CN115352627A - 螺旋桨及倾转旋翼机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种螺旋桨及倾转旋翼机，所述螺旋桨包括中心柱以及至少一个桨叶，所述桨叶的翼根设在所述中心柱上，所述桨叶由柔性且可形变恢复的材料制成；当所述螺旋桨处在第一工作模式，所述桨叶翼根处的桨叶角与所述桨叶翼尖处的桨叶角之间的差值为第一扭转角，所述第一工作模式为起降模式或悬停模式；当所述螺旋桨处在第二工作模式，所述桨叶翼根处的桨叶角与所述桨叶翼尖处的桨叶角之间的差值为第二扭转角，所述第二扭转角大于所述第一扭转角，所述第二工作模式为巡航模式；所述螺旋桨还包括驱动所述桨叶在所述第一扭转角与所述第二扭转角之间相互转换的驱动装置，所述驱动装置设在所述中心柱，所述桨叶与所述驱动装置传动连接。

Description

螺旋桨及倾转旋翼机

技术领域

本发明涉及飞行器螺旋桨技术领域，尤其涉及一种螺旋桨及倾转旋翼机。

背景技术

倾转旋翼机是一种结合固定翼飞机航速高，航程远的特性和直升机的多用途性和灵活性的飞行器。为了使倾转旋翼机在悬停和巡航状态下都具备较好的综合气动性能，倾转旋翼螺旋桨需要在悬停和巡航时都需保持合理高效的工作状态，现有技术中，通过自动倾斜器来控制所有桨叶的迎角即通过变距尽可能的平衡倾转旋翼机起降/悬停和巡航状态下的需求，但由于现有倾转旋翼机的螺旋桨在不同半径处的截面翼型是固定的，桨叶的整体扭转分布也是固定的，因而，通过螺旋桨的变距是无法同时满足起降/悬停和巡航时的需求。

发明内容

为了解决上述技术问题中的至少一个，本发明提供了一种螺旋桨及倾转旋翼机。

根据本发明的一个方面，一种螺旋桨，用于倾转旋翼机，所述螺旋桨包括中心柱以及至少一个桨叶，所述桨叶的翼根设在所述中心柱上，所述桨叶由柔性且可形变恢复的材料制成；

当所述螺旋桨处在第一工作模式，所述桨叶翼根处的桨叶角与所述桨叶翼尖处的桨叶角之间的差值为第一扭转角，所述第一工作模式为起降模式或悬停模式；

当所述螺旋桨处在第二工作模式，所述桨叶翼根处的桨叶角与所述桨叶翼尖处的桨叶角之间的差值为第二扭转角，所述第二扭转角大于所述第一扭转角，所述第二工作模式为巡航模式；

所述螺旋桨还包括驱动所述桨叶在所述第一扭转角与所述第二扭转角之间相互转换的驱动装置，所述驱动装置设在所述中心柱，所述桨叶与所述驱动装置传动连接。

根据本发明的至少一个实施方式，所述桨叶的翼根固定设在所述中心柱上，沿着所述桨叶的展向方向，所述桨叶具有供驱动轴通过的空腔，所述驱动轴的一端与所述桨叶的翼尖连接，所述驱动轴的另一端与所述驱动装置的输出轴传动连接，所述驱动轴用于带动所述翼尖相对于所述翼根相对转动。

根据本发明的至少一个实施方式，所述驱动轴与所述翼尖连接的端部具有型面结构，所述桨叶为中空结构，所述桨叶为一体成型的结构，所述桨叶的翼尖内部具有与所述驱动轴的型面结构配合的凹槽。

根据本发明的至少一个实施方式，所述驱动轴与所述翼尖连接的端部具有型面结构，所述桨叶为中空结构，所述桨叶的空腔中还具有与所述翼尖固定连接的连接块，所述连接块具有与所述驱动轴的型面结构配位的凹槽。

根据本发明的至少一个实施方式，所述驱动装置为电机、液压装置中的一种，当所述驱动装置为电机，所述螺旋桨还包括驱动器，所述驱动器用于根据所述桨叶的扭转角旋转所述驱动轴并锁定。

根据本发明的至少一个实施方式，所述桨叶具有沿着所述桨叶的展向方向分布的多个翼型截面，在所述第一工作模式，第一目标展向位置的翼型截面的桨叶角为85.6°±0.1°，在所述第二工作模式，第一目标展向位置的翼型截面的桨叶角为77.2°±0.1°，所述第一目标展向位置与所述桨叶旋转中心轴之间的距离为所述桨叶展向方向的长度的12％±1％；和/或，

在所述第一工作模式，第二目标展向位置的翼型截面的桨叶角为57.8°±0.1°，在所述第二工作模式，第二目标展向位置的翼型截面的桨叶角为27.9°±0.1°，所述第二目标展向位置与所述桨叶旋转中心轴之间的距离为所述桨叶展向方向的长度。

根据本发明的至少一个实施方式，所述桨叶具有沿着所述桨叶的展向方向分布的多个翼型截面，在所述第一工作模式，第三目标展向位置的翼型截面的桨叶角为60.5°±0.1°，在所述第二工作模式，第三目标展向位置的翼型截面的桨叶角为30.5°±0.1°，所述第三目标展向位置与所述桨叶旋转中心轴之间的距离为所述桨叶展向方向的长度的90％±1％；和/或，

在所述第一工作模式，第四目标展向位置的翼型截面的桨叶角为85.6°±0.1°，在所述第二工作模式，第四目标展向位置的翼型截面的桨叶角为77.2°±0.1°，所述第四目标展向位置与所述桨叶旋转中心轴之间的距离为所述桨叶展向方向的长度的12％±1％。

根据本发明的至少一个实施方式，所述螺旋桨还包括控制器，在第一工作模式，所述控制器用于控制所述桨叶具有第一扭转角并锁定，在所述第二工作模式，所述控制器用于控制所述桨叶具有第二扭转角并锁定。

一种倾转旋翼机，包括上述所述的螺旋桨。

与现有技术中通过变距螺旋桨相比，本发明通过设置由柔性且可形变恢复的材料制成的桨叶，桨叶可在驱动装置的驱动下发生形变，即通过驱动装置驱动桨叶在第一扭转角和第二扭转角之间相互转换，从而改变桨叶的桨叶角分布，具体地，在起降模式或悬停模式，桨叶的翼根到桨叶的翼尖的扭转即第一扭转角较小，使螺旋桨产生更大拉力；在巡航模式，桨叶的翼根到桨叶的翼尖的扭转即第二扭转角较大，使桨叶在不同半径位置的翼型都能够有较高的工作效率；从而确保螺旋桨在起降模式、悬停模式和巡航模式都比现有技术中的螺旋桨具有更高的效率，提高了倾转旋翼机的能源利用率和综合气动效率。

附图说明

附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是根据本发明的实施方式的螺旋桨的示意图。

图2是用过驱动轴的轴线的平面剖切螺旋桨的剖切示意图。

图3是图2中A区域放大示意图。

图4是图2中B区域放大示意图。

附图标记：1-中心柱；2-桨叶；3-翼根；4-驱动装置；5-翼尖；6-驱动轴；7-型面结构；8-连接块；9-凹槽；10-控制器；11-驱动器；12-联轴器；13-电机固定架；14-滚动轴承；15-轴承座；16-固定支架。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。

请参阅图1，根据本发明的第一实施方式，提供了一种螺旋桨，用于倾转旋翼机，螺旋桨包括中心柱1以及至少一个桨叶2，桨叶2的翼根3设在中心柱1上，桨叶2由柔性且可形变恢复的材料制成；当螺旋桨处在第一工作模式，桨叶2翼根3处的桨叶角与桨叶2翼尖5处的桨叶角之间的差值为第一扭转角，第一工作模式为起降模式或悬停模式；当螺旋桨处在第二工作模式，桨叶2翼根3处的桨叶角与桨叶2翼尖5处的桨叶角之间的差值为第二扭转角，第二扭转角大于第一扭转角，第二工作模式为巡航模式；螺旋桨还包括驱动桨叶2在第一扭转角与第二扭转角之间相互转换的驱动装置4，驱动装置4设在中心柱1，桨叶2与驱动装置4传动连接。

可以理解的是，桨叶2需具有足够的强度，以使桨叶2能承受流体压力；同时，由于在第一工作模式和第二工作模式时，桨叶2具有不同的桨叶角分布，因此桨叶2会产生形变，并且桨叶2在第一工作模式和第二工作模式是可重复再现的，因此桨叶2需由柔性且可形变恢复的材料制成，例如桨叶2可采用尼龙材料制成，显而易见的是，桨叶2也可使用其他柔性且可形变恢复的材料制成，只要能使桨叶2在第一工作模式和第二工作模式是可重复再现的即可。需要说明的是，可重复再现是指，桨叶2第一次进入第一工作模式和桨叶2第N次进入第一工作模式时的桨叶角分布大致是一致的，N≥2；桨叶2第一次进入第二工作模式和桨叶2第M次进入第二工作模式时的桨叶角分布大致是一致的，M≥2。

需要说明的是，本文所称桨叶角与现有技术中桨叶角的定义一致，即螺旋桨弦线和螺旋桨旋转平面之间的夹角，桨叶角随半径变化而变化，半径是指，沿桨叶2的展向方向，翼尖5与桨叶旋转中心轴之间的距离。

实际上，当倾转旋翼机在地面垂直/短距起飞、降落，或在低空悬停的工作状态时，即螺旋桨处于第一工作模式时，由空气动力学知识可知，桨叶2的翼根3到桨叶2的翼尖5的扭转不需要很大，以使螺旋桨能产生较大拉力；而当倾转旋翼机在高空巡航飞行时，即螺旋桨处于第二工作模式时，由空气动力学知识可知，桨叶2的翼根3到桨叶2的翼尖5需要较大的扭转，以使桨叶2在不同半径位置的翼型都能够有较高的工作效率。

为将桨叶2在第一扭转角与第二扭转角之间相互转换，请参阅图2和3，本实施例通过设置驱动装置4驱动桨叶2扭转实现，可将桨叶2的翼根3固定在中心柱1上，在桨叶2的内部或在桨叶2的翼尖5连接驱动桨叶2扭转的驱动装置4；也可在桨叶2的翼根3和桨叶2的翼尖5均连接驱动桨叶2扭转的驱动装置4；还可将桨叶2的翼尖5固定，而在桨叶2的翼根3设置驱动桨叶2扭转的驱动装置4。需要说明的是，扭转是指桨叶2各翼型截面绕轴线旋转，该轴线与桨叶2的展向方向平行。

在一些实施方式中，请参阅图1、2、3和4所示，中心柱1可由铝型材拼装而成，从而可用标准件快速搭设台架，节省成本和时间。驱动装置4为步进电机，步进电机通过电机固定架13固定于中心柱1，桨叶2固定于固定支架16，固定支架16固定于轴承座15，轴承座15与电机固定架13固定连接；轴承座15内设有滚动轴承14，驱动轴6通过滚动轴承14转动支承于轴承座15，且驱动轴6的一端通过联轴器12与步进电机的输出轴传动连接，驱动轴6另一端的型面结构7插入连接块8的凹槽9中，连接块8固定于桨叶2的翼尖5。从而，步进电机通过联轴器12驱动轴6旋转，驱动轴6通过型面结构7和连接块8的凹槽9驱动桨叶2的翼尖5相对桨叶2的翼根3旋转，进而改变桨叶2沿展向方向各翼型截面的桨叶角的分布。

请参阅图2和图3，在一些实施方式中，驱动装置4可为电机、液压装置、齿轮齿条机构等驱动负载旋转的旋转驱动装置4；当驱动装置4为电机时，螺旋桨还可包括驱动器11，驱动器11用于根据桨叶2的扭转角旋转驱动轴6并锁定，例如驱动装置4为伺服电机，驱动器11则用于向伺服电机提供脉冲，伺服电机在根据脉冲旋转一定角度并锁定，从而驱动桨叶2扭转一定角度如驱动桨叶2扭转至第一扭转角或第二扭转角状态。通过设置驱动器11，从而更精准地控制桨叶2的扭转角。

在一些实施方式中，请参阅图1，螺旋桨还可包括控制器10，在第一工作模式，控制器10用于控制桨叶2具有第一扭转角并锁定，在第二工作模式，控制器10用于控制桨叶2具有第二扭转角并锁定。控制器10用于根据设定值向驱动装置4发出启动信号，使驱动装置4驱动桨叶2扭转至设定值，设定值为第一扭转角或第二扭转角。可以理解的是，当驱动装置4为液压装置如液压马达或驱动装置4为由液压装置驱动的机构时，控制器10用于控制与液压马达相连的电磁换向阀以启动液压马达动作；当驱动装置4为电机或由电机驱动的机构时，控制器10用于控制电机的驱动器11或与电机连接的继电器以启动电机。通过设置控制器10，可根据倾转旋翼机所处状态实时控制桨叶2的扭转状态，从而获得更高的气动效率。

在一些实施方式中，请参阅图2，桨叶2的翼根3固定设在中心柱1上，沿着桨叶2的展向方向，桨叶2具有供驱动轴6通过的空腔，驱动轴6的一端与桨叶2的翼尖5连接，驱动轴6的另一端与驱动装置4的输出轴传动连接，驱动轴6用于带动翼尖5相对于翼根3相对转动。通过设置空腔，便于安装驱动轴6，从而通过驱动轴6直接驱动翼尖5。

实际上，驱动轴6的端部可通过紧固件等方式与桨叶2的翼尖5连接，请参阅图4，在一些实施方式中，驱动轴6与翼尖5连接的端部具有型面结构7，桨叶2为中空结构，桨叶2为一体成型的结构，桨叶2的翼尖5内部具有与驱动轴6的型面结构7配合的凹槽9，通过在翼尖5内部设置与驱动轴6的型面结构7配合的凹槽9，避免在狭小的空腔使用螺钉连接，安装更方便。实际上，型面结构7可为非圆柱体，例如驱动轴6的端部为椭圆柱、立方体柱或六边形柱等多边形柱等，以避免驱动轴6与凹槽9相对转动，从而确保驱动装置4的扭矩能传递到桨叶2的翼尖5；型面结构7也可为圆柱体，此时，为确保驱动装置4的扭矩能准确传递至桨叶2的翼尖5，可在驱动轴6的端部与凹槽9之间需设置防转结构，例如在驱动轴6的端部和凹槽9之间设置键，或者在驱动轴6的型面结构7上沿径向插设一销钉或螺钉，并在凹槽9的槽壁设置卡槽卡住销钉或螺钉。

在另一些实施方式中，请参阅图4，为降低桨叶2成型难度，将凹槽9设置在独立的构件上，具体为，驱动轴6与翼尖5连接的端部具有型面结构7，桨叶2为中空结构，桨叶2的空腔中还具有与翼尖5固定连接的连接块8，连接块8具有与驱动轴6的型面结构7配位的凹槽9。为降低桨叶2成型难度，连接块8与桨叶2的翼尖5通过螺钉连接，从而使桨叶2结构上没有截面剧烈突变，更利于成型，具体为，连接块8开设有螺纹孔，螺钉位于桨叶2外部，并穿过桨叶2的翼尖5与连接块8连接，从而避免在桨叶2狭小的空腔内使用螺钉，降低装拆难度。

实际上，桨叶2上各翼型截面的桨叶角分布是可根据桨叶2所处工作模式以及桨叶2的转速根据速度三角形计算得出，表1示出了第一工作模式和第二工作模式时，桨叶2处于高工作效率时桨叶2的桨叶角分布情况，其中r/R表示翼型截面位置到桨叶旋转中心轴之间的距离与桨叶2展向方向的长度的比值。

表1桨叶角分布情况

r/R	第二工作模式	第一工作模式
			0.120	77.2543	85.6880
0.150	74.2119	84.6157
			0.200	69.3438	82.8373
0.300	60.5122	79.3251
			0.400	52.9842	75.8920
0.500	46.6960	72.5592
			0.600	41.4828	69.3438
0.700	37.1576	66.2588
			0.800	33.5500	63.3132
0.900	30.5176	60.5122
			0.950	29.1805	59.1667
0.980	28.4285	58.3770
			0.995	28.0656	57.9871
1.000	27.9466	57.8579

实际上，确定最大桨叶角位置、最小桨叶角位置即可大致确定桨叶各半径处翼型有一个相对合适的桨叶角，具体为，在第一工作模式，第一目标展向位置的翼型截面的桨叶角为85.6°±0.1°，在第二工作模式，第一目标展向位置的翼型截面的桨叶角为77.2°±0.1°，第一目标展向位置与桨叶旋转中心轴之间的距离为桨叶2展向方向的长度的12％±1％；和/或，在第一工作模式，第二目标展向位置的翼型截面的桨叶角为57.8°±0.1°，在第二工作模式，第二目标展向位置的翼型截面的桨叶角为27.9°±0.1°，第二目标展向位置与桨叶旋转中心轴之间的距离为桨叶2展向方向的长度。需要说明的是，上述展向方向的定义与现有技术一致，即自桨叶旋转中心轴指向桨叶2的翼尖5的方向。

在一些实施方式中，通过确定在两种工作模式下变化幅度最大的位置和变化最小的位置可更准确的确定桨叶角沿展向的分布，具体为，在第一工作模式，第三目标展向位置的翼型截面的桨叶角为60.5°±0.1°，在第二工作模式，第三目标展向位置的翼型截面的桨叶角为30.5°±0.1°，第三目标展向位置与桨叶旋转中心轴之间的距离为桨叶2展向方向的长度的90％±1％；和/或，

在第一工作模式，第四目标展向位置的翼型截面的桨叶角为85.6°±0.1°，在第二工作模式，第四目标展向位置的翼型截面的桨叶角为77.2°±0.1°，第四目标展向位置与桨叶旋转中心轴之间的距离为桨叶2展向方向的长度的12％±1％。

由于倾转旋翼机大部分时间为巡航模式，因此，可将桨叶2预置为大扭转角状态，即桨叶2预置为第二工作模式，在起降或者悬停时，通过操控电机控制器10，在控制器10内置程序的控制下调节驱动器11给电机提供的脉冲数，电机的输出轴通过联轴器12将扭矩传输到驱动轴6，由于桨叶2翼根3固定在固定支架16上，所以连接块8可以驱动桨叶2的翼尖5进行旋转，在扭转了所需的角度即桨叶2处于第一扭转角之后，电机断电锁死，桨叶2被锁定在该扭转状态。在巡航时，由于电机断电时是自动锁死的，所以需要通过电机控制器10来控制桨叶2往相反的方向扭转相应的角度，原理与起降/悬停时相同，桨叶2恢复巡航时的大扭转状态，从而使螺旋桨在巡航时具有较高的气动效率。

本发明的另一目的还在于提供一种倾转旋翼机，包括上述的螺旋桨。倾转旋翼机所具备的有益效果与上述的螺旋桨相同，在此不再赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。

Claims (9)

1.一种螺旋桨，其特征在于，用于倾转旋翼机，所述螺旋桨包括中心柱以及至少一个桨叶，所述桨叶的翼根设在所述中心柱上，所述桨叶由柔性且可形变恢复的材料制成；

当所述螺旋桨处在第一工作模式，所述桨叶翼根处的桨叶角与所述桨叶翼尖处的桨叶角之间的差值为第一扭转角，所述第一工作模式为起降模式或悬停模式；

当所述螺旋桨处在第二工作模式，所述桨叶翼根处的桨叶角与所述桨叶翼尖处的桨叶角之间的差值为第二扭转角，所述第二扭转角大于所述第一扭转角，所述第二工作模式为巡航模式；

所述螺旋桨还包括驱动所述桨叶在所述第一扭转角与所述第二扭转角之间相互转换的驱动装置，所述驱动装置设在所述中心柱，所述桨叶与所述驱动装置传动连接。

2.如权利要求1所述的螺旋桨，其特征在于，所述桨叶的翼根固定设在所述中心柱上，沿着所述桨叶的展向方向，所述桨叶具有供驱动轴通过的空腔，所述驱动轴的一端与所述桨叶的翼尖连接，所述驱动轴的另一端与所述驱动装置的输出轴传动连接，所述驱动轴用于带动所述翼尖相对于所述翼根相对转动。

3.如权利要求2所述的螺旋桨，其特征在于，所述驱动轴与所述翼尖连接的端部具有型面结构，所述桨叶为中空结构，所述桨叶为一体成型的结构，所述桨叶的翼尖内部具有与所述驱动轴的型面结构配合的凹槽。

4.如权利要求2所述的螺旋桨，其特征在于，所述驱动轴与所述翼尖连接的端部具有型面结构，所述桨叶为中空结构，所述桨叶的空腔中还具有与所述翼尖固定连接的连接块，所述连接块具有与所述驱动轴的型面结构配位的凹槽。

5.如权利要求1所述的螺旋桨，其特征在于，所述驱动装置为电机、液压装置中的一种，当所述驱动装置为电机，所述螺旋桨还包括驱动器，所述驱动器用于根据所述桨叶的扭转角旋转所述驱动轴并锁定。

6.如权利要求1至5任一项所述的螺旋桨，其特征在于，所述桨叶具有沿着所述桨叶的展向方向分布的多个翼型截面，在所述第一工作模式，第一目标展向位置的翼型截面的桨叶角为85.6°±0.1°，在所述第二工作模式，第一目标展向位置的翼型截面的桨叶角为77.2°±0.1°，所述第一目标展向位置与所述桨叶旋转中心轴之间的距离为所述桨叶展向方向的长度的12％±1％；和/或，

在所述第一工作模式，第二目标展向位置的翼型截面的桨叶角为57.8°±0.1°，在所述第二工作模式，第二目标展向位置的翼型截面的桨叶角为27.9°±0.1°，所述第二目标展向位置与所述桨叶旋转中心轴之间的距离为所述桨叶展向方向的长度。

7.如权利要求1至5任一项所述的螺旋桨，其特征在于，所述桨叶具有沿着所述桨叶的展向方向分布的多个翼型截面，在所述第一工作模式，第三目标展向位置的翼型截面的桨叶角为60.5°±0.1°，在所述第二工作模式，第三目标展向位置的翼型截面的桨叶角为30.5°±0.1°，所述第三目标展向位置与所述桨叶旋转中心轴之间的距离为所述桨叶展向方向的长度的90％±1％；和/或，

在所述第一工作模式，第四目标展向位置的翼型截面的桨叶角为85.6°±0.1°，在所述第二工作模式，第四目标展向位置的翼型截面的桨叶角为77.2°±0.1°，所述第四目标展向位置与所述桨叶旋转中心轴之间的距离为所述桨叶展向方向的长度的12％±1％。

8.如权利要求1所述的螺旋桨，其特征在于，所述螺旋桨还包括控制器，在第一工作模式，所述控制器用于控制所述桨叶具有第一扭转角并锁定，在所述第二工作模式，所述控制器用于控制所述桨叶具有第二扭转角并锁定。

9.一种倾转旋翼机，其特征在于，包括至少一个如权利要求1至8任一项所述的螺旋桨。

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