，结冰可能干扰TAT测量精确度。例如，典型的TAT探头包括允许冰粒进入探头并且积聚在探头内的前缘空气斗。这种冰积聚可堵住该装置。此外，在不堵塞的情况下预期此探头处理的冰晶的浓度增加，如反映到用文件记录在SAE航天标准中的结冰规定的最近改变。用于解决TAT探头上结冰的问题的一种方法是当冰晶聚集时加热探头以融化冰晶，使得可以排出所产生的水。然而，在一些情况下，冰晶的融化或部分融化可允许所产生的水在探头内进一步流动并且再结冰。此外，由于融化的冰而润湿探头表面实际上可以在探头上产生新的冰晶更有可能粘附而不是弹开的区域。此外，现今在探头上发现的复杂的表面特征导致难以加热或者需要过高的电功率来保持加热到期望的温度的结构。

由于上述原因并且由于对本领域技术人员在阅读和理解本说明书时将明显的下述其他原因，在本领域需要用于抗结冰总气温探头的系统和方法。

发明内容

本公开的实施例提供用于抗结冰总气温探头的方法和系统并且通过阅读和研究以下说明书加以理解。

呈现了用于具有空气射流的抗结冰总气温探头的系统和方法。在一个实施例中，总气温数据探头包括：探头基座，其具有强制空气输入口；和探头体，其具有前缘和后缘并且沿着第一轴线从探头基座延伸，探头体包括：包括与第一轴线对准的第一环的第一内气流通路；定位在第一气流通路内并且与第一轴线对准的温度传感器；定位在探头体的远端处的有凹口的进气口，有凹口的进气口包括从远端的第一面向内延伸到探头体的进气孔隙中的开放通道，和限定从第一面嵌入的凹入的第二面并且使开放通道至少部分地从前缘露出的切去区域，其中进气孔隙通向第一内气流通路中，有凹口的进气口在有凹口的进气口的尖端处包括一个或多个空气喷射口；以及通过探头体的加热的气流通路，该加热的气流通路与第一内气流通路隔离开并且将强制空气输入口联接到一个或多个空气喷射口。

附图说明

当鉴于优选实施例的描述和以下附图考虑时，本公开的实施例可以更容易理解，并且本公开的实施例的进一步的优点和用途更加明显，在附图中：

图1是示出本公开的一个实施例的总气温探头的图；

图1A是示出图1的探头的远端处的有凹口的进气口的图；

图2是提供露出图1的探头的内部特征的剖面截面图的图；

图2A是提供图1的探头的远端处的有凹口的进气口的剖面截面图的图；以及

图3是利用图1的探头的机载总气温数据探头除冰系统的方框示意图。

根据惯例，各种描述的特征没有按比例绘制但是被绘制成强调与本公开有关的特征。贯穿附图和文本，附图标记表示相同的元件。

具体实施方式

在以下详细描述中，参考附图，附图形成了详细描述的一部分并且在附图中通过可实施实施例的具体的例示性实施例示出。充分详细地描述了这些实施例以使本领域技术人员能够实施实施例，并且应当理解，可利用其他实施例，并且在不偏离本公开的范围的情况下可做出逻辑、机械和电气上的改变。因此，以下详细描述不认为具有限制性意义。

本公开的实施例引入改进的总气温（TAT）探头，该探头消除面向前的斗和通过探头的相关联的气流路径。代替地，本公开的实施例利用具有有凹口的尖端（有凹口的尖端包括通向气流通路的开口，该气流通路垂直于在飞行期间穿过探头，与有凹口的尖端中的一起起作用的加热的空气射流结合的气流的方向）的远端，以消除冰晶直接摄入探头中。应当理解，本公开使用术语“总气温”作为航空和流体动力学领域中的普通技术人员将理解的那个术语。也就是说，如果总气温相对于航空器静止，则总气温是空气流的测量值。总气温区别于静气温。更具体地，根据气流速度的平方，总气温不同于静气温。这种关系可通过伯努利方程表示。例如，与沿着航空器的侧面没有阻碍地流动的空气相比，由于与在飞行中的航空器的机首撞击而放慢的空气将具有更高的温度。当获得温度测量值时，通过考虑气流速度的差异，静气温转换为总气温在某种意义上使温度测量值标准化。

图1、图1A、图2和图2A是示出本公开的一个实施例的TAT探头100的图。图1示出探头100的外表面轮廓和特征，而图1A呈现出探头100的远端103处的有凹口的进气口110的放大图。图2示出露出探头100的内部特征的剖面截面图，而图2A呈现出探头100的远端103处的有凹口的进气口110的内部特征的放大图。应当理解，本文论述的探头100的各种特征和元件可出现在图1、图1A、图2和图2A中的一个或多个中。

TAT探头100包括基座构件101和沿着第一轴线106从基座构件101延伸的探头体102，以及位于探头100的基座101中的强制空气输入口111。在一些实施例中，本文论述的探头100的基座101和探头体102中的一个或两个，或者其他部件中的任一个可使用直接金属激光烧结（DMLS）制造。

基座构件101用于将TAT探头100附接到航空器机身或航空器的其他表面，并且因此可包括本领域技术人员所熟知的用于将TAT探头100安装到航空器的一个或多个安装或紧固特征件（诸如但不限于法兰、螺钉、螺栓、突片、扣钩、闩锁等）。在一个实施例中，第一轴线106垂直于基座构件101的平面对准。在一个实施例中，在TAT探头100安装到航空器的情况下，探头体102的远端103远离航空器表面（基座构件101安装到该航空器表面）突出，使得远端可延伸到当航空器在飞行中时产生的自由气流中。在一些实施例中，TAT探头100安装到航空器表面，该航空器表面使探头体102暴露于当在飞行中时在空气航空器周围经过的气流。可替代地，在其他实施例中，TAT探头100例如安装到航空器发动机进气装置或安装在该进气装置附近并且暴露于进入该进气装置并且穿过发动机的气流。如图1中所示，探头体102进一步包括限定当航空器在飞行中时面向气流的探头体102的表面的部分的前缘104和与前缘104相对的限定探头体102的相对的后侧的后缘105。在替代的实施例中，探头体102可以是圆柱形的、锥形的或者具有任意形状。

利用本公开的实施例，远端103包括具有一个或多个集成空气喷射口（在图1中分别示出为114-1、114-2和114-3，并且在本文被统称为空气喷射口114）的有凹口的进气口110。有凹口的进气口110包括开放通道122，该开放通道从远端103的面120向内延伸以将空气进给到自由空气流进气孔隙123（下面更详细论述）中。如图所示，有凹口的进气口110包括切去区域，该切去区域限定从第一面120嵌入的凹入的第二面124并且使开放通道122至少部分地暴露于前缘104。在该配置中，开放通道122平行于探头体102的轴线106并且垂直于自由流气流的方向延伸。

在一些实施例中，有凹口的进气口110可任选地进一步包括从凹入面124嵌入的槽128，该槽垂直于开放通道122横穿进气孔隙123的至少一部分。槽128可通过唇部126与前缘104分开。在一个实施例中，远端103的面120垂直于探头轴线106定向和/或是没有任何后缘的平坦表面。

有凹口的进气口110将与进气通道122碰撞的气流转换为在进气孔隙123直接前方的高压区域。对于包括槽特征件128的实施例，该特征件促进与进气通道122碰撞的气流转换为进气孔隙123直接前方的稳定的高压涡流。两者均用于引导空气进入进气孔隙123中并且进一步进入第一环134和第二环136中。未加热的空气通过稳定的涡流和/或高压区域引导进入环134中，而通过与探头体102接触而部分加热的空气被吸入环136中。这防止加热的空气在环134处进入，从而提高利用该探头100测量空气的适当的总温度的能力。当提供槽特征件128时，该槽特征件可垂直于飞行中的气流方向（即，垂直于与前缘104和后缘105相交的平面）定向。在一个实施例中，槽特征件128切割成凹入的第二面124以横穿进气孔隙123的区域的大约20%-50%。在一些实施例中，空气喷射口114中的至少一个包括使开放通道122暴露于从该空气喷射口114产生的加热的空气射流的至少部分的切口部125。

当具有探头100的航空器在飞行中时，前缘104定向到行进方向上，使得自由空气流在探头100周围流动。空气流的一部分引导到进气孔隙123中并且沿着探头100的体102内的多个内气流通路行进。在一个实施例中，第一气流通路引导进入进气孔隙123的空气通过第一环134、穿过温度传感器元件130，并且然后从一个或多个排气孔112引导出探头体102。在一个实施例中，如图2所示，第一环134可形成于传感器元件130与管状防热罩132之间。例如，如图2中所示，管状防热罩132在其第一端处通向进气孔隙123，并且温度传感器元件130在管状防热罩132的第二端处定位在该管状防热罩132中。通过进气孔隙123进入并且进入管状防热罩132的第一端中的空气因此在退出一个或多个排气孔112之前在温度传感器元件130上方流动。然而，应当理解，管状防热罩132是任选的，并且在一些实施例中，第一环134可代替地形成于传感器元件130与体102的内表面之间。

温度传感器元件130是输出根据该温度传感器元件所感测的气温而变化的电信号的装置。从探头100产生的电信号可被采样或以其他方式转换为表示总气温测量值的数据，该数据可提供到用于各种目的的各种机载航空电子设备。在一个实施例中，TAT探头100包括联接到温度传感器元件130的一组导线，该组导线通过基座构件102从温度传感器元件130延伸，使得温度传感器元件130可以连接到机载航空电子设备。

在一个实施例中，管状防热罩132可包括阻止由加热的探头体102辐射的热辐射到温度传感器元件或正由温度传感器元件130测量的环134中的气流的绝缘材料的护套。应当注意，虽然防热罩132被描述为“管状的”，但是该描述不应被解释为推断出该防热罩一定具有圆的或圆形的截面。防热罩132可实施为具有任何其他截面形状的护套，并且防热罩的尺寸可沿着其长度的不同部分变化。例如，在一个实施例中，管状防热罩132以及管状防热罩的内部限定的第一环134的形状可变化以遵循温度传感器元件130的轮廓。管状防热罩132可通过将管状防热罩132联接到探头体102的一个或多个压铆螺母柱（standoff）（例如，如图2A中的150处）固定或稳定在探头体102内，以防止管状防热罩132移动或发出声响（rattling），和/或防止移开的管状防热罩132阻塞第一或第二内气流通路。

在一些实施例中，第二内气流通路可并入探头体102内以用于冷却管状防热罩132的目的。也就是说，引导进入进气孔隙123中的空气流的另一部分进一步引导通过第二环136、穿过防热罩132的外表面，并且然后从一个或多个排气口113引导出探头体102。第二环136因此形成于管状防热罩132与探头体102的内壁之间并且由此限定空气穿过管状防热罩132的外部流动的通路。在此实施例中，自由流气流与有凹口的进气口110碰撞并且进入进气孔隙123。进入进气孔隙123中的空气流在第一环134和第二环136之间分离。在第二环中在防热罩132的外部周围流动的冷空气使防热罩132保持冷却。因此已经从防热罩吸收热的空气在排气口113处从探头体102排出。进入第一环134的空气引导穿过温度传感器元件130，使得可获得总气温测量值。在穿过温度传感器元件130之后，该空气流在排气口112处从探头排出。因此，探头体102内的温度传感器元件130保持冷却并且保持与自由流气流进入进气孔隙123中相同的温度。

排气口112和113可沿着探头体102的侧面定位，其中通过空气的速度引起排气口112和113处的空气压力小于前缘104处的空气压力并且小于进气孔隙123处的空气压力。更具体地，在飞行期间，在进气孔隙123处的有凹口的进气口110内发展出高静压滞止区。在一些实施例中，气流涡流形成在促进高静压滞止区的该位置处。相反地，当剩余的自由气流流在探头体102的外部周围流动时，在定位在探头体102的侧面上的排气口112和113处形成低静压区。进气孔隙123与排气口112、113之间的压力差导致使空气移动通过探头体102内的第一环134和第二环136的自然气流。在一些实施例中，自由气流流可以大约0.2至0.9马赫的速度流动。在其他实施例中，排气口可定位在其他地方，诸如但不限于探头体102的后缘105侧。

如上所述，本公开的实施例进一步利用来自集成到有凹口的进气口110的尖端中的一个或多个空气喷射口114的热空气射流。热空气射流用于扫除可试图聚集在尖端上的冰晶以进行额外的保护，但是此相同的加热并且加压的气流还用于加热探头体102的长度。

为了生成加热的空气射流，单独的强制气流供应到位于探头100的基座101中的强制空气输入口111中。此配置在图3中通过300处的方框示意图示出，其中TAT探头100的强制空气输入口111联接到至少一个机载强制空气供应装置310，诸如但不限于空气压缩机。例如，在一些实施例中，来自喷射航空器发动机压缩机的排出空气可以是可用的并且联接到强制空气输入口111以提供加压加热空气供应以加热探头体102并且从空气喷射口114产生加热的空气射流。取决于发动机设计，可预期此发动机压缩机将大约在500至1000华氏度范围内的温度的一定量的加压加热空气递送到强制空气输入口111。可替代地，强制空气供应装置310可包括提供未加热的加压空气供应的装置，该未加热的加压空气供应然后在递送到强制空气输入口111之前运行经过加热元件或通过热交换器。在另一实施例中，未加热的加压空气供应310可递送强制空气输入口111，而探头100的基座101或探头体102内的任选的加热元件320用于加热该强制的空气供应。例如，图3示出在探头100内的加热元件320，该加热元件可位于基座101或探头体102内。加热元件320可包括消散由电流的流动生成的热的不安定（restive）的加热元件，包括导线、电缆、或膜。在此实施例中，TAT探头100可以包括联接到加热元件320的一组导线325，该组导线通过基座构件101从加热元件310延伸，使得加热元件310可以连接到机载电源和控制电路330。

不管如何产生加热的高压空气，加热的高压空气路由通过另一内气流通路以加热包括有凹口的进气口110的探头体102的热质量。加热的高压空气从探头体102的底部流动并且在从空气喷射口114退出之前在探头体102内的单独的空气通路210行进。该单独的空气通路在本文被称为加热的气流通路210。

图2和图2A的截面图示出一个这样的加热的气流通路210的示例实施例。在该实施例中，加热的气流通路210从强制空气输入口111朝向前缘104引导高压空气（在210-1处示出）并且引导到有凹口的进气口110（在210-2处示出）。在一些实施例中，空气可沿着探头体102的前缘104侧向上并且朝向有凹口的进气口110行进（在210-2处示出）。利用该路径，加热的气流通路210因此将热直接供应到探头体102的与自由气流中的过冷的水滴或冰晶撞击的区域。加热的气流通路210然后指引加热的高压空气围绕进气孔隙123的圆周朝向探头体102的后缘104侧（在210-3处示出），并且然后通过有凹口的进气口110的尖端处的空气喷射口114指引出。

在本公开的各种实施例中，有凹口的进气口110可包括仅一个空气喷射口114或可替代地多个空气喷射口114。返回参考图1和图1A中所示的实施例，该实施例中的有凹口的进气口110包括两个侧向空气喷射口（在114-1和114-3处示出）和中央空气喷射口（在114-2处示出）。侧向空气喷射口114-1、114-3位于有凹口的进气口110的尖端的任一侧上并且主要用于加热有凹口的进气口110的尖端并且提供用于加热的气流通路210的口以从探头体102排出。作为次要功能，来自侧向空气喷射口114-1、114-3的这些加压加热空气射流也将用于融化和/或吹走积聚在有凹口的进气口110上的冰。

中央空气喷射口114-2包括将中央空气喷射口114-2与有凹口的进气口110的开放通道122连接的切去区域125。在此实施例中，进入有凹口的进气口110的开放通道122区域中的冰晶由通过中央空气喷射口114-2切去区域125射出的高压空气射流从探头101吹走，从而阻止可阻塞进气口123的冰积聚形成。应注意，从中央空气喷射口114-2切去区域125产生的空气射流是相对于进入进气口123中的自由空气流的反向引导的射流。也就是说，从中央空气喷射口114-2切去区域125产生的空气射流引导远离进气口123，使得来自空气射流114的加热的空气没有引入进气口123中，从而避免温度传感器130的偏置。还应当注意，切去区域125是任选的特征并且在所有实施例中，中央空气喷射口114-2不需要包括切去区域125。由此，利用本文呈现的实施例，可阻止或者减轻冰积聚，而冰不需要行进通过探头体102的内环134或136，以从探头清除冰。

示例实施例

示例1包括总气温数据探头，该探头包括：探头基座，其具有强制空气输入口；和探头体，其具有前缘和后缘并且沿着第一轴线从探头基座延伸，该探头体包括：第一内气流通路，其包括与第一轴线对准的第一环；温度传感器，其定位在第一气流通路内并且与第一轴线对准；有凹口的进气口，其定位在探头体的远端处，有凹口的进气口包括从远端的第一面向内延伸到探头体的进气孔隙中的开放通道，和限定从第一面嵌入的凹入的第二面并且使开放通道至少部分地从前缘露出的切去区域，其中进气孔隙通向第一内气流通路中，有凹口的进气口在有凹口的进气口的尖端处包括一个或多个空气喷射口；以及通过探头体的加热的气流通路，该加热的气流通路与第一内气流通路隔离开并且将强制空气输入口联接到一个或多个空气喷射口。

示例2包括示例1的探头，其中加热的气流通路的路径从强制空气输入口朝向探头体的前缘引导加压空气，并且然后引导到有凹口的进气口，围绕进气孔隙的圆周并且朝向探头体的后缘引导，并且然后通过有凹口的进气口的尖端处的一个或多个空气喷射口引导出。

示例3包括示例1至2中的任一个的探头，探头体进一步包括：

限定第一内气流通路的至少部分的外壁的管状防热罩，其中温度传感器定位在管状防热罩内。

示例4包括示例3的探头，探头体进一步包括：第二内气流通路，其包括与第一轴线对准的第二环；并且其中第二环由管状防热罩与探头体的内壁之间的空间限定，并且管状防热罩将第一环与第二环分开。

示例5包括示例4的探头，其中进气孔隙通向第一环和第二环两者。

示例6包括示例4至5中的任一个的探头，其中第一内气流通路和第二内气流通路是同心的管状气流通路。

示例7包括示例1至6中的任一个的探头，探头体进一步包括：至少一个加热元件，其定位在探头内并且配置成加热流过加热的气流通路的空气。

示例8包括示例1至7中的任一个的探头，其中有凹口的进气口进一步包括从凹入的第二面嵌入的槽，该槽垂直于开放通道横穿进气孔隙的至少一部分。

示例9包括示例1至8中的任一个的探头，其中一个或多个空气喷射口的至少第一空气喷射口包括将第一空气喷射口与有凹口的进气口的开放通道连接的切去区域。

示例10包括示例1至9中的任一个的探头，该探头进一步包括沿着探头体的侧面定位的多个排气口，其中第一内气流通路和第二内气流通路联接到多个排气口。

示例11包括示例1至10中的任一个的探头，其中开放通道平行于探头体的轴线延伸。

示例12包括机载总气温数据探头除冰系统，该系统包括：机载加压空气源；总气温探头，该总气温探头包括：具有联接到机载加压空气源的强制空气输入口的探头基座；和具有前缘和后缘并且沿着第一轴线从探头基座延伸的探头体，该探头体包括：第一内气流通路，其包括与第一轴线对准的第一环；温度传感器，其定位在第一气流通路内并且与第一轴线对准；有凹口的进气口，其定位在探头体的远端处，有凹口的进气口包括从远端的第一面向内延伸到探头体的进气孔隙中的开放通道，和限定从第一面嵌入的凹入的第二面并且使开放通道至少部分地从前缘露出的切去区域，其中进气孔隙通向第一内气流通路中，有凹口的进气口在有凹口的进气口110的尖端处包括一个或多个空气喷射口114；以及通过探头体的加热的气流通路，加热的气流通路与第一内气流通路隔离开并且将强制空气输入口联接到一个或多个空气喷射口。

示例13包括示例12的系统，其中探头基座安装到航空器机身的外表面。

示例14包括示例12至13中的任一个的系统，机载加压空气源包括来自喷射航空器发动机压缩机的排出空气源。

示例15包括示例12至14中的任一个的系统，该系统进一步包括至少一个加热元件，其定位在机载加压空气源与强制空气输入口之间并且配置成加热供应到强制空气输入口的空气。

示例16包括示例12至15中的任一个的系统，该系统进一步包括至少一个加热元件，其定位在总气温探头内并且配置成加热穿过加热的气流通路的空气。

示例17包括示例12至16中的任一个的系统，其中加热的气流通路的路径从强制空气输入口朝向探头体的前缘引导加压空气，并且引导到有凹口的进气口，围绕进气孔隙的圆周并且朝向探头体的后缘引导，并且然后通过有凹口的进气口的尖端处的一个或多个空气喷射口引导出。

示例18包括示例12至17中的任一个的系统，探头体进一步包括：限定第一内气流通路的至少部分的外壁的管状防热罩，其中温度传感器定位在管状防热罩内。

示例19包括示例18的系统，探头体进一步包括：第二内气流通路，其包括与第一轴线对准的第二环；并且其中第二环由管状防热罩与探头体的内壁之间的空间限定，并且管状防热罩将第一环与第二环分开；并且其中进气孔隙通向第一环和第二环两者。

示例20包括示例12至19中的任一个的系统，其中一个或多个空气喷射口的至少第一空气喷射口包括将第一空气喷射口与有凹口的进气口的开放通道连接的切去区域。

虽然已经在本文示出并且描述具体实施例，但是本领域普通技术人员应当理解，被计算成实现相同目的的任何布置可替代所示出的具体实施例。本申请旨在涵盖所呈现的实施例的任何改变或变化。因此，其显然地旨在实施例仅受权利要求及其等同方案的限制。

Claims (3)

1.一种总气温数据探头，所述探头（100）包括：

探头基座（101），其具有强制空气输入口（111）；以及

探头体（102），其具有前缘（104）和后缘（105）并且沿着第一轴线（106）从所述探头基座（101）延伸，所述探头体（102）包括：

第一内气流通路（134），其包括与所述第一轴线（106）对准的第一环；

温度传感器（130），其定位在所述第一内气流通路（134）内并且与所述第一轴线（106）对准；

有凹口的进气口（110），其定位在所述探头体（102）的远端处，所述有凹口的进气口（110）包括从所述远端的第一面向内延伸到所述探头体（102）的进气孔隙（123）中的开放通道（122），和限定从所述第一面嵌入的凹入的第二面并且使所述开放通道（122）至少部分地从所述前缘（104）露出的切去区域，其中所述进气孔隙（123）通向所述第一内气流通路（134）中，所述有凹口的进气口（110）在所述有凹口的进气口（110）的尖端处包括一个或多个空气喷射口（114）；以及

通过所述探头体（102）的加热的气流通路（210），所述加热的气流通路（210）与所述第一内气流通路（134）隔离开并且将所述强制空气输入口（111）联接到所述一个或多个空气喷射口（114）。

2.如权利要求1所述的探头（100），所述探头体（102）进一步包括：

管状防热罩（132），其限定所述第一内气流通路（134）的至少部分的外壁，其中所述温度传感器（130）定位在所述管状防热罩（132）内；

所述探头体（102）进一步包括：

第二内气流通路（136），其包括与所述第一轴线（106）对准的第二环；并且

其中所述第二环由所述管状防热罩（132）与所述探头体（102）的内壁之间的空间限定，并且所述管状防热罩（132）将所述第一环与所述第二环分开；

其中所述进气孔隙（123）通向所述第一环和所述第二环两者。

3.如权利要求1所述的探头（100），其中所述一个或多个空气喷射口（114）中的至少第一空气喷射口包括将所述第一空气喷射口与所述有凹口的进气口（110）的所述开放通道（122）连接的切去区域（125）。

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