CN110778416B - 基于共用燃烧室的脉冲式姿控推力器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于共用燃烧室的脉冲式姿控推力器，其中，燃烧室内设置有内孔，燃烧室的室壁沿径向开设有U型槽，燃烧室安装于壳体内部，燃烧室的后端通过传动机构与伺服电机相连接，并在伺服电机的驱动下绕轴进行间歇性旋转运动；药柱仓包括仓体、第一弹性元件和推块，药柱仓设置于壳体上方，仓体内储存有预设数量的药柱部件，药柱部件在第一弹性元件的弹力作用下由推块推向内孔；电点火机构设置于壳体外壁，电点火机构的电极延伸至壳体内部，并可与药柱部件的簧片电极相接触；喷管固定于安装在壳体的前轴承端盖上。通过本发明的技术方案，结构紧凑、质量轻、比冲高，降低了姿控动力系统点火及姿态控制策略的难度，提高了工作灵活性。

Description

基于共用燃烧室的脉冲式姿控推力器

技术领域

本发明涉及姿控动力系统技术领域，尤其涉及一种基于共用燃烧室的脉冲式姿控推力器。

背景技术

目前，全固体化、长期贮存、安全可靠、免维护是现代先进武器系统的主要发展方向，其中，固体姿控动力系统成为全固体化进程中最为关键的技术难点。脉冲式固体姿控动力系统属于固体姿控动力系统的一种，因其原理简单、可靠性高，广泛应用于武器系统的姿态控制，其工作原理为：根据姿态控制需求，依次点燃脉冲式姿控推力器内的药柱部件，在燃烧室内产生高温、高压燃气，经喷管膨胀做功后输出连续的脉冲推力，以达到对武器系统姿态修正的目的。

现有的脉冲式固体姿控动力系统一般沿武器系统的圆周及轴向阵列排布大量具有独立装填结构的脉冲式推力器，其数量依据姿控系统的冲量需求设定，在接收到点火指令后，固定位置的脉冲式推力器作用并产生脉冲推力。但是，各独立装填的脉冲式推力器需要独立的热防护结构、承压结构及点火系统，数量多、质量重，降低了姿控动力系统的比冲；各脉冲式推力器安装于武器系统外圆周的不同位置，其工作输出推力相对于武器系统的质心不固定，增加了点火及姿态控制策略的难度；数量庞大脉冲式推力器的安装位置占用空间大并且数量有限，输出脉冲推力的能力有限，在复杂姿态控制环境下无法动态变化，灵活性较差。

发明内容

针对上述问题中的至少之一，本发明提供了一种基于共用燃烧室的脉冲式姿控推力器，通过将所有药柱部件共用一套燃烧室和电点火机构，并将点火药盒与点火线路集成于药柱部件中，结构紧凑、质量轻、比冲高，且脉冲推力通过一个固定喷管输出，降低了系统点火及姿态控制策略的难度，药柱仓结构或药柱部件的预设数量也可动态调整，提高了工作灵活性。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于共用燃烧室的脉冲式姿控推力器，包括：燃烧室、药柱组件、壳体、电点火机构、伺服电机、传动机构和喷管；所述燃烧室内设置有内孔，所述燃烧室的室壁沿径向开设有U型槽，所述燃烧室通过多个滚动轴承安装于所述壳体内部，所述燃烧室的后端通过所述传动机构与所述伺服电机相连接，并在所述伺服电机的驱动下绕轴进行间歇性旋转运动；所述药柱组件包括药柱仓和药柱部件，所述药柱仓包括仓体、第一弹性元件和推块，所述药柱仓设置于所述壳体上方，所述仓体内储存有预设数量的所述药柱部件，所述药柱部件的形状与所述内孔相适配，所述药柱部件在所述第一弹性元件的弹力作用下由所述推块推向所述内孔；所述电点火机构设置于所述壳体外壁，所述电点火机构的电极延伸至所述壳体内部，并可与所述药柱部件的簧片电极相接触；所述喷管设置于所述燃烧室的前端，所述喷管固定于安装在所述壳体的前轴承端盖上。

在上述技术方案中，优选地，所述电点火机构包括电极、绝缘套、安装座、第二弹性元件、第一压螺和导线，所述壳体上设置有电极孔，所述电点火机构与所述药柱仓的对称面呈120°夹角，所述电点火机构与所述壳体之间设置有所述绝缘套，所述导线的一端焊接于所述电极上，另一端与外设电源相连接，并由所述第一压螺固定于所述安装座上，所述电极贯穿设置于所述安装座上并可沿自身轴线向外移动，穿过所述电极孔延伸至所述壳体内部，并在所述第二弹性元件的弹力作用下复位，使得所述电极与所述药柱部件的簧片电极保持对应接触。

在上述技术方案中，优选地，基于共用燃烧室的脉冲式姿控推力器还包括清扫机构，所述清扫机构包括推杆、滚动销、曲折槽、筒体和第三弹性元件，所述筒体内壁设置有所述曲折槽，所述推杆位于所述筒体内的后端上固定有所述滚动销，所述推杆与所述筒体之间安装有用于复位的第三弹性元件，所述清扫机构设置于所述燃烧室的后端，所述推杆延伸至所述燃烧室的内孔中并随所述燃烧室进行间歇性旋转运动，带动所述推杆上的所述滚动销沿所述曲折槽往复滑动，使得所述推杆沿所述燃烧室的轴线进行周期性前后往复运动，用于将未作用的药柱部件或燃烧后产物推出所述喷管，在非工作状态下，所述推杆前端的推杆头与所述内孔的后端面紧密贴合，所述推杆在所述第三弹性元件的弹力作用下加快复位速度。

在上述技术方案中，优选地，所述壳体的壳壁上设置有矩形槽，所述药柱仓的出口与所述矩形槽的位置相对应，所述燃烧室进行间歇性旋转运动的暂停状态时所述U型槽与所述矩形槽的位置相对应，所述U型槽的尺寸略大于所述矩形槽的尺寸，使得所述药柱部件能够通过所述矩形槽顺利进入所述燃烧室，所述壳体的出口设置有挡环，所述挡环在所述药柱部件装填、点火时限制其轴向移动，在所述清扫机构工作时取消限位。

在上述技术方案中，优选地，所述燃烧室采用高温合金制成，所述内孔为鼓形结构，所述内孔表面喷涂有绝热涂层，所述药柱部件采用高燃速推进剂预制成型，所述药柱部件的外型面为与所述内孔相适配的鼓形结构，所述药柱部件的外表面设置有绝热层或绝热涂料。

在上述技术方案中，优选地，基于共用燃烧室的脉冲式姿控推力器还包括背板，所述清扫机构与所述伺服电机安装于所述背板上，并与所述壳体相固定，所述背板后端安装有保护罩以保护所述伺服电机和所述清扫机构。

在上述技术方案中，优选地，所述传动机构包括槽轮和拨盘，所述槽轮与所述拨盘组成间歇机构，所述槽轮与燃烧室、所述拨盘与所述伺服电机分别通过键槽结构相连接，所述传动机构将所述伺服电机的连续旋转运动转化为所述燃烧室的间歇性旋转运动，运动时序与所述药柱部件装填、所述电点火机构点火和所述清扫机构清扫的时刻相匹配。

在上述技术方案中，优选地，所述喷管为无喉喷管，所述喷管固定于安装在所述壳体的前轴承端盖上，与所述燃烧室的内孔相对应，所述药柱部件产生的高温燃气通过所述盲孔流动输出至所述喷管，并在所述清扫机构的推杆的推动下将未作用的药柱部件或燃烧后产物推出所述喷管。

在上述技术方案中，优选地，所述药柱部件包括药柱、正簧片电极、负簧片电极、点火药盒和薄膜堵盖，所述药柱部件沿轴向设置有多个带扩张段的盲孔，所述药柱部件的端面粘有所述薄膜堵盖，使得高温燃气在所述盲孔内流动，并在出口膨胀以匹配所述喷管输出推力。

在上述技术方案中，优选地，所述槽轮设置有6个内凹锁止圆弧与滑动槽，所述拨盘设置有2个拨销，所述槽轮每转动60°间歇停止一次，且在非工作状态时所述槽轮被所述内凹锁止圆弧锁定位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)所有药柱部件共用一个燃烧室和电点火机构，将点火药盒及点火线路集成在药柱部件中，省去了数量庞大的热防护结构、承压结构和点火系统，整体结构紧凑、质量轻，系统比冲得以提高；

(2)脉冲推力均从一个固定喷管输出，推力线相对于武器系统质心固定，将其安装在各象限的相应位置即可实现俯仰、偏航、滚转等姿态控制，降低了系统点火及姿态控制策略的难度；

(3)脉冲推力输出频率可通过伺服电机的转速变化无极调整，药柱仓结构或药柱部件的预设数量也可依据具体的姿控任务动态调整，提高了脉冲式推力器的工作灵活性。

附图说明

图1为本发明一种实施例公开的基于共用燃烧室的脉冲式姿控推力器的整体结构组成示意图；

图2为本发明一种实施例公开的基于共用燃烧室的脉冲式姿控推力器的整体结构连接示意图；

图3为本发明一种实施例公开的燃烧室、传动机构与伺服电机的连接示意图；

图4为本发明一种实施例公开的药柱部件的结构示意图；

图5为本发明一种实施例公开的电点火机构的结构示意图；

图6为本发明一种实施例公开的清扫机构的结构示意图；

图7a为图1所示实施例公开的A-A截面在0°的结构示意图；

图7b为图1所示实施例公开的A-A截面在120°的结构示意图；

图7c为图1所示实施例公开的A-A截面在180°的结构示意图；

图7d为图1所示实施例公开的A-A截面在360°的结构示意图。

图中，各组件与附图标记之间的对应关系为：

1.燃烧室，101.内孔，102.U型槽，2.药柱部件，21.药柱，211.盲孔，22.正簧片电极，23.负簧片电极，24.点火药盒，25.薄膜堵盖，3.药柱仓，31.仓体，32.第一弹性元件，33.推块，4a.壳体，4a1.电极孔，4a2.矩形槽，4a3.挡环，4b.前轴承端盖，4c.后轴承端盖，4d.滚动轴承，5.电点火机构，51.电极，52.绝缘套，53.安装座，54.第二弹性元件，55.第一压螺，56.导线，6.清扫机构，61.推杆，611.推杆头，62.滚动销，63.曲折槽，64.筒体，65.第三弹性元件，7a.伺服电机，7b.传动机构，7b1.槽轮，7b11.内凹锁止圆弧，7b12.滑动槽，7b2.拨盘，7b21.拨销，7c.第二压螺，8.喷管，9a.背板，9b.保护罩，Y1.燃烧室旋转轴，Y2.伺服电机旋转轴。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

如图1和图2所示，根据本发明提供的一种基于共用燃烧室的脉冲式姿控推力器，包括：燃烧室1、药柱组件、壳体4a、电点火机构5、伺服电机7a、传动机构7b和喷管8；燃烧室1内设置有内孔101，燃烧室1中段的圆柱面室壁沿径向开设有U型槽102，燃烧室1通过多个滚动轴承安装于壳体4a内部，燃烧室1的后端通过传动机构7b与伺服电机7a相连接，并在伺服电机7a的驱动下绕轴Y1进行间歇性旋转运动；药柱组件包括药柱仓3和药柱部件2，药柱仓3包括仓体31、第一弹性元件32和推块33，药柱仓3设置于壳体4a上方，仓体31内储存有预设数量的药柱部件2，药柱部件2的形状与内孔101相适配，药柱部件2在顶部的第一弹性元件32的弹力作用下通过推块33推向燃烧室1的内孔101中；电点火机构5设置于壳体4a外壁，电点火机构5的电极51延伸至壳体4a内部，并可与药柱部件2的簧片电极相接触；喷管8设置于燃烧室1的前端，喷管8固定于安装在壳体4a的前轴承端盖4b上。

在该实施例中，燃烧室1外型面为阶梯圆柱形，通过前、后两端圆柱面安装的2个滚动轴承4d与壳体4a内壁相连，并由前轴承端盖4b与后轴承端盖4c紧固，通过伺服电机7a及传动机构7b驱动，燃烧室1可绕自身轴线Y1做间歇性旋转运动；

在上述实施例中，优选地，电点火机构5包括电极51、绝缘套52、安装座53、第二弹性元件54、第一压螺55和导线56，壳体4a上设置有电极孔4a1，电点火机构5与药柱仓3的对称面呈120°夹角，电点火机构5的电极51与壳体4a的电极孔4a1之间设置有绝缘套52，安装座53、第一压螺55均为绝缘材料，导线56的一端焊接于电极51上，另一端与外设电源相连接，正、负电极贯穿设置于安装座53上并可沿自身轴线向外移动，穿过壳体4a上的电极孔4a1延伸至壳体4a内部，用于向药柱部件2传递点火信号，并在第二弹性元件54的弹力作用下复位，使得电极51与药柱部件2的簧片电极在点火工况下始终接触，提高点火可靠性。

在上述实施例中，优选地，基于共用燃烧室的脉冲式姿控推力器还包括清扫机构6，清扫机构6包括推杆61、滚动销62、曲折槽63、筒体64和第三弹性元件65，筒体64内壁设置有曲折槽63，推杆61位于筒体64内的后端上固定有滚动销62，推杆61与筒体64之间安装有用于复位的第三弹性元件65，清扫机构6设置于燃烧室1的后端，清扫机构6的推杆头611外型面与燃烧室1的内孔101尺寸相匹配，推杆61延伸至燃烧室1的内孔101中并随燃烧室1进行间歇性旋转运动，带动推杆61上的滚动销62沿曲折槽63往复滑动，使得推杆61沿燃烧室1的轴线进行周期性前后往复运动，用于将未作用的药柱部件2或燃烧后产物推出喷管8，以便下一个药柱部件2进行装填，在非工作状态下，推杆61前端的推杆头611与内孔101的后端面紧密贴合，在点火时起到密封作用，推杆61在第三弹性元件65的弹力作用下加快复位速度，提高清扫机构6的响应速度。

在上述实施例中，优选地，壳体4a的壳壁上设置有矩形槽4a2，药柱仓3安装在壳体4a的矩形槽4a2的正上方，药柱仓3的出口与矩形槽4a2的位置相对应，燃烧室1进行间歇性旋转运动的暂停状态时U型槽102与矩形槽4a2的位置相对应，U型槽102的尺寸略大于矩形槽4a2的尺寸，使得药柱部件2能够通过矩形槽4a2顺利进入燃烧室1，壳体4a的出口设置有挡环4a3，挡环4a3在药柱部件2装填、点火时限制其轴向移动，在清扫机构6工作时取消限位。

在上述实施例中，优选地，燃烧室1采用高温合金制成，内孔101为鼓形结构，内孔101表面喷涂有绝热涂层，用于阻隔燃气热量向外传递，药柱部件2采用高燃速推进剂预制成型，药柱部件2的外型面为与内孔101相适配的鼓形结构，其截面尺寸略小于燃烧室1的内孔101尺寸，药柱部件2的外表面设置有绝热层或绝热涂料，避免受热自燃。优选地，药柱部件2包括药柱21、正簧片电极22、负簧片电极23、点火药盒24和薄膜堵盖25，药柱部件2沿轴向设置有多个带扩张段的盲孔211，药柱部件2的端面粘有薄膜堵盖25，使得高温燃气在盲孔211内流动，并在出口膨胀至音速，以匹配喷管8输出推力。

在上述实施例中，优选地，基于共用燃烧室的脉冲式姿控推力器还包括背板9a，清扫机构6与伺服电机7a安装于背板9a上，并与壳体4a通过紧固件相固定，背板9a后端安装有保护罩9b以保护伺服电机7a和清扫机构6，伺服电机7a的电缆从保护罩9b的后端通孔穿出，与外设的控制器及电源连接。

在上述实施例中，优选地，传动机构7b包括槽轮7b1和拨盘7b2，槽轮7b1与拨盘7b2组成间歇机构，由伺服电机7a驱动。槽轮7b1与燃烧室1通过键槽结构相连接，并由第二压螺7c紧固，伺服电机7a与拨盘7b2通过键槽结构连接，并由螺钉紧固。传动机构7b将伺服电机7a的连续旋转运动转化为燃烧室1的间歇性旋转运动，运动时序与药柱部件2装填、电点火机构5点火和清扫机构6清扫的时刻相匹配。

在上述实施例中，优选地，喷管8为无喉喷管，喷管8固定于安装在壳体4a的前轴承端盖4b上，与燃烧室1的内孔101相对应，药柱部件2产生的高温燃气通过盲孔211流动输出至喷管8，并在清扫机构6的推杆61的推动下将未作用的药柱部件2或燃烧后产物推出喷管8。

在上述实施例中，优选地，从喷管8出口方向看，伺服电机7a与拨盘7b2沿轴Y2逆时针方向转动，槽轮7b1与燃烧室1沿轴Y1顺时针方向转动。槽轮7b1设置有6个内凹锁止圆弧7b11与滑动槽7b12，拨盘7b2设置有2个拨销7b21，即传动机构7b的传动比为1:3，且槽轮7b1每转动60°间歇停止一次，通过伺服电机7a的位置锁定功能，在非工作状态，槽轮7b1被内凹锁止圆弧7b11锁定，防止发生误动作。

如图7a-7d所示，以燃烧室1转动360°作为一个工作周期，在初始时刻，槽轮7b1处于间歇停止状态，药柱部件2从药柱仓3被装填进入燃烧室1的U型槽102内，与燃烧室1构成一个近似完整的圆柱形；当燃烧室1开始转动时，其外圆面将相邻药柱部件2分离；燃烧室1转动至120°时，槽轮7b1处于间歇停止状态，此时燃烧室1与壳体4a形成封闭区域，电点火机构5的电极51与药柱部件2的正簧片电极22、负簧片电极23对正并接触，通过外设电源输出点火信号，依次点燃点火药盒24与药柱21；燃烧室1转动至180°时，药柱21完成燃烧，清扫机构6开始工作，推杆61将未作用的药柱部件2或燃烧后产物推出喷管8；燃烧室1转动至360°时，推杆61完成回退，燃烧室1重新装填药柱部件2，并处于初始状态。壳体4a出口处设有挡环4a3，仅在药柱部件2装填、点火时起到限制药柱部件2轴向移动的作用，在清扫机构6工作时取消限位，使未作用的药柱部件2或燃烧后产物被推出喷管8。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于共用燃烧室的脉冲式姿控推力器，其特征在于，包括：燃烧室、药柱组件、壳体、电点火机构、伺服电机、传动机构和喷管；

所述燃烧室内设置有内孔，所述燃烧室的室壁沿径向开设有U型槽，所述燃烧室通过多个滚动轴承安装于所述壳体内部，所述燃烧室的后端通过所述传动机构与所述伺服电机相连接，并在所述伺服电机的驱动下绕轴进行间歇性旋转运动；

所述药柱组件包括药柱仓和药柱部件，所述药柱仓包括仓体、第一弹性元件和推块，所述药柱仓设置于所述壳体上方，所述仓体内储存有预设数量的所述药柱部件，所述药柱部件的形状与所述内孔相适配，所述药柱部件在所述第一弹性元件的弹力作用下由所述推块推向所述内孔；

所述电点火机构设置于所述壳体外壁，所述电点火机构的电极延伸至所述壳体内部，并可与所述药柱部件的簧片电极相接触；

所述喷管设置于所述燃烧室的前端，所述喷管固定于安装在所述壳体的前轴承端盖上。

2.根据权利要求1所述的基于共用燃烧室的脉冲式姿控推力器，其特征在于，所述电点火机构包括电极、绝缘套、安装座、第二弹性元件、第一压螺和导线，所述壳体上设置有电极孔，所述电点火机构与所述药柱仓的对称面呈120°夹角，所述电点火机构与所述壳体之间设置有所述绝缘套，所述导线的一端焊接于所述电极上，另一端与外设电源相连接，并由所述第一压螺固定于所述安装座上，所述电极贯穿设置于所述安装座上并可沿自身轴线向外移动，穿过所述电极孔延伸至所述壳体内部，并在所述第二弹性元件的弹力作用下复位，使得所述电极与所述药柱部件的簧片电极保持对应接触。

3.根据权利要求1所述的基于共用燃烧室的脉冲式姿控推力器，其特征在于，还包括清扫机构，所述清扫机构包括推杆、滚动销、曲折槽、筒体和第三弹性元件，所述筒体内壁设置有所述曲折槽，所述推杆位于所述筒体内的后端上固定有所述滚动销，所述推杆与所述筒体之间安装有用于复位的第三弹性元件，

所述清扫机构设置于所述燃烧室的后端，所述推杆延伸至所述燃烧室的内孔中并随所述燃烧室进行间歇性旋转运动，带动所述推杆上的所述滚动销沿所述曲折槽往复滑动，使得所述推杆沿所述燃烧室的轴线进行周期性前后往复运动，用于将未作用的药柱部件或燃烧后产物推出所述喷管，

在非工作状态下，所述推杆前端的推杆头与所述内孔的后端面紧密贴合，所述推杆在所述第三弹性元件的弹力作用下加快复位速度。

4.根据权利要求3所述的基于共用燃烧室的脉冲式姿控推力器，其特征在于，所述壳体的壳壁上设置有矩形槽，所述药柱仓的出口与所述矩形槽的位置相对应，所述燃烧室进行间歇性旋转运动的暂停状态时所述U型槽与所述矩形槽的位置相对应，所述U型槽的尺寸略大于所述矩形槽的尺寸，使得所述药柱部件能够通过所述矩形槽顺利进入所述燃烧室，所述壳体的出口设置有挡环，所述挡环在所述药柱部件装填、点火时限制其轴向移动，在所述清扫机构工作时取消限位。

5.根据权利要求1所述的基于共用燃烧室的脉冲式姿控推力器，其特征在于，所述燃烧室采用高温合金制成，所述内孔为鼓形结构，所述内孔表面喷涂有绝热涂层，所述药柱部件采用高燃速推进剂预制成型，所述药柱部件的外型面为与所述内孔相适配的鼓形结构，所述药柱部件的外表面设置有绝热层或绝热涂料。

6.根据权利要求3所述的基于共用燃烧室的脉冲式姿控推力器，其特征在于，还包括背板，所述清扫机构与所述伺服电机安装于所述背板上，并与所述壳体相固定，所述背板后端安装有保护罩以保护所述伺服电机和所述清扫机构。

7.根据权利要求3所述的基于共用燃烧室的脉冲式姿控推力器，其特征在于，所述传动机构包括槽轮和拨盘，所述槽轮与所述拨盘组成间歇机构，所述槽轮与燃烧室、所述拨盘与所述伺服电机分别通过键槽结构相连接，所述传动机构将所述伺服电机的连续旋转运动转化为所述燃烧室的间歇性旋转运动，运动时序与所述药柱部件装填、所述电点火机构点火和所述清扫机构清扫的时刻相匹配。

8.根据权利要求3所述的基于共用燃烧室的脉冲式姿控推力器，其特征在于，所述药柱部件包括药柱、正簧片电极、负簧片电极、点火药盒和薄膜堵盖，所述药柱部件沿轴向设置有多个带扩张段的盲孔，所述药柱部件的端面粘有所述薄膜堵盖，使得高温燃气在所述盲孔内流动，并在出口膨胀以匹配所述喷管输出推力。

9.根据权利要求8所述的基于共用燃烧室的脉冲式姿控推力器，其特征在于，所述喷管为无喉喷管，所述喷管固定于安装在所述壳体的前轴承端盖上，与所述燃烧室的内孔相对应，所述药柱部件产生的高温燃气通过所述盲孔流动输出至所述喷管，并在所述清扫机构的推杆的推动下将未作用的药柱部件或燃烧后产物推出所述喷管。

10.根据权利要求7所述的基于共用燃烧室的脉冲式姿控推力器，其特征在于，所述槽轮设置有6个内凹锁止圆弧与滑动槽，所述拨盘设置有2个拨销，所述槽轮每转动60°间歇停止一次，且在非工作状态时所述槽轮被所述内凹锁止圆弧锁定位置。

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