CN111521073B - 一种火箭回收方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种火箭回收方法，包括提供火箭回收装置，其中所述火箭回收装置包括固定座、支撑结构及挂架结构，所述支撑结构的一端固设在所述固定座，另一端用于连接所述挂架结构；通过调姿系统及反推系统调整待回收火箭的姿态和速度，使待回收火箭移动到所述火箭回收装置的上方预设高度处；打开待回收火箭的挂锁机构，使其挂接至所述挂架结构；所述挂架机构沿所述待回收火箭的下降方向配合所述挂锁机构运动，缓冲待回收火箭在降落过程的作用力，并固定待回收火箭，实现火箭回收。本发明可以在原有回收轨道、动力系统不变情况下，方便回收，提高着陆时的稳定性，可以降低对火箭回收的姿态和速度要求，提高火箭回收的成功率。

Description

一种火箭回收方法

技术领域

本发明涉及火箭回收技术领域，尤其涉及一种火箭回收方法。

背景技术

火箭回收技术是航天技术领域的一颗璀璨明珠，是航天技术实力的综合体现，因此，也受到了各个航天大国的极大关注。目前国内尚无已经投入使用的液体火箭回收方案。美国的Space X公司、蓝色起源公司已经多次成功进行了火箭的回收。例如，Space X公司在其最近几次发射中所采用的火箭回收技术方案是：在火箭子级降落过程中，通过主发动机点火实现减速，同时以姿控发动机调整火箭子级的飞行姿态，从而确保火箭以近乎垂直的姿态下落。在下落的火箭子级接近地面时，处于收拢状态的支撑腿打开，从而使火箭平稳的支撑在着陆表面上(例如，地面或海上平台)。

具体而言，火箭子级的底部设置可收放的支撑腿。在火箭飞行的过程中，支撑腿可以始终处于收拢状态。火箭子级工作结束并与箭体分离后，主发动机关机，火箭子级飞往预定的落区或者飞回发射场。在靠近地面的时候，主发动机重新点火起动，火箭减速。在落地前支撑腿在高压气体的作用下展开并锁定。火箭子级在最后触地瞬间，通过主发动机控制速度降低到0，并通过展开的支撑腿站稳在回收场地或回收船舶上。

这种方法需要制作大型的支腿来保证着陆时的支撑强度，目前，为了重心位置较高的箭体着陆稳定性，减少对箭体的冲击强度，着陆支腿机构设计复杂，重量较大(如SPACEX的猎鹰9号着陆机构近3吨)，造成箭体运输能力的损失。回收过程中同时对火箭降落时的姿态及速度的控制要求很高，如果火箭子级降落的姿态或速度控制不好，很可能会造成火箭的倾倒或爆炸，从而导致火箭回收彻底失败。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种火箭回收方法，可以在原有回收轨道、动力系统不变情况下，回收火箭，并提高着陆时的稳定性，可以降低对火箭回收的姿态和速度要求，提高火箭回收的成功率。

本发明的一个方面提供了一种火箭回收方法，包括：

提供火箭回收装置，其中所述火箭回收装置包括固定座、支撑结构及挂架结构，所述支撑结构的一端固设在所述固定座，另一端用于连接所述挂架结构；

通过调姿系统及反推系统调整待回收火箭的姿态和速度，使待回收火箭移动到所述火箭回收装置的上方预设高度处；

打开待回收火箭的挂锁机构，使其挂接至所述挂架结构；

所述挂架机构沿所述待回收火箭的下降方向配合所述挂锁机构运动，缓冲待回收火箭在降落过程的作用力，并固定待回收火箭，实现火箭回收。

在同一个实施例中，所述通过调姿系统及反推系统调整待回收火箭的姿态和速度，使待回收火箭移动到所述火箭回收装置的上方预设高度处之前还包括：使待回收火箭一子级与火箭二子级分离；

所述挂架机构沿所述待回收火箭的下降方向配合所述挂锁机构运动，缓冲待回收火箭在降落过程的作用力，并固定待回收火箭，实现火箭回收包括：通过火箭回收装置回收火箭一子级。

在同一个实施例中，所述使待回收火箭一子级与火箭二子级分离之后还包括：通过调姿系统和反推系统对火箭一子级的姿态和速度进行第一次调整，以使火箭一子级向所述火箭回收装置上方运动。

在同一个实施例中，火箭一子级下降至火箭回收装置上方预设的第一高度时，打开火箭一子级上的挂锁机构。

在同一个实施例中，通过调姿系统和反推系统再次对火箭一子级的姿态和速度进行第二次调整，使所述火箭一子级向所述固定座中心运动。

在同一个实施例中，通过调姿系统对火箭一子级的姿态再次调整还包括：使火箭一子级的发动机端靠近所述固定座中心，且火箭一子级轴线垂直于所述固定座中心。

在同一个实施例中，通过反推系统对火箭一子级的速度进行调整还包括：调整火箭一子级的下降速度至预设的第一速度；打开待回收火箭的所述挂锁机构，使其挂接至所述挂架结构包括：使火箭一子级的挂锁机构以所述第一速度下降时，挂接所述挂架结构；

所述挂架机构沿所述待回收火箭的下降方向配合所述挂锁机构运动，缓冲待回收火箭在降落过程的作用力，并固定待回收火箭，实现火箭回收包括：

所述挂架结构通过其伸缩拉杆与支撑结构的转动连接，实现配合火箭子级的下降运动，且通过伸缩拉杆外侧的防脱挡块防止挂锁机构从伸缩拉杆脱出。

在同一个实施例中，伸缩拉杆的下方设有减震器，所述减震器在火箭一子级下降过程中通过液压方式对火箭一子级进行下降缓冲。

在同一个实施例中，所述挂锁结构在待回收火箭垂直方向的发动机端距固定座中心达到预设高度为A时打开，其中90m≤A≤110m。

在同一个实施例中，所述挂锁机构挂接至所述挂架结构时，待回收火箭的发动机关机。

本发明的实施例，通过采用火箭回收方法，在原有回收轨道、动力系统不变情况下，回收火箭，提高着陆时的稳定性，可以降低对火箭回收的姿态和速度要求，提高火箭回收的成功率。

应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张的范围。

附图说明

下面的附图是本发明的说明书的一部分，其绘示了本发明的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本发明的原理。

附图1本发明整箭结构及分离示意图；

附图2本发明固定座，支撑结构和挂架结构组合的示意图；

附图3本发明火箭一子级着陆挂杆，主挂锁,副挂锁打开下降的示意图；

附图4本发明箭体一子级完成着陆时，挂架结构与挂锁机构的示意图；

附图5本发明副挂锁与挂杆的结构示意图；

附图6本发明挂杆打开时，连接锁，箭体一子级和挂杆连接的结构示意图；

附图7本发明开关机构与挂杆卡座连接的俯视图；

附图8本发明弯曲板的俯视图；

附图9本发明火箭回收方法的流程图。

附图标记说明：

1二级箭体结构 2火箭一子级结构

3火箭动力尾舱段 4安装架

5挂杆 6挂杆卡座

7主挂锁 8姿态调节机构

9固定座 10支撑结构

11转动架 12减震桶

13伸出架 14防脱档块

15减震器 16连接锁

17副挂锁 18弯曲板

19爆炸螺栓 20活塞

21弹簧 22凹槽

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

现有的液体火箭回收技术，需要在火箭子级上增加例如4个可伸缩的支撑腿，并且配备一套高压气体作动机构。其中，高压气体作动机构用于在待回收的火箭子级接近着陆面时展开支撑腿，无疑增加了火箭系统的复杂性和结构重量。

在火箭起飞阶段，这些增设的机构显然是对火箭飞行无用的死重，降低了火箭的运载能力。此外，采用现有的火箭回收技术，必须在火箭子级降落过程中对火箭子级的速度和姿态进行精确控制，并使火箭子级在触地瞬间速度降低至0，同时姿态保持垂直。同样地，在海上回收火箭时，除了上述对地面回收火箭时的要求外，对海况的要求也比较高。例如，用于火箭回收的船身在子级火箭降落时不能有较大幅度的摆动。

本发明提供了一种火箭回收方法，如图1，图2，图3，图4和图9所示，包括：

提供火箭回收装置，其中所述火箭回收装置包括固定座9、支撑结构10及挂架结构，支撑结构10的一端固设在固定座9，另一端用于连接挂架结构；

S1通过调姿系统及反推系统调整待回收火箭的姿态和速度，使待回收火箭移动到火箭回收装置的上方预设高度处；

S2打开待回收火箭的挂锁机构，使其挂接至挂架结构；

S3挂架机构沿待回收火箭的下降方向配合挂锁机构运动，缓冲待回收火箭在降落过程的作用力，并固定待回收火箭，实现火箭回收。

本发明通过采用火箭回收方法，在原有回收轨道、动力系统不变情况下，回收火箭，提高着陆时的稳定性，可以降低对火箭回收的姿态和速度要求，提高火箭回收的成功率。

需要说明的是，本实施例旨在回收火箭一子级，因此，通过调姿系统及反推系统调整待回收火箭的姿态和速度，使待回收火箭移动到火箭回收装置的上方预设高度处之前还包括：使待回收火箭一子级与火箭二子级分离。

在上述实施例中，挂架机构沿待回收火箭的下降方向配合挂锁机构运动，是为了缓冲待回收火箭在降落过程的作用力，直至待回收火箭的下降速度为零，并固定待回收火箭，实现火箭回收包括。挂架机构是设置在着陆表面的火箭回收装置之上，也就是说，通过火箭回收装置设置的挂架机构与一子级的挂锁机构配合回收火箭一子级。

使待回收火箭一子级与火箭二子级分离之后还包括：通过调姿系统和反推系统对火箭一子级的姿态和速度进行第一次调整，以使火箭一子级向所述火箭回收装置上方运动。例如，通过调姿系统控制火箭一子级翻转，并使发动机朝下，便于控制一子级姿态及一子级火箭以预订姿态回收。

例如，当火箭一子级下降至火箭回收装置上方预设的第一高度时，打开火箭一子级上的挂锁机构。挂锁机构打开之前，折叠的设置在一子级火箭的外侧，打开过程可以通过弹射机构将挂锁机构打开，形成类似伞的挂锁与地面回收装置配合，完成对一子级火箭的回收。

通过调姿系统和反推系统再次对火箭一子级的姿态和速度进行第二次调整，使火箭一子级在姿态误差和速度误差允许的范围内向固定座9中心运动。由于火箭一子级运动到回收装置上方后，对其姿态和降落速度要求更加严格，否则可能造成火箭一子级在回收过程中倾覆或对地面回收装置造成损坏，因此需要对回收装置与子级火箭的配合姿态与速度进行精确控制。

例如，挂锁结构在待回收火箭垂直方向的发动机端距固定座中心达到预设高度为A时打开，A可以为95m，99m，103m等。经过大量的实验仿真得出，90m≤A≤110m时，方便挂锁结构打开，能够保证火箭一子级在挂锁结构打开前的运行稳定，方便调姿系统和反推系统再次对火箭一子级的姿态和速度控制。

在本实施方式中，为了方便挂锁结构与挂架机构结构，便于回收火箭一子级，同时降低回收难度，例如，通过调姿系统对火箭一子级的姿态再次调整还包括：使火箭一子级的发动机端靠近固定座9中心，且火箭一子级轴线垂直于所述固定座中心。本申请的火箭回收方法，通过使发动机端朝下，且火箭一子级垂直降落，可以提高回收过程的稳定性，降低姿控系统的调姿态难度，提高火箭回收成功率。

另外，通过反推系统对火箭一子级的速度进行调整还包括：调整火箭一子级的下降速度至预设的第一速度；打开待回收火箭的挂锁机构，使其挂接至挂架结构包括：使火箭一子级的挂锁机构以所述第一速度下降时，挂接挂架结构；

在该实施例中，挂架机构沿待回收火箭(火箭一子级)的下降方向配合挂锁机构运动，缓冲待回收火箭(火箭一子级)在降落过程的作用力，并固定待回收火箭(火箭一子级)，实现火箭回收包括：

挂架结构通过其伸缩拉杆与支撑结构的转动连接，实现配合火箭子级(火箭一子级)的下降运动，且通过伸缩拉杆外侧的防脱挡块防止挂锁机构从伸缩拉杆脱出。

例如，伸缩拉杆的下方可以设置减震器，减震器在火箭一子级下降过程中通过液压方式对火箭一子级进行下降缓冲，从而进一步保护火箭一子级的挂锁机构及地面回收装置，提高火箭回收过程的平稳性与安全性。

在同一个实施例中，挂锁机构挂接至挂架结构时，待回收火箭的发动机关机。

本方法中，为了保护火箭一子机在回收过程中完好，火箭挂锁机构带动挂架结构向下运动至最大距离时，火箭下端面未触及着陆面(地面，海上平台)，从而确保火箭在悬空状态下被回收。

本发明的实施例，通过采用火箭回收方法，在原有回收轨道、动力系统不变情况下，方便回收，提高着陆时的稳定性，可以降低对火箭回收的姿态和速度要求，提高火箭回收的成功率。

以下给出了对应本申请火箭回收方法的一个实施例，但本申请的方法不限于以下具体实施例。

如图2和图4所示，火箭回收装置包含固定座9，多个支撑结构10和多个挂架结构。支撑结构10周向均匀排布，且固定设置在固定座9上，支撑结构10底端与固定座9固定连接，顶端通过旋转结构与挂架结构的一端连接，且多个挂架结构的另一端向彼此靠近的方向伸出。

挂架结构用于与待回收火箭接触后，通过旋转结构随待回收火箭向下运动，以缓冲待回收火箭在降落过程的作用力，并固定待回收火箭，实现火箭回收。

本实施方式中，如图2所示，支撑结构和挂架结构均以4个为例进行说明，而在实际应用时，支撑结构和挂架结构的数量一一对应，且满足支撑结构至少大于3个，更加方便火箭的回收。可以根据需求，适当的调整支撑结构和挂架结构的数量，在此，不再一一举例说明。

本实施方式中，旋转结构为转轴，挂架结构包含转动架11、伸缩拉杆和防脱档块14；转动架11位于伸缩拉杆的外侧，通过转轴与伸缩拉杆连接，防脱档块14位于伸缩拉杆靠近固定座9中心的内侧。转动架位于转轴的外侧，类似保护罩，避免杂质进入转轴，保证转轴表面整洁，方便转轴转动。

在该实施例中，防脱档块14的设计，使得挂架结构与待回收火箭固定更加牢固，同时防止待回收火箭出现脱钩现象，保证挂架结构与待回收火箭连接紧密，有利于火箭的回收。

为了方便伸缩拉杆根据实际需求进行伸长，例如，伸缩拉杆包含减震桶12和伸出架13，伸出架13一端位于减震桶12内，另一端与远离减震桶12一侧的防脱档块14连接。进一步说明的是，为了使得减震桶12和伸出架13连接紧密，固定牢固，例如，减震桶11为液压阻尼减震桶，伸出架13为与液压阻尼减震桶配合的液压减震杆，液压阻尼减震桶与液压减震杆配合使用相当于液压结构，两者连接紧密，避免伸出架13在受力拉伸过程中脱离减震桶12，提高伸缩拉杆的拉伸强度，保证伸缩拉杆安全使用。另一方面，由于液压阻尼减震桶与液压减震杆配合，方便伸缩拉杆拉伸，同时起到减震作用。

在挂架结构与火箭子级连接时，为了提高挂架结构稳定性，同时缓冲挂架结构所受的作用力。例如，在挂架结构上设有用于保护挂架结构的减震器15。减震器15位于挂架结构的下部，且减震器15一端通过固定架与支撑结构10连接，另一端与挂架结构连接。为了保证减震器具有高强度，有效支撑挂架结构，例如，减震器15为液压减震器，且液压减震器伸缩方向与支撑结构的长度方向一致。

在本实施方式中，为了保证挂架结构与待回收火箭接触时，作用在待回收火箭的作用力均匀，避免待回收火箭发生倾斜，例如，设计挂架结构靠近固定座9中心一端的延长线与支撑结构10周向排布的中心线重合。

如图1，图3，图5和图6所示，包括子级火箭，其中子级火箭远离主发动机一端包括姿态调节机构8和挂锁机构；其中姿态调节机构8用于在子级火箭返回时调节子级火箭的降落姿态，以使挂锁机构连接挂架结构这种液体火箭，结构简单，重量轻，且通过设置姿态调节机构和挂架结构，可以较好的配合火箭回收装置，实现火箭子级的可靠回收。

姿态调节机构8包括格栅翼和姿态控制系统。具体地说，格栅翼用于在子级火箭降落过程中，通过改变形状或位置调整子级火箭受到的气动力，实现对箭体的飞行攻角、姿态的调整，从而确保子级火箭按预定的轨迹及姿态降落；姿态控制系统通过喷气反推的方式产生反作用力实现对子级火箭飞行姿态的调整，保证子级火箭以预定的倾角接触所述挂架结构。

如图1，图5和图6所示，挂锁机构包括安装架4，挂杆5，开关机构，主挂锁7,副挂锁17和挂杆卡座6构成。其中，安装架4固定设置在子级火箭上，挂杆5一端与安装架4固定连接，另一端通过开关机构与挂杆卡座6连接，主挂锁7周向设置在子级火箭表面，副挂锁17一端与安装架4固定连接，另一端在挂杆4的轴向方向上贯穿挂杆5后与主挂锁7固定连接。挂杆5可以为空心的圆柱体结构，副挂锁17设置在挂杆5空心部分之内，从而在挂杆5的轴向方向上，副挂锁17可以从挂杆5的两端伸出，并分别与安装架4和主挂锁7连接。

此外，如图6所示，为了限制挂杆5展开角度，例如，子级火箭表面设有连接挂杆的连接锁16，连接锁16一端与子级火箭固定连接，另一端与挂杆5连接。

当开关机构打开时，挂杆5靠近开关机构端向远离子级火箭的轴线方向展开，以便主挂锁7与挂架结构连接。例如，在两者连接过程中，副挂锁17沿其轴线方向的延长线与所述子级火箭的轴线相交。

另外，如图7和图8所示，开关机构包含用于关闭挂杆5的卡夹和用于打开挂杆5的弹射器。具体的说，卡夹包含弯曲板18和爆炸螺栓19构成，弯曲板18位于挂杆5外侧(远离子级火箭的轴线一侧)，通过爆炸螺栓19将弯曲板18与挂杆卡座6连接。弹射器包含活塞20和弹簧21，挂杆卡座6上与弯曲板18相对应的区域，设有配合活塞20和弹簧21移动的凹槽22。活塞20和弹簧21沿凹槽22运动并对挂杆5施加远离子级火箭的力，从而在爆炸螺栓19爆炸分离后，推动挂杆5的一端远离子级火箭轴线，并打开主挂锁7。当挂杆5需要打开时，通过控制信号引爆爆炸螺栓19，使得弯曲板18脱落，同时在弹簧21弹力作用下推动活塞20向挂杆5施加推力，使得挂杆5靠近开关机构端向远离子级火箭的轴线方向展开。

为了增加主挂锁，副挂锁17和连接锁16的强度，避免其出现断裂，例如，主挂锁7，副挂锁17和连接锁16均采用凯夫拉纤维编织的软锁用于承担箭体所有质量的挂载。为了减轻挂杆5的重量，且避免其发生弯曲，例如，挂杆5由空心的硬质刚性金属薄壳构成。

本申请实施例的火箭回收方法，也可以针对液体火箭各级箭体的回收重复使用，如图1，图2，图3，图4和图6所示。

以下以上述实施例的回收装置及火箭一子级结构为例，简要描述回收过程：

火箭一子级结构2与二级箭体结构1分离后，通过姿态调节机构8及反推系统调整火箭一子级结构2的姿态和速度，使火箭一子级结构2上的动力尾舱段3移动到火箭回收装置的上方预设高度100m处；

打开火箭一子级结构2的挂锁机构，使其挂接至挂架结构；

挂架机构沿火箭一子级结构2的下降方向配合挂锁机构运动，缓冲火箭一子级结构2在降落过程的作用力，并固定火箭一子级结构2，实现火箭回收。

火箭一子级回收的详细过程，请参照之前的描述。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，在不脱离本发明的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种火箭回收方法，其特征在于，包括：

提供火箭回收装置，其中所述火箭回收装置包括固定座、支撑结构及挂架结构，所述支撑结构的一端固设在所述固定座，另一端用于连接所述挂架结构；

通过调姿系统及反推系统调整待回收火箭的姿态和速度，使待回收火箭移动到所述火箭回收装置的上方预设高度处；

打开待回收火箭的挂锁机构，使其挂接至所述挂架结构；

所述挂架结构沿所述待回收火箭的下降方向配合所述挂锁机构运动，缓冲待回收火箭在降落过程的作用力，并固定待回收火箭，实现火箭回收；

其中所述挂架结构包含转动架、伸缩拉杆和防脱挡块；所述转动架位于伸缩拉杆的外侧，通过转轴与所述伸缩拉杆连接，所述防脱挡块位于所述伸缩拉杆靠近所述固定座中心的内侧，所述转动架位于所述转轴的外侧，所述伸缩拉杆的下方设置减震器；

所述挂架结构通过转轴沿所述待回收火箭的下降方向配合所述挂锁机构运动包含：待回收火箭通过所述挂锁机构上的挂锁挂在所述伸缩拉杆上后，带动所述伸缩拉杆沿所述转轴向下转动，所述减震器在待回收火箭在降落过程中通过液压方式减缓待回收火箭的下降速度，同时所述防脱挡块限制挂锁从所述伸缩拉杆脱出。

2.根据权利要求1所述的火箭回收方法，其特征在于，所述通过调姿系统及反推系统调整待回收火箭的姿态和速度，使待回收火箭移动到所述火箭回收装置的上方预设高度处之前还包括：

使待回收火箭一子级与火箭二子级分离；

所述挂架结构沿所述待回收火箭的下降方向配合所述挂锁机构运动，缓冲待回收火箭在降落过程的作用力，并固定待回收火箭，实现火箭回收包括：

通过火箭回收装置回收火箭一子级。

3.根据权利要求2所述的火箭回收方法，其特征在于，所述使待回收火箭一子级与火箭二子级分离之后还包括：

通过调姿系统和反推系统对火箭一子级的姿态和速度进行第一次调整，以使火箭一子级向所述火箭回收装置上方运动。

4.根据权利要求3所述的火箭回收方法，其特征在于，火箭一子级下降至火箭回收装置上方预设的第一高度时，打开火箭一子级上的挂锁机构。

5.根据权利要求4所述的火箭回收方法，其特征在于，通过调姿系统和反推系统再次对火箭一子级的姿态和速度进行第二次调整，使所述火箭一子级向所述固定座中心运动。

6.根据权利要求5所述的火箭回收方法，其特征在于，通过调姿系统对火箭一子级的姿态再次调整还包括：

使火箭一子级的发动机端靠近所述固定座中心，且火箭一子级轴线垂直于所述固定座中心。

7.根据权利要求5所述的火箭回收方法，其特征在于，通过反推系统对火箭一子级的速度进行调整还包括：

调整火箭一子级的下降速度至预设的第一速度；

打开待回收火箭的所述挂锁机构，使其挂接至所述挂架结构包括：

使火箭一子级的挂锁机构以所述第一速度下降时，挂接所述挂架结构；

所述挂架结构沿所述待回收火箭的下降方向配合所述挂锁机构运动，缓冲待回收火箭在降落过程的作用力，并固定待回收火箭，实现火箭回收包括：

所述挂架结构通过其伸缩拉杆与支撑结构的转动连接，实现配合火箭子级的下降运动，且通过伸缩拉杆外侧的防脱挡块防止挂锁机构从伸缩拉杆脱出。

8.根据权利要求1所述的火箭回收方法，其特征在于，所述挂锁机构在待回收火箭垂直方向的发动机端距固定座中心达到预设高度为A时打开，其中90m≤A≤110m。

9.根据权利要求1所述的火箭回收方法，其特征在于，所述挂锁机构挂接至所述挂架结构时，待回收火箭的发动机关机。

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