JP6539429B2 - 可撓性熱制御材料及び推進薬タンク - Google Patents

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Description

本発明は、可撓性熱制御材料及び推進薬タンクに関するものである。
宇宙空間で使用される人工衛星やロケットは、太陽光の入射による機体の温度上昇を防ぐために、太陽光を反射し、太陽光の熱エネルギーを宇宙空間に放出する機能を有する熱制御材料で表面を被覆される。
このような熱制御材料として、被覆される機体や構造物の表面形状に合わせて加工しやすい可撓性をもった可撓性熱制御材料、所謂フレキシブルOSR(Flexible Optical Solar Reflector)が注目されている。
特許文献1には、ポリイミドフィルム上に金属層を設けた可撓性熱制御材料が記載されている。特許文献1においては、ポリイミドフィルムの表面を粗面化処理することで、太陽光の2次反射を抑制し、反射性と拡散性の向上を図っている。
特開2007−253399号公報
ところで、宇宙空間で用いる可撓性熱制御材料においては、様々な宇宙ミッションでの適用性が求められ、特に太陽光吸収率(α)が低い光学特性を有することが求められる。
また、この太陽光吸収率(α)が低いことと共に、全半球赤外線放射率(ε)が高いことの両方を充足すること、さらには、宇宙環境における長期使用を可能にする観点から、放射線への耐性が高いこと、宇宙空間における原子状酸素への耐性が高いことの要件全てを満たすことが求められる。
しかしながら、特許文献1に記載の可撓性熱制御材料は、この光学特性の要件を満足するものではない。
本発明は、上記問題に鑑み、宇宙空間で用いる際、光学特性が良好な可撓性熱制御材料及び推進薬タンクを提供することを目的とする。
本発明は、太陽光を反射する反射層と、赤外線を放射する赤外線放射層とを積層してなり、前記赤外線放射層はシリコーン材料で構成される可撓性熱制御材料である。
上記可撓性熱制御材料において、前記赤外線放射層は、シリコーン材料で構成されるシリコーン層と、粘着剤層とを備え、前記粘着剤層は、前記シリコーン層と前記反射層との間に設けられることが好ましい。
上記可撓性熱制御材料において、前記粘着剤層は、シリコーン系粘着剤層であることが好ましい。
上記可撓性熱制御材料においては、前記反射層において、前記赤外線放射層が積層された面とは反対側の面に、支持層を更に積層してなることが好ましい。
上記可撓性熱制御材料においては、前記赤外線放射層において、前記反射層が積層された面とは反対側の面に、保護層を更に積層してなることが好ましい。
上記可撓性熱制御材料において、前記保護層の上に導電層を更に積層してなることが好ましい。
上記可撓性熱制御材料においては、前記反射層において、前記赤外線放射層が積層された面とは反対側の面に、酸化防止層を更に積層してなることが好ましい。
上記可撓性熱制御材料において、前記酸化防止層は、前記反射層と前記支持層との間に設けられることが好ましい。
上記可撓性熱制御材料において、接合層又は締結部材により被着体の表面に固定されることが好ましい。
上記可撓性熱制御材料において、前記被着体は宇宙空間で使用されるロケット又は人工衛星の推進薬タンクであることが好ましい。
上記可撓性熱制御材料において、前記推進薬タンクは液体水素タンクであることが好ましい。
上記可撓性熱制御材料において、前記被着体の表面はポリイソシアヌレートフォーム(PIF)断熱層又はポリイミド発泡体断熱層のいずれか一方又はこれらの積層体の断熱層であることが好ましい。
上記可撓性熱制御材料において、前記被着体の表面がポリイソシアヌレートフォーム(PIF)断熱層又はポリイミド発泡体断熱層のいずれか一方又はこれらの積層体にガス抜き用溝を有することが好ましい。
本発明は、太陽光吸収率(α)等の光学特性が良好な可撓性熱制御材料を提供することができる、という効果を奏する。
図1は、実施例1に係る可撓性熱制御材料の構成例を示す模式断面図である。 図2−1は、実施例2に係る可撓性熱制御材料の構成例を示す模式断面図である。 図2−2は、実施例2に係る他の可撓性熱制御材料の構成例を示す模式断面図である。 図3は、実施例3に係る可撓性熱制御材料の構成例を示す模式断面図である。 図4は、実施例4に係る可撓性熱制御材料の構成例を示す模式断面図である。 図5は、実施例5に係る可撓性熱制御材料の構成例を示す模式断面図である。 図6は、実施例6に係る可撓性熱制御材料の構成例を示す模式断面図である。 図7は、可撓性熱制御材料を被着体へ施工する一例を示す模式図である。 図8は、図7におけるA部分を拡大した拡大模式断面図である。 図9は、図7におけるA部分を拡大した拡大模式断面図である。 図10は、図7におけるA部分を拡大した拡大模式断面図である。 図11は、ロケットの模式図の一例を示す図である。 図12−1は、可撓性熱制御材料を液体水素タンクに施工した長手方向の断面図である。 図12−2は、図12−1のA−A線断面図である。 図13は、本実施例の他の可撓性熱制御材料を液体水素タンクに施工した断面図である。
以下、添付した図面を参照して、本発明について説明する。なお、以下の実施形態又は実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態又は実施例における構成要素には、当業者が置換可能であって置換容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。
図1は、実施例1に係る可撓性熱制御材料の構成例を示す模式断面図である。図1に示すように、本実施例に係る可撓性熱制御材料10Aは、反射層12と赤外線放射層13とを有している。図1の例において、反射層12は被着体側(図中下側)に設けられており、反射層12の外側(図中上側)に赤外線放射層13が設けられている。すなわち、図示の例においては、反射層12は、被着体である機体側20に設けられており、赤外線放射層13は、宇宙空間側21の表面として設けられている。すなわち、この例では、赤外線放射層13が、宇宙空間に晒される層となる。
<反射層>
反射層12は、高反射性材料層であることが好ましい。それにより太陽光を反射することで、機体への入熱を低減することが可能となる。ここで、高反射性材料層とは、高反射性金属と称される材料等で構成された層である。そのような高反射性金属の具体例としては、例えば、銀(Ag)、アルミニウム(Al)、及び金(Au)等を挙げることができるが、これらに限定されない。また高反射性材料層としては、金属元素の単体のみならず、合金、化合物、それらの複合材料等を使用することができる。
<赤外線放射層>
赤外線放射層13は、反射層12で反射された太陽光を宇宙空間に放射する機能を有する層である。宇宙空間においては、酸素のない真空状態となるため、熱移動媒体を必要としない輻射による熱移動が支配的となる。機体側20の熱は、赤外線放射率が大きいほど、宇宙空間へ放射されやすい。したがって、赤外線放射層13では、太陽光波長域の吸収が小さく、且つ、赤外線の放射率が大きい程、機体の温度上昇を抑制することができる。
赤外線放射層13は、シリコーン樹脂などのシリコーン材料で構成される層である。このシリコーン材料としては、シロキサン結合(Si−O−Si)を主骨格とする高分子物質、例えばシリコーン樹脂、シリコーンゴム、シルセスキオキサン等も含む。ここで、ケイ素(Si)の両端に有機基を含むものとして、シリコーン樹脂、シリコーンゴム等があり、ケイ素(Si)の片端に有機基、片端に酸素を含むものとして、シルセスキオキサンがある。
このシリコーン材料を赤外線放射層13として使用することにより、太陽光を反射層12に入射させるのに十分な透明性を確保し、且つ、可撓性熱制御材料の熱を宇宙空間に放射させる放射性を確保することができる。またシリコーン材料は、耐放射線性、耐原子状酸素性に優れているため、シリコーン材料を赤外線放射層13として使用することにより、宇宙環境による性能低下を起こし難い可撓性熱制御材料を実現することができる。
赤外線放射層13の厚さは、50μm以上150μm以下であることが好ましい。この範囲において、太陽光吸収率(α)と全半球赤外線放射率(ε)とのバランスが良好となる。
上記構成によれば、太陽光吸収率(α)が0.2以下であり、全半球赤外線放射率(ε)が0.8以上であるバランスのよい可撓性熱制御材料を実現することができる。尚、熱設計上許容されるのであれば、機体の温度上昇の抑制効果は低下するが、赤外線放射層13の厚さを50μm未満とすることもできる。
また耐放射線性、耐原子状酸素性に優れたシリコーン材料を赤外線放射層として使用することにより、熱制御材料(熱制御皮膜)全体としての耐放射線性、耐原子状酸素性を向上させることができ、宇宙環境で性能低下を起こし難い、可撓性熱制御材料を提供することができる。
また上記構成によれば、被着体である各種構造物との接合も良好な可撓性熱制御材料を提供することができる。またシート状の可撓性熱制御材料を芯材に巻き取り、ロール成形体とすることによって、円筒形の外形を有する被着体への施工が容易となる。
図2−1は、実施例2に係る可撓性熱制御材料の構成例を示す模式断面図である。図2−1に示すように、本実施例における可撓性熱制御材料10B−1の赤外線放射層13は、シリコーン層13aと粘着剤層13bとを備えている。粘着剤層13bは、シリコーン層13aと反射層12との間に設けられて、両層を接合する層である。本実施例においては、実施例1と同様の構成については同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
シリコーン層13aは、シリコーン樹脂などのシリコーン材料を成分とする層である。シリコーン層13aを赤外線放射層13として使用することにより、太陽光を反射層12に入射させるのに十分な透明性を確保し、且つ、太陽光の熱エネルギーを宇宙空間に放射させる放射性を確保することができる。またシリコーン材料は、耐放射線性、耐原子状酸素性に優れているため、シリコーン材料を含むシリコーン層13aを赤外線放射層13として使用することにより、宇宙環境による性能低下を起こし難い可撓性熱制御材料10B−1を実現することができる。
粘着剤層13bは、シリコーン系粘着剤で構成されることが好ましい。シリコーン層13aとの粘着性、宇宙空間における耐熱性、耐放射線性、耐原子状酸素性等に優れるためである。
シリコーン系粘着剤とは、シリコーンをベースとする粘着剤である。付加反応型、過酸化物硬化型のいずれを使用してもよい。
なお、シリコーン層13a及び粘着剤層13bは、いずれもシロキサン結合を主骨格とする高分子物質を材料としている点で共通しており、両層は別体として構成してもよく、一体として構成してもよい。図1の例では一体として、図2の例では別体として構成している。
粘着剤層13bの厚さは、例えば、赤外線放射層13全体の厚さが50μm以上300μm以下であるときに、10μm以上100μm以下である。
上記構成によれば、太陽光吸収率(α)及び全半球赤外線放射率(ε)のバランスが取れた可撓性熱制御材料を提供することができる。また粘着剤層をシリコーン系粘着剤層とすることにより、シリコーン材料製の赤外線放射層の特性である、太陽光吸収率(α)、全半球赤外線放射率(ε)、耐放射線性、耐原子状酸素性を阻害せず、赤外線放射層と、反射層とを良好に接合することができる。
図2−2は、実施例2に係る他の可撓性熱制御材料の構成例を示す模式断面図である。図2−2に示すように、本実施例における可撓性熱制御材料10B-2の赤外線放射層13は、シルセスキオキサン層13cが、反射層12の外側(図中上側)に設けられている。
シルセスキオキサン層13cを赤外線放射層13として使用することにより、太陽光を反射層12に入射させるのに十分な透明性を確保することができる。よって、またシルセスキオキサン層13cを赤外線放射層13として使用することにより、宇宙環境による性能低下を起こし難い可撓性熱制御材料10B−2を実現することができる。
シルセスキオキサン層13cは反射層12に塗布して、例えば紫外線硬化又は熱硬化等により被覆層を形成できる。なお、シルセスキオキサン層13cの塗布厚さは10μm以下とすることができ、太陽光吸収率(α)は0.1以下であり、低コスト化を実現することができる。
また、シルセスキオキサン層13cを形成するのは、耐原子状酸素性がシリコーン材料の中で高いこと及びタックが無いことで好ましいものとなる。
図3は、実施例3に係る可撓性熱制御材料の構成例を示す模式断面図である。図3に示すように、可撓性熱制御材料10Cは、実施例2に係る可撓性熱制御材料10B−1において、反射層12の赤外線放射層13が積層された面とは反対側の面に、酸化防止層14を更に積層してなる。換言すれば、反射層12の下側(図中下側)、すなわち可撓性熱制御材料10cで被覆される構造物の機体側20に、酸化防止層14を更に備えている。本実施例においては、実施例1又は実施例2と同様の構成については同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
酸化防止層14は、例えば、ニッケル基超合金(インコネル等)、クロム、ニッケル、金(アルミ表面に蒸着)等で構成できる。なかでも酸化防止性、耐食性の観点から、ニッケル基超合金が特に好ましい。
上記構成によれば、宇宙空間における原子状酸素による酸化防止効果を一層向上させることができる。なお、本実施例の構成に加えて、支持層を設ける場合は、酸化防止層を、反射層と支持層との間に設けることが好ましい。
図4は、実施例4に係る可撓性熱制御材料の構成例を示す模式断面図である。図4に示すように、可撓性熱制御材料10Dは、実施例1に係る可撓性熱制御材料10Aにおいて、反射層12の赤外線放射層13が積層された面とは反対側の面に、支持層15を更に積層してなる。すなわち、反射層12の下側(図中下側)、すなわち可撓性熱制御材料10Dで被覆される構造物(被着体)側に、支持層15を更に備えている。
可撓性熱制御材料を被着体へ施工する際に、引張力等が負荷されると、赤外線放射層13や反射層12にクラックが発生する場合がある。支持層15は、このようなクラック発生を抑制する機能と効果を有する。支持層15により可撓性熱制御材料10D全体の剛性や強度が向上するためである。
支持層15としては、強度、耐熱性の観点からポリイミド樹脂などのポリイミド系材料を使用することが好ましい。或いはPET(ポリエチレンテレフタレート)等のポリエステル材料等のクラック発生を抑制する機能と効果を有する材料を使用するようにしてもよい。
上記構成により、加工しやすい適度な剛性や強度を付与することができる。このため、ロケットや人工衛星等の構造物(機体)への貼着や接合などの際に、反射層12におけるクラック発生を抑制することができる。
図5は、実施例5に係る可撓性熱制御材料の構成例を示す模式断面図である。図5に示すように、可撓性熱制御材料10Eは、実施例4に係る可撓性熱制御材料10Dにおいて、赤外線放射層13の反射層12が積層された面とは反対側の面に、保護層16を更に積層してなる。すなわち、赤外線放射層13の上側(図中上側)、すなわち宇宙空間側21に、保護層16を更に備えている。
保護層16は、タック(べたつき)性が高いシリコーン材料の表面を覆うことにより、可撓性熱制御材料10Eの表面汚染を防止する機能及び効果を有する。例えば、可撓性熱制御材料をロケットに適用する場合、ロケットの推進薬タンクが被着体となり、ロケットの推進薬タンクの外表面が、可撓性熱制御材料で被覆される。この場合、保護層16をシリコーン材料層の表面に設けることによって、施工時からロケット発射前までの可撓性熱制御材料10Eの表面汚染を抑制できる機能及び効果を有する。
保護層16としては、シリコーン材料の中でも耐原子状酸素性が更に高い、シルセスキオキサンで構成することが好ましい。可撓性熱制御材料の表面をシルセスキオキサンで被覆(コーティング)することにより、一層高い耐原子状酸素性を得ることができる。
図6は、実施例6に係る可撓性熱制御材料の構成例を示す模式断面図である。図6に示すように、可撓性熱制御材料10Fは、実施例5に係る可撓性熱制御材料10Eにおいて、保護層16の上に導電層17を更に積層してなる。すなわち、保護層16の表面上、すなわち宇宙空間側21の最表面に、導電層17を更に備えている。
導電層17は、放電による可撓性熱制御材料10Fの損傷を抑制する機能及び効果を有する。また導電層17は、反射層12へ太陽光を入射させる程度の透明性を有する透明導電層であることが好ましい。
導電層17としては、ITO(Indium Tin Oxide:インジウム錫酸化物)、ATO(Antimony Tin Oxide:アンチモン錫酸化物)、NbをドープしたTiO(二酸化チタン)等の導電性を有する金属化合物材料、或いはカーボンナノチューブ等のカーボン系材料を使用することができる。
上記構成により、放電による損傷リスクを軽減した可撓性熱制御材料を提供することができる。
<可撓性熱制御材料の適用例(1)>
図7は、可撓性熱制御材料を被着体へ施工する一例を示す模式図である。図示の例においては、被着体は、ロケットの推進薬タンク(例えば、液体水素タンク)である。図8〜図10は、図7におけるA部分を拡大した拡大模式断面図である。
図7に示す積層体の例では、液体水素タンクなどの推進薬タンク30は、そのタンク本体30aの表面が、実施例4に係る可撓性熱制御材料10Dで被覆されている。ここで、推進薬タンク表面には、ポリイソシアヌレートフォーム(PIF)断熱層(以下「PIF断熱層」という)31が形成され、この表面に可撓性熱制御材料10Dが施工されている。
図8は、図7における推進薬タンク表面すなわちPIF断熱層31と可撓性熱制御材料10Dとの関係を詳細に説明する図である。図8に示すように、支持層15上に反射層12を積層し、更にその表面上に赤外線放射層13を積層した可撓性熱制御材料10Dは、接合層18を介して、PIF断熱層31上に貼着され、タンク本体30aを覆っている。
接合層18は、例えば、粘着剤又は接着剤により構成される層である。粘着剤又は接着剤としては、宇宙空間のような真空環境でガスを発生させ難いものが好ましい。
本実施形態では、接合層18により可撓性熱制御材料10Dを液化水素タンク表面のPIF断熱層31に接合させているが、可撓性熱制御材料10Dは、締結部材により液化水素タンク表面に接合させることも可能である。締結部材としては、例えば、部品と部品を締めつけ固定するためのファスナを用いることができる。ファスナとしては、例えばリベット等を使用することができる。
図9は、図8におけるPIF断熱層31の代わりに、ポリイミド発泡体断熱層41を用いて可撓性熱制御材料10(10A〜10F)を接合層18により設けたものである。ポリイミド発泡体断熱層41は、気泡がオープンセル構造の発泡体であり、真空断熱効果を発揮するものとなる。ポリイミド発泡体断熱層41の厚さは、例えば10〜50mm程度とするのが好ましい。
図10は、図8におけるPIF断熱層31とポリイミド発泡体断熱層41との2層の積層体構造の断熱層42の上に可撓性熱制御材料10(10A〜10F)を設けたものである。
ポリイミド発泡体断熱層41は、気泡がオープンセル構造の発泡体であり、真空断熱効果を発揮するものとなる。PIF断熱層31とポリイミド発泡体断熱層41との2層の断熱層42の厚さは、例えば10〜50mm程度とするのが好ましい。
本実施例では、PIF断熱層31をタンク本体30a側としているが、ポリイミド発泡体断熱層41側をタンク本体30a側としてその上層にPIF断熱層31を設けるようにしてもよい。
<可撓性熱制御材料の適用例(2)>
図11は、ロケットの模式図の一例を示す図である。図11に示すように、推進薬タンクである液体水素タンク51の頭部側には台座52を介して衛星53が設けられている。液体水素タンク51の後方側にはロッド54を介して液体酸素タンク55が設けられ、エンジン56側に供給している。
図12−1は、可撓性熱制御材料を液体水素タンクに施工した長手方向の断面図であり、図12−2は図12−1のA−A線断面図である。
本実施例では、液体水素タンク51の表面に、PIF断熱層31が形成されており、このPIF断熱層31の表面に、前述した実施例に係る可撓性熱制御材料10(10A〜10F)が被覆されている。なお、可撓性熱制御材料10(10A〜10E)は実施例1乃至6と同一であるので、その説明は省略する。
また、本実施例では、このPIF断熱層31の軸方向に亙ってガス抜き用溝32が形成されており、PIF断熱層31で発生する出ガス(例えば低分子成分)33のガス抜きを行うようにしている。
これにより、PIF断熱層31の表面に形成される可撓性熱制御材料10(10A〜10E)や衛星53に対して、出ガス33による蒸着等の悪影響を抑制するようにし、衛星53を保護するようにしている。
図13は、本実施例の他の可撓性熱制御材料を液体水素タンクに施工した断面図である。
本実施例では、液体水素タンク51のタンク本体30aの表面に、PIF断熱層31とポリイミド発泡体断熱層41との2層構造の断熱層42が形成されており、この2層構造の断熱層42の表面に、前述した実施例に係る可撓性熱制御材料10(10A〜10E)が被覆されている。
また、本実施例では、このPIF断熱層31とポリイミド発泡体層41との界面には、軸方向に亙ってガス抜き用溝32が連続して形成されており、断熱層42で発生する出ガス(例えば低分子成分)のガス抜きを行うようにしている。なお、PIF断熱層31とポリイミド発泡体断熱層41との接合面を略歯車構造として、ガス抜き用溝32を形成するようにしているが、本発明はこれに限定されるものではない。
上記の如く、本発明に係る可撓性熱制御材料で、ロケット推進薬タンクの外表面を被覆することにより、PIF断熱層のみでは不十分であった宇宙空間における断熱を好適に実現しうる。従来、ロケットや人工衛星など、宇宙空間で使用される構造物は、PIF断熱層により外部からの入熱を防ぎ、推進薬である液体水素の蒸発を防いでいたが、無酸素の真空状態となる宇宙空間では太陽光の輻射入熱が支配的となり、PIF断熱層のみでは十分な断熱性能を得ることができない。本発明に係る可撓性熱制御材料で、PIF表面を更に被覆することにより、宇宙空間における輻射入熱の問題を抑制して断熱性能を向上させることができる。
10(10A〜10F) 可撓性熱制御材料
12 反射層
13 赤外線放射層
14 酸化防止層
15 支持層
16 保護層
17 導電層
18 接合層
20 機体側(被着体側)
21 宇宙空間側
30 推進薬タンク(被着体)
31 PIF断熱層
41 ポリイミド発泡体断熱層

Claims (14)

  1. 太陽光を反射する反射層と、
    前記反射層に積層され、赤外線を放射する赤外線放射層とからなり、
    前記赤外線放射層は、シルセスキオキサン層で構成されると共に、
    前記赤外線放射層において、前記反射層が積層された面とは反対側の面に、保護層を更に積層してなり、且つ
    前記保護層は、シルセスキオキサン層で構成される可撓性熱制御材料。
  2. 前記反射層において、前記赤外線放射層が積層された面とは反対側の面に、支持層を更に積層してなる請求項1に記載の可撓性熱制御材料。
  3. 前記反射層において、前記赤外線放射層が積層された面とは反対側の面に、酸化防止層を更に積層してなる請求項1または2に記載の可撓性熱制御材料。
  4. 前記反射層において、前記赤外線放射層が積層された面とは反対側の面に、酸化防止層を更に積層してなると共に、
    前記酸化防止層は、前記反射層と前記支持層との間に設けられる請求項に記載の可撓性熱制御材料。
  5. 接合層により被着体の表面に固定されるものである請求項1からのいずれか1つに記載の可撓性熱制御材料。
  6. 締結部材により被着体の表面に固定されるものである請求項1からのいずれか1つに記載の可撓性熱制御材料。
  7. 前記被着体が宇宙空間で使用されるロケット又は人工衛星の推進薬タンクである請求項5または6に記載の可撓性熱制御材料。
  8. 前記推進薬タンクが液体水素タンクである請求項に記載の可撓性熱制御材料。
  9. 前記被着体の表面に、ポリイソシアヌレートフォーム(PIF)断熱層又はポリイミド発泡体断熱層のいずれか一方又はこれらの積層体の断熱層を有する請求項からいずれか1つに記載の可撓性熱制御材料。
  10. ポリイソシアヌレートフォーム(PIF)断熱層又はポリイミド発泡体断熱層のいずれか一方又はこれらの積層体に、ガス抜き用溝を有する請求項に記載の可撓性熱制御材料。
  11. 推進薬タンク本体の表面に請求項1からのいずれか1つに記載の可撓性熱制御材料を固定してなる推進薬タンク。
  12. 前記推進薬タンク本体が液体水素タンク本体である請求項11に記載の推進薬タンク。
  13. 前記推進薬タンク本体の表面に、ポリイソシアヌレートフォーム(PIF)断熱層又はポリイミド発泡体断熱層のいずれか一方又はこれらの積層体の断熱層を有する請求項11または12に記載の推進薬タンク。
  14. ポリイソシアヌレートフォーム(PIF)断熱層又はポリイミド発泡体断熱層のいずれか一方又はこれらの積層体に、ガス抜き用溝を有する請求項13に記載の推進薬タンク。
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