FR3074540A1 - Dispositif ameliore de serrage de protections thermiques pour divergent de moteur fusee - Google Patents
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Abstract
Ensemble pour divergent de moteur fusée, comportant un divergent de moteur de fusée présentant une paroi extérieure et un axe de révolution, une pluralité de blocs de protection thermique en matériau thermiquement isolant, configurés pour être disposés contre la paroi extérieure, au moins un câble (10) comportant deux extrémités (10a, 10b) et configuré pour être enroulé autour d'une circonférence du divergent de manière à plaquer la pluralité de blocs de protections thermiques contre la paroi extérieure, le câble (10) ayant un coefficient de dilatation thermique inférieur à celui du divergent, suivant sa circonférence, un dispositif de serrage (20) configuré pour maintenir les deux extrémités (10a, 10b) dudit au moins un câble (10) en vis-à-vis ; l'ensemble comportant en outre au moins une réserve de câble (40), à travers laquelle le câble (10) peut passer en coulissant, et configurée pour contraindre une portion du câble (10) à suivre un trajet prédéterminé présentant une certaine longueur ; la réserve de câble (40) étant réalisée de telle sorte que, lorsque la température augmente, ladite longueur augmente également, mais dans une moindre proportion que la longueur de la circonférence du divergent.
Description
DOMAINE DE L'INVENTION [0001] L'invention se rapporte au domaine des lanceurs spatiaux, et plus particulièrement des divergents équipant les moteurs des lanceurs spatiaux.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE [0002] Les divergents se trouvent soumis à des flux thermiques extrêmement importants qui risquent de leur faire atteindre des températures particulièrement élevées, et, par suite, risquent de compromettre leur intégrité mécanique, de sorte qu'il est indispensable de prévoir des dispositifs de protection thermique pour protéger les divergents.
[0003] Ces dispositifs de protection thermique sont généralement disposés autour du divergent, et pressés contre une face externe de celui-ci à l'aide de câbles de maintien. Pour assurer une protection thermique suffisante, il est nécessaire que les protections thermiques restent suffisamment serrées contre le divergent tout au long du vol. Par conséquent, les câbles permettant le serrage des protections thermiques doivent rester suffisamment tendus, quelles que soient les sollicitations thermiques existant au cours de vol. Les câbles ne doivent toutefois pas être excessivement tendus afin de ne pas endommager les protections thermiques et/ou solliciter de manière inacceptable le divergent. Par ailleurs, ces câbles doivent être en un matériau résistant aux fortes sollicitations thermiques en vol, afin de conserver leurs propriétés mécaniques, et donc assurant un serrage suffisant des protections thermiques pendant toute la durée du vol. Or, les coefficients de dilatation thermique des câbles et du divergent sont différents les uns des autres. De même, les températures des câbles et du divergent peuvent varier fortement durant la phase de vol. En début de vol par exemple, le divergent chauffe plus vite que les câbles, ce qui a pour conséquence d'augmenter le serrage des câbles. En cours de vol, les câbles peuvent être plus chauds que le divergent. Néanmoins, le coefficient de dilatation thermique des câbles étant très faible par rapport à celui du divergent, la dilatation du divergent reste plus importante que celle des câbles, de sorte que le serrage de ces derniers augmente également. Par conséquent, en cas de forts gradients thermiques, lorsque la dilatation du divergent est plus importante que celle du ou des câbles, ces derniers sont susceptibles de rompre. Il existe donc un besoin pour un dispositif permettant d'assurer un serrage suffisant des protections thermiques, quelles que soient les sollicitations thermiques.
PRESENTATION DE L’INVENTION [0004] Le présent exposé concerne un ensemble pour divergent de moteur fusée, comportant :
- un divergent de moteur de fusée présentant une paroi extérieure et un axe de révolution,
- une pluralité de blocs de protections thermiques en matériau thermiquement isolant, configurés pour être disposés contre la paroi extérieure,
- au moins un câble comportant deux extrémités et configuré pour être enroulé autour d'une circonférence du divergent de manière à plaquer la pluralité de blocs de protections thermiques contre la paroi extérieure, le câble ayant un coefficient de dilatation thermique inférieur à celui du divergent, suivant sa circonférence,
- un dispositif de serrage configuré pour maintenir les deux extrémités dudit au moins un câble en vis-à-vis ;
l'ensemble comporte en outre au moins une réserve de câble, à travers laquelle le câble peut passer en coulissant, et configurée pour contraindre une portion du câble à suivre un trajet prédéterminé présentant une longueur donnée ; la réserve de câble étant réalisée de telle sorte que, lorsque la température augmente, ladite longueur augmente également, mais dans une moindre proportion que la longueur de la circonférence du divergent.
[0005] Les blocs de protection thermique peuvent être constitués de différents types de matériaux thermiquement isolants. Ils peuvent être répartis sur la paroi extérieure du divergent, en étant disposés les uns contre les autres, de sorte à recouvrir au moins en partie la surface de la paroi extérieure, de préférence la totalité de cette surface. Pour optimiser leur fonction de protection thermique, et résister aux sollicitations dynamiques en cours de vol, ces blocs doivent être plaqués contre la paroi extérieure du divergent. Ceci est possible grâce à au moins un câble enroulé autour de la paroi extérieure du divergent, de manière à effectuer au moins un tour de la circonférence de celui-ci. De cette manière, les blocs de protection thermique sont pris en sandwich entre la paroi extérieure du divergent et le au moins un câble. Le câble peut avoir une section circulaire ou toute autre forme.
[0006] Pour assurer le serrage des blocs de protection thermique contre la paroi extérieure du divergent, le câble doit être suffisamment tendu. Ceci est possible grâce au dispositif de serrage. Le câble est enroulé autour du divergent de sorte que ses deux extrémités soient en vis-à-vis, à proximité l'une de l'autre, après avoir été enroulée en faisant un ou plusieurs tours autour du divergent. Les deux extrémités du câble sont alors maintenues dans cette position par le dispositif de serrage. Le dispositif de serrage peut être tout système permettant le blocage des deux extrémités du câble et le maintien du serrage du câble autour du divergent, par exemple un système comportant des plaques prenant les extrémités du câble en sandwich, ou autre.
[0007] Par réserve de câble, on comprend un dispositif réalisé de telle sorte que le câble suit un trajet prédéterminé au sein de la réserve. En d'autres termes, au sein de la réserve de câble, celui-ci ne suit pas la circonférence du divergent de manière rectiligne, mais peut être enroulé ou plié de telle sorte à former de va et viens de part et d'autre de la réserve de câble. La longueur du câble sur ce trajet prédéterminé au sein de la réserve de câble est par conséquent supérieure à la longueur que le câble aurait eue en l'absence de réserve de câble, s'il avait été simplement enroulé autour du divergent sur toute sa circonférence.
[0008] La longueur du câble, du fait de la présence de la réserve de câble, permet à celui-ci de se dilater suffisamment pour accompagner la dilatation du divergent. Ceci est rendu possible par le fait que le câble est libre de coulisser le long de son trajet prédéterminé à l'intérieur de la réserve de câble, et peut donc accompagner l'augmentation de la circonférence du divergent sous l'effet des sollicitations thermiques. Plus précisément, le câble a un coefficient de dilatation thermique inférieur au coefficient de dilatation thermique du divergent. Par conséquent, quand la température augmente en l'absence de réserve de câble, le câble se trouve très serré autour du divergent. En revanche, en présence de la réserve de câble, le câble peut coulisser le long de son trajet prédéterminé lorsque le divergent se dilate sous l'effet d'une augmentation de température. Cela permet un équilibrage des tensions entre le divergent et la réserve ; ainsi la tension finale est moindre que s'il n'y avait pas de réserve de câble.
[0009] La présence de la réserve de câble permet donc d'assurer un serrage du câble suffisant autour du divergent soumis à de fortes fluctuations thermiques, en limitant ou en évitant le risque de rupture du câble.
[0010] Dans certains modes de réalisation, le trajet prédéterminé comporte au moins un aller-retour ou une boucle entre deux appuis de la réserve de câble ; et le coefficient de dilatation thermique moyen de la réserve de câble mesuré d'un appui à l'autre est inférieur au coefficient de dilatation thermique de la circonférence du divergent.
[0011] Les appuis peuvent être des plots usinés dans la réserve de câble, autour desquels le câble peut passer le long de son trajet prédéterminé, et contre lesquels il peut prendre appui lorsque celuici est tendu. Ainsi, le long de son trajet prédéterminé, le câble contourne un premier appui dans un sens, puis contourne un deuxième appui dans un sens opposé, effectuant ainsi un aller-retour. Le coefficient de dilatation thermique de la portion de câble disposée entre deux appuis est inférieur au coefficient de dilatation thermique de la circonférence du divergent. Ainsi, le nombre d'aller-retours du câble dans la réserve de câble peut être déterminé de manière à obtenir un serrage optimal du câble autour du divergent permettant d'assurer un serrage suffisant autour de celui-ci en cas de fortes augmentations de température, tout en limitant ou en évitant la détérioration des protections thermiques et du divergent.
[0012] Dans certains modes de réalisation, les appuis ont une forme inscrite dans un cylindre et sont configurés pour que le câble passe contre ceux-ci le long de son trajet prédéterminé.
[0013] La réserve de câble peut avoir la forme d'une plaque, et les appuis peuvent être des cylindres faisant saillie depuis la plaque. De manière alternative, la réserve de câble peut comporter deux plaques séparées l'une de l'autre par les appuis cylindriques, le câble passant contre ces appuis entre les deux plaques. Dans ce cas, une extrémité des appuis cylindriques est fixée à la première plaque, et l'extrémité opposée des appuis cylindriques est fixée à la deuxième plaque. Selon cette alternative, le câble passe entre les deux plaques le long de son trajet prédéterminé en contournant les appuis cylindriques. La présence de ces deux plaques permet d'empêcher le câble de s'extraire de la réserve de câble, en glissant le long d'un appui cylindrique par exemple. Lorsque la réserve de câble comporte deux appuis cylindriques, ces derniers peuvent être disposés chacun à une extrémité distale de la plaque. Ainsi, le long de son trajet prédéterminé, le câble contourne un premier appui disposé à une extrémité de la plaque, puis contourne un deuxième appui disposé à l'extrémité opposée, en prenant appui contre ces appuis, et réalisant ainsi un aller-retour. Les appuis cylindriques présentent l'avantage d'être facile à réaliser, et permettent au câble de coulisser contre ceux-ci lorsqu'il se dilate, sans se détériorer.
[0014] Dans certains modes de réalisation, le câble est en fibres de carbone.
[0015] Ce matériau présente l'avantage de conserver une raideur importante à des températures élevées, par exemple 1700 K.
[0016] Dans certains modes de réalisation, la réserve de câble est en carbone.
[0017] La réserve de câble, c'est-à-dire la ou les plaques qu'elle comporte et les appuis cylindriques, sont en carbone. L'emploi de carbone permet à la réserve de câble de résister aux fortes sollicitations thermiques en vol. Par ailleurs, la réserve de câble peut ainsi se dilater dans les mêmes proportions que le câble en fibres de carbone.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS [0018] L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée faite ci-après de différents modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. Cette description fait référence aux pages de figures annexées, sur lesquelles :
- les figures IA et IB représentent schématiquement un ensemble pour divergent de moteur de fusée selon la présente invention ;
- la figure 2 représente schématiquement un câble et une réserve de câble de l'ensemble de la figure 1 ;
- la figure 3 représente schématiquement une réserve de câble de l'ensemble de la figure 1;
DESCRIPTION DETAILLEE D'EXEMPLES DE REALISATION [0019] Un ensemble pour divergent de moteur de fusée selon la présente invention va être décrit en référence aux figures 1 à 3.
La figure IA représente un ensemble comportant un divergent de moteur de fusée 1 ayant une paroi extérieure 2, un ensemble de blocs de protections thermiques 3 répartis sur la paroi extérieure 2 du divergent, et un ensemble de câbles 10 enroulés autour du divergent, et permettant de plaquer les blocs de protections thermiques 3 contre la paroi extérieur 2 du divergent. Dans cet exemple non limitatif, les câbles 10 sont des câbles de section circulaire, dont le diamètre d est compris entre 3 et 10 mm.
[0020] La figure IB représente une coupe partielle de l'ensemble de la figure IA, suivant le plan de coupe IA-IA. Tel que représenté sur les figures IA et IB, l'ensemble comporte plusieurs rangées successives de blocs 3 réparties suivant une direction verticale du divergent 1, contre sa paroi extérieure 2. Chaque rangée de blocs 3 est maintenue et plaquée contre la paroi extérieure 2 par au moins un câble
10. Dans l'exemple de la figure IA, deux câbles sont disposés autour de chaque rangée de blocs 3, mais davantage de câbles peuvent être prévus. Chaque bloc de protection thermique 3 présente une face intérieure 31, configurée pour être disposée contre la paroi extérieure 2 du divergent 1, et une face extérieure 32, opposée à la face intérieure 31. Les blocs de protections thermiques sont en matériau thermiquement isolant. Par exemple et de manière non limitative, les blocs 3 comportent un matériau du type liège expansé, qui lui confère en outre des propriétés satisfaisantes de légèreté, de souplesse et de résistance aux chocs et à l'humidité.
[0021] Le divergent 1 peut comporter en outre une pluralité de raidisseurs 4 qui s'étendent circonférentiellement sur la paroi extérieure 2 ; par exemple et de manière non limitative, les raidisseurs 4 s'étendent de manière sensiblement parallèle les uns aux autres, de manière régulière. Chaque bloc de protection thermique 3 est configuré pour pouvoir être plaqué contre la paroi extérieure 2, malgré la présence des raidisseurs 4. Les blocs 3 comportent par exemple des encoches 33, dans lesquelles les raidisseurs 4 peuvent s'insérer.
[0022] En outre, les blocs de protections thermiques 3 comportent, sur leur face extérieure 32, des gorges 34 s'étendant selon une direction circonférentielle, dans lesquelles les câbles 10 peuvent se loger. Les gorges 34 peuvent s'étendre suivant un plan perpendiculaire à l'axe de révolution du divergent, ou encore de manière inclinée par rapport à cet axe, de sorte que les câbles 10 soient agencés de manière hélicoïdale autour du divergent, lorsqu'ils sont logés dans les gorges 34. Les câbles peuvent ainsi plaquer les blocs 3, et serrer ces derniers contre la paroi extérieure 2, sans risquer de se déplacer le long de la direction verticale du divergent 1 en cours de vol.
[0023] La figure 2 illustre un câble 10 seul avec un dispositif de serrage 20, permettant de serrer le câble 10 autour du divergent 1, et deux réserves de câble 40. Le câble 10 comporte une première extrémité 10a et une deuxième extrémité 10b. Le dispositif de serrage comporte un premier élément de blocage 20a et un deuxième élément de blocage 20b. Le premier élément de blocage 20a permet de bloquer la première extrémité 10a du câble 10, et le deuxième élément de blocage 20b permet de bloquer la deuxième extrémité 10b du câble 10. Ainsi, lorsque le câble 10 est tendu autour du divergent 1, de manière à plaquer et à serrer les blocs 3 contre la paroi extérieure 2, les extrémités 10a et 10b de le câble 10 restent bloqués par le dispositif de serrage 20. Le serrage des câbles 10 peut ainsi être maintenu au cours du vol. Le dispositif de serrage 20 peut être tous systèmes permettant le blocage des deux extrémités du câble 10a et 10b et le maintien du serrage du câble autour du divergent, par exemple un tendeur, ou autre. En outre, le premier et le deuxième élément de blocage 20a, 20b peuvent être fixés et serrés l'un à l'autre par un système de vis/écrous, par exemple, afin de tendre le câble 10 autour du divergent 1.
[0024] La figure 2 illustre deux réserves de câble 40. Néanmoins, des nombres différents sont possibles : une réserve de câble, trois ou plus.
[0025] La figure 3 représente schématiquement une réserve de câble 40 dans une vue perpendiculaire à l'axe de révolution du divergent 1. Ainsi, la direction gauche-droite sur la feuille de la figure 3 correspond à la direction circonférentielle du divergent 1, et la direction bas-haut sur la feuille de la figure 3 correspond à la direction de l'axe de révolution du divergent 1. Par conséquent, dans la suite de l'exposé, les extrémités inférieures et supérieures de la réserve de câble 40, et la partie centrale disposée entre les extrémités inférieures et supérieures, sont considérées suivant l'axe de révolution du divergent 1.
[0026] La réserve de câble 40 comporte une plaque 41 et une pluralité de plots 42 faisant saillie depuis la plaque 41. De manière alternative, la réserve de câble peut comporter deux plaques 41 séparées l'une de l'autre par les plots 42, l'ensemble plaques 41 et plots 42 formant un seul et même bloc. Dans ce cas, une extrémité des plots 42 est fixée à la première plaque 41, et l'extrémité opposée des plots 42 est fixée à la deuxième plaque 41. Selon cette alternative, les plots 42 sont donc pris en sandwich entre les deux plaques 41, le câble 10 passant ainsi entre ces deux plaques 41. La ou les plaques 41 peuvent être en carbone, et les plots 42 peuvent être cylindriques. Lorsque le câble 10 est serré autour du divergent 1, le câble 10 suit la circonférence du divergent 1, comme illustré sur la figure IA, et passe dans la réserve de câble 40, elle-même disposée autour du divergent 1, contre la surface externe de celui-ci (plus exactement, contre la surface des blocs de protections thermiques 3). En passant dans la réserve de câble 40, le câble 10 suit un trajet prédéterminé. Dans cet exemple, un plot 42 est disposé dans la partie centrale de la réserve de câble 40 à chaque extrémité, suivant la direction circonférentielle du divergent 1, de la réserve de câble 40. Le désigne la distance entre ces plots 42 suivant la direction circonférentielle du divergent 1. En outre, dans cet exemple, trois plots 42 sont disposés à l'extrémité inférieure de la réserve de câble 40, et trois plots 42 sont disposés à l'extrémité supérieure de la réserve de câble 40. De préférence, une distance H, suivant l'axe de révolution du divergent 1, entre un plot 42 disposé à l'extrémité inférieure de la réserve de câble 40, et un plot 42 disposé à l'extrémité supérieure de la réserve de câble 40, est comprise entre 40 et 70 mm, de préférence entre 50 et 65 mm, de préférence encore entre 58 et 62 mm.
[0027] Le trajet prédéterminé du câble 10 dans la réserve de câble 40 est donc déterminé par les plots 42. Le câble 10 passe le long de chaque plot 42 en contournant et en prenant appui contre ces derniers. Plus précisément, le câble 10 contourne tout d'abord un plot 42 disposé dans la partie centrale de la réserve de câble 40, puis effectue des allersretours entre l'extrémité inférieure et l'extrémité supérieure de la réserve de câble 40, en contournant successivement les plots sur chacune de ces extrémités. Dans cet exemple, la réserve de câble 40 est configurée de telle sorte que le câble effectue trois allers-retours. Plus généralement, le nombre N d'allers-retours est optimisé de telle sorte que, grâce à la longueur totale importante du câble 10, l'augmentation de la tension du câble 10 reste modérée, ce qui permet d'éviter un serrage excessif du câble 10 en cas de fortes augmentations de température. La longueur du câble 10, du fait de la présence de la réserve de câble 40, et du nombre N d'allers-retours, permet à celui-ci de se dilater suffisamment pour accompagner la dilatation du divergent 1. Ceci est rendu possible par le fait que le câble 10 est libre de coulisser le long des plots 42 à l'intérieur de la réserve de câble 40, et peut donc accompagner l'augmentation de la circonférence du divergent sous l'effet des sollicitations thermiques.
[0028] Le nombre N minimal d'allers-retours et la distance H entre les extrémités de la réserve doivent être calculés en fonction des coefficients de dilatation du divergent, du câble et de la réserve de câble, des températures atteintes dans le divergent et dans la réserve de câble, de la circonférence du divergent, et également en fonction de la tension ou de l'allongement maximal(e) considérée comme admissible pour le câble 10 lorsque ce dernier se dilate avec la température. Dans le cas d'un câble en fibre de carbone par exemple, un allongement de l'ordre de 1% du câble, par rapport à sa longueur initiale à température ambiante, peut provoquer la rupture de celui-ci. Afin d'éviter une telle rupture, une marge de 10% par rapport à l'allongement à rupture du câble 10 peut être fixée. Il est donc nécessaire de déterminer le nombre minimal N minimal d'allers-retours, et la distance H entre les extrémités de la réserve, permettant de conserver un allongement du câble inférieur à 0,90 %, en fonction des paramètres ci-dessus.
[0029] Différents cas de figure sont possibles. Un premier cas de figure correspond à un cas dans lequel le divergent a atteint une température d'équilibre en fonctionnement (environ 1000 K) mais dans lequel les blocs de protections thermiques 3 et les câble 10 n'ont pas encore chauffé. Dans ce cas, pour une distance H = 60 mm, le nombre optimal N d'allers-retours est N = 6. En effet, pour des nombres inférieurs, le câble 10 est étiré par le divergent 1 avec une déformation supérieure à sa déformation à rupture, pouvant provoquer la rupture de celui-ci. Cette valeur de N = 7 permet ainsi d'obtenir au moins 10% de marge par rapport à l'allongement à rupture du câble 10.
[0030] Un deuxième cas de figure correspond à une situation ultérieure dans laquelle le flux thermique chauffe également fortement (à 1500 K par exemple) les blocs de protections thermiques 3 et les câble 10. Dans ce cas, pour une distance H = 60 mm, le nombre N d'allers-retours peut être N = 4 ou plus, afin de conserver au moins 10% de marge par rapport à l'allongement à rupture du câble 10.
[0031] Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.
Claims (5)
1. Ensemble pour divergent de moteur fusée, comportant :
- un divergent (1) de moteur de fusée présentant une paroi extérieure (2) et un axe de révolution,
- une pluralité de blocs de protection thermique (3) en matériau thermiquement isolant, configurés pour être disposés contre la paroi extérieure (2),
- au moins un câble (10) comportant deux extrémités (10a, 10b) et configuré pour être enroulé autour d'une circonférence du divergent (1) de manière à plaquer la pluralité de blocs de protections thermiques (3) contre la paroi extérieure (2), le câble (10) ayant un coefficient de dilatation thermique inférieur à celui du divergent (1), suivant sa circonférence,
- un dispositif de serrage (20) configuré pour maintenir les deux extrémités (10a, 10b) dudit au moins un câble (10) en vis-à-vis ;
l'ensemble étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins une réserve de câble (40), à travers laquelle le câble (10) peut passer en coulissant, et configurée pour contraindre une portion du câble (10) à suivre un trajet prédéterminé présentant une certaine longueur ; la réserve de câble (40) étant réalisée de telle sorte que, lorsque la température augmente, ladite longueur augmente également, mais dans une moindre proportion que la longueur de la circonférence du divergent (1).
2. Ensemble selon la revendication 1, dans lequel le trajet prédéterminé comporte au moins un aller-retour ou une boucle entre deux appuis (42) de la réserve de câble (40) ; et le coefficient de dilatation thermique moyen de la réserve de câble (40) mesuré d'un appui (42) à l'autre est inférieur au coefficient de dilatation thermique de la circonférence du divergent (1).
3. Ensemble selon la revendication 2, dans lequel les appuis (42) ont une forme inscrite dans un cylindre et sont configurés pour que le câble (10) passe contre ceux-ci le long de son trajet prédéterminé.
4. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le câble (10) est en fibres de carbone.
5. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans 5 lequel la réserve de câble (40) est en carbone.
1/2
FIG.1B
FIG.2
2/2
FIG.3
RÉPUBLIQUE FRANÇAISE irai — I INSTITUT NATIONAL
DE LA PROPRIÉTÉ
INDUSTRIELLE
RAPPORT DE RECHERCHE PRÉLIMINAIRE établi sur la base des dernières revendications déposées avant le commencement de la recherche
N° d'enregistrement national
FA 850301
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