月亮女神探月計(jì)劃的有效載荷與科學(xué)探測綜述

鄭永春 鄒永廖 付曉輝,2

(1 中國科學(xué)院國家天文臺,北京 100012)

(2 中國科學(xué)院研究生院,北京 100049)

1 引言

月亮女神探測器于2007年9月14日利用H-IIA火箭成功發(fā)射,2009年6月11日受控撞擊月球表面。該計(jì)劃包括1顆主探測器和2顆子探測器,共配置了15臺(套)有效載荷,開展對月球的綜合性、全球性的普查探測,任務(wù)基本情況參見文獻(xiàn)[1]。該計(jì)劃圍繞月球形貌、表面物質(zhì)組成、磁場、重力場等關(guān)鍵科學(xué)問題,凝練、提出科學(xué)目標(biāo)并配置有效載荷,有效載荷研制在方案設(shè)計(jì)、元器件選型等方面均有所創(chuàng)新,有效載荷的功耗、質(zhì)量、探測精度等技術(shù)指標(biāo)較為先進(jìn)。文章對有效載荷的基本原理、主要技術(shù)指標(biāo)等進(jìn)行了綜述,分析了科學(xué)探測任務(wù)的執(zhí)行情況,提出對我國月球與深空探測科學(xué)目標(biāo)和載荷配置方面的一些建議。

2 科學(xué)目標(biāo)與載荷配置

月亮女神探月計(jì)劃的主要科學(xué)目標(biāo)是[2]:

(1)探索月球和地球的起源,研究月球的形成和演化過程。與地球相比,月球上具備穩(wěn)定的地質(zhì)條件,31億年以來沒有經(jīng)歷過劇烈的地質(zhì)活動(dòng)。因此,通過對月球的探測和研究,不僅有助于理解地球和月球的起源,還有助于揭開太陽系早期的秘密。

(2)觀測月球的空間環(huán)境。地球上有大氣層,而月球上沒有大氣,因此太陽輻射直接照射到月球表面。探測器繞月飛行期間,將探測太陽對月球表面的影響,探測結(jié)果可為未來建立月球基地提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(3)利用月球觀測外太空。月球所在的外太空比地球更有利于進(jìn)行宇宙探測,那里沒有人為的無線電波等干擾,因此從某種意義而言,無論是對地球的觀測還是對廣袤宇宙的探測,月球的觀測條件均比在地球上好。

為實(shí)現(xiàn)預(yù)定科學(xué)目標(biāo),探測器共搭載15臺(套)有效載荷,完成的科學(xué)探測任務(wù)見表1[2]。

表1 科學(xué)目標(biāo)與載荷配置Table1 Science goals and instruments of SELENE mission

3 有效載荷的探測原理、科學(xué)任務(wù)與主要技術(shù)指標(biāo)

3.1 光學(xué)載荷系統(tǒng)

包括3臺高性能的光學(xué)載荷(見圖1,其主要技術(shù)指標(biāo)見表2):地形測繪相機(jī)(TC)[3]、多波段成像儀(M I)、連續(xù)光譜測量儀(SP)。光學(xué)載荷系統(tǒng)首次獲取了全月球立體影像和地形數(shù)據(jù);利用已有探月成果和新獲取的多波段影像數(shù)據(jù)的融合分析,進(jìn)行高空間分辨率的精確地質(zhì)單元?jiǎng)澐?對具有中央峰構(gòu)造的撞擊坑,可以獲得撞擊坑中的巖石和礦物類型的分布信息,研究月球內(nèi)部物質(zhì)組成;通過對月球表面連續(xù)光譜的分析,識別出月表的礦物組成。

圖1 地形測繪相機(jī)、多波段成像儀和連續(xù)光譜測量儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Flight model of the three optical instruments:terrain camera(TC),multiband imager(MI),spect ral profiler(SP),aboard KAGUYA(JAXA)

表2 光學(xué)載荷系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)[4]Table2 Some performances of three optical instruments aboard KAGUYA

地形測繪相機(jī)和多波段成像儀都以推掃成像方式連續(xù)觀測月球表面。對于立體成像觀測,地形測繪相機(jī)有2個(gè)一維探測鏡頭,分別對前視和后視成像(見圖2)。多波段成像儀對星下點(diǎn)進(jìn)行一維成像觀測,通過濾光片獲取9 波段的月表影像(見圖3)[5]。連續(xù)光譜測量儀是安裝于主探測器下方的分光光度計(jì),獲得月球表面的連續(xù)光譜數(shù)據(jù)(見圖4)。

3.2 X射線譜儀

X 射線譜儀(XRS)主要用于探測月表元素受太陽X 射線或宇宙射線激發(fā)產(chǎn)生的X 射線熒光。通過測量太陽光照射下月球表面激發(fā)的X 射線,同時(shí)監(jiān)測入射的太陽X 射線,就可以確定月球表面元素的含量和分布,為月球科學(xué)研究、資源開發(fā)與利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與依據(jù)。其主要科學(xué)目標(biāo)是:獲取高分辨率的全月表主量元素組成(M g、Al、Si、Ca、Ti、Fe等);識別月球典型地質(zhì)單元的巖石類型,建立不同地區(qū)巖石類型的分布模式;獲取月殼的物質(zhì)成分信息,研究月球的起源和演化。除了月球兩極外,XRS可以覆蓋90%的月球表面,元素分布圖的空間分辨率小于20 km,其主要技術(shù)指標(biāo)見表3[6]。

XRS 包括月球X 射線熒光探測器(XRF-A)、太陽X 射線監(jiān)視器(SOL-B)、X 射線熒光定標(biāo)器(SOLC),XRS 結(jié)構(gòu)見圖5[7-8],其中:XRF-A安裝16 片CCD,以達(dá)到高能量分辨率、大面積探測的目的;SOLB 和SOL-C 采用標(biāo)準(zhǔn)樣品標(biāo)定XRS,并同時(shí)監(jiān)測太陽X 射線,達(dá)到對月球表面元素的定量分析。

3.3 伽馬射線譜儀

在銀河宇宙射線的照射下,月球次表層激發(fā)產(chǎn)生中子,中子與月球表面元素發(fā)生相互作用產(chǎn)生伽馬射線,不同目標(biāo)元素產(chǎn)生的伽馬射線具有不同能量特征。月球上的天然放射性同位素在衰變過程中也釋放伽馬射線。伽馬射線譜儀(Gamma-ray S pectrometer,GRS)通過在月球軌道處測量伽馬射線能量,可定量確定月球表面的元素類型和含量。

圖2 地形測繪相機(jī)探測原理示意圖Fig.2 Observation of the SELENE terrain camera(TC)(JAXA)

圖3 多波段成像儀探測原理示意圖Fig.3 Observation of the SELENE multiband imager(MI)(JAXA)

表3 XRS主要技術(shù)指標(biāo)Table3 Specifications of XRS

G RS(見圖6)采用斯特林制冷機(jī)將高純鍺半導(dǎo)體晶體冷卻至-180℃作為主探測器,其能量分辨率比以往月球探測器上的G RS 要高20倍以上(見表4[9-10])。因此G RS可以高精度分辨入射伽馬射線的能量,定量分析月球表面K、U、Th、O、M g、Al、Si、Ti、Fe、Ca、H 等10 種以上元素的分布,探測結(jié)果也將有助于月球資源的探索,尤其是通過氫元素的探測研究月球上的水。

圖5 XRS 結(jié)構(gòu)Fig.5 Schematic view of XRS

圖6 GRS 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic view of GRS (JAXA)

表4 GRS 主要技術(shù)指標(biāo)Table4 Specifications of GRS

3.4 測月雷達(dá)

測月雷達(dá)(LRS)發(fā)射頻率為5M Hz 的雷達(dá)脈沖穿透月球次表層,當(dāng)雷達(dá)波遇到月球次表層的不連續(xù)界面時(shí),將產(chǎn)生次表層的回波信號,通過回波信號的解譯,可以獲取表層和次表層結(jié)構(gòu)信息,測月雷達(dá)測試和射電波測試設(shè)備見圖7[11-12]。

LRS 探測月球表層和次表層結(jié)構(gòu)的原理示意圖見圖8[11-12],LRS的主要技術(shù)指標(biāo)見表5[13],科學(xué)任務(wù)包括:低頻雷達(dá)可以在數(shù)十千米范圍內(nèi)探測月球次表層結(jié)構(gòu),雷達(dá)波的穿透深度可達(dá)數(shù)千米,垂直深度分辨率優(yōu)于100m ;探測結(jié)果除用于研究月球次表層結(jié)構(gòu)特征與分布規(guī)律外,還可以用于研究月球表面的熱演化歷史;在不受任何地球上人為影響和太陽輻射干擾的情況下,測月雷達(dá)還可以觀測探測器繞月軌道處的行星射電波和等離子體波。

3.5 激光高度計(jì)

激光高度計(jì)(LALT)[14-15](見圖9)發(fā)射激光脈沖至月球表面,并精確測量從月球表面反射信號的時(shí)間,根據(jù)發(fā)射信號和接收反射信號之間的時(shí)間延遲(T),可以計(jì)算探測器至月球表面星下點(diǎn)的距離(L),通過長期飛行,可以獲得探測器軌跡下覆蓋全月球的測距數(shù)據(jù),LALT 主要技術(shù)指標(biāo)見表6。

圖7 測月雷達(dá)測試和射電波測試設(shè)備Fig.7 SELENE lunar radar sounder component test at radiow ave test facility(JAXA)

圖8 LRS 探測月球表層和次表層結(jié)構(gòu)的原理示意圖Fig.8 Principle of LRS to detect surface and subsurface structure of the M oon

表5 LRS主要技術(shù)指標(biāo)Table5 Specifications of LRS

圖9 LALT 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic view of LALT(JAXA)

表6 LALT 主要技術(shù)指標(biāo)Table6 Specifications of LALT

如果發(fā)射激光脈沖至收到反射信號經(jīng)歷的時(shí)間為0.666ms,則對應(yīng)于探測器至月球表面星下點(diǎn)的距離為100km。

利用LALT 的全月球測距數(shù)據(jù)可以開展精確的全月球地形高程測繪,獲取月球基本參數(shù)(月球半徑等),精度高于美國1994年克萊門汀號探測器;獲取包括月球南北極在內(nèi)的、覆蓋全月球的地形圖;通過精確的月球重力場(含月球背面)、結(jié)合高精度的地形數(shù)據(jù),研究月球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

3.6 月球磁強(qiáng)計(jì)

月球現(xiàn)在已經(jīng)沒有全球性的偶極磁場,但其在地質(zhì)演化歷史中曾經(jīng)具有全球性磁場(古磁場)。如今月球上的很多地區(qū)存在古磁場導(dǎo)致的剩余磁場異常,這些地區(qū)的巖石剩余磁場強(qiáng)度明顯高于其它地區(qū)。通過對月球磁場的高精度測量,可以獲取大范圍的月球磁場強(qiáng)度分布,研究現(xiàn)在月球剩余磁場異常和古磁場的形成機(jī)制[16]。

月球磁強(qiáng)計(jì)(LMAG)的檢測限為地球磁場強(qiáng)度的1/100 000,探頭通過一根超輕的12m 長的超輕桿伸到主探測器外側(cè),以避免主探測器對磁場測量的干擾(見圖10),LMAG 主要技術(shù)指標(biāo)見表7[17]。

圖10 LMAG 的超輕桿伸展試驗(yàn)Fig.10 Extension test of the mast of LMAG(JAXA)

表7 LMAG主要技術(shù)指標(biāo)Table7 Specifications of LMAG

3.7 帶電粒子譜儀

帶電粒子譜儀(CPS)包括兩種有效載荷:阿爾法射線探測器(ARD)和粒子譜儀(PS)(見圖11),主要技術(shù)指標(biāo)見表8。其中,ARD 的主要任務(wù)是探測月球表面氡(Rn)、釙(Po)等元素衰變發(fā)出的阿爾法射線,研究阿爾法射線的時(shí)間變化,通過與其他月球探測器上的ARD 探測結(jié)果進(jìn)行比較,研究月殼運(yùn)動(dòng);PS的主要任務(wù)是觀測月球附近的太陽輻射和銀河宇宙射線。目的是獲得太陽輻射和銀河宇宙線的基本觀測數(shù)據(jù),為空間宇宙射線預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),從而服務(wù)于載人登月任務(wù)。

圖11 ARD 和PS的照片F(xiàn)ig.11 Photo of the ARD assembly and the PS device(JAXA)

ARD 和PS 采用高能量分辨率的硅半導(dǎo)體晶體探測器,通過多層硅半導(dǎo)體晶體探測器上分別沉積的能量信息識別入射粒子,不僅可以測量入射粒子的能量,而且可以獲得入射粒子的成分信息。

表8 CPS 主要技術(shù)指標(biāo)Table8 Specifications of CPS

3.8 等離子體分析儀

太陽風(fēng)和宇宙射線與月球表面物質(zhì)相互作用,濺射出二次離子。這些離子構(gòu)成了極為稀薄的月球大氣層的主要成分。通過測量月球表面的濺射離子,可以反演月球表面的物質(zhì)成分。等離子體分析儀(PACE)和月球磁強(qiáng)計(jì)(LM AG)相互配合,可以揭示月球等離子體活動(dòng)和月球磁異常相關(guān)性[18]。

PAC E是頂帽型靜電分析儀,入口有角掃描偏轉(zhuǎn)裝置,內(nèi)置環(huán)形極板。包括4個(gè)探測器,分別為2個(gè)電子能譜分析儀(ESA-S1、ESA-S2)、離子質(zhì)量分析儀(IM A)、離子能量分析儀(IEA)(見圖12)。2個(gè)電子能譜分析儀用于測量能量小于15keV/q 的低能電子的一維分布函數(shù),而IMA和IEA用于測量能量小于28keV/q 的低能離子的一維分布函數(shù),PAC E 主要技術(shù)指標(biāo)見表9。

圖12 PACE 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.12 Photo and structure of PACE sensors and their cross sections(JAXA)

表9 PACE主要技術(shù)指標(biāo)Table9 Specification of the PACE

3.9 無線電掩星觀測

由于探測數(shù)據(jù)的缺乏,月球上是否有電離層還存在肯定與否定兩種截然不同的觀點(diǎn)。通過開展無線電掩星觀測,觀測無線電波在可能的月球電離層中傳輸時(shí)的頻率變化,結(jié)合等離子體分析儀的探測結(jié)果,可望回答月球到底有無電離層這一關(guān)鍵科學(xué)問題。

無線電掩星觀測的科學(xué)目標(biāo)主要由V 星完成[19]。V 星發(fā)出的無線電波穿過月球外緣,由臼田町(Usuda)深空地面站接收,開展無線電掩星觀測,進(jìn)一步揭示月球上空的電子層的形成機(jī)制[19]。

3.10 上層大氣和等離子體成像儀

利用上層大氣和等離子體成像儀(UPI),可以從月球軌道觀測地球(見圖13),UPI 主要技術(shù)指標(biāo)見表10。該載荷包括觀測地球等離子層的極紫外望遠(yuǎn)鏡(T EX)、觀測地球極光和大氣環(huán)流全球分布的可見光望遠(yuǎn)鏡(TVIS)。

TEX可以每隔10min 獲得環(huán)繞地球的等離子體的空間分布。通過探測氧離子和氦離子的共振散射輻射,推動(dòng)空間等離子體物理的研究。望遠(yuǎn)鏡的視場分辨率為128×128 像素,相應(yīng)的空間分辨率為500km。

圖13 T EX 和TVIS的視場Fig.13 UPI observes the Earth from an orbit around the Moon(JAXA)

TVIS 采用快速反射式光學(xué)系統(tǒng)和高靈敏CCD對地球上的極光和大氣環(huán)流成像。利用地球上的極光照片,可以定量比較共軛極光的強(qiáng)度和形態(tài)。而利用地球上的大氣環(huán)流影像,可以清晰認(rèn)識大尺度電離層擾動(dòng)的全球傳播。TVIS的視場等于從月球看地球平面的大小,對應(yīng)的地球表面的空間分辨率為30km,通過選擇濾波器可以對地球進(jìn)行不同波段的觀測。

表10 UPI 主要技術(shù)指標(biāo)Table10 Specifications of UPI

TEX 和TVIS 安裝在特殊的兩軸常平座上,主動(dòng)軸和傳動(dòng)軸分別正好抵消衛(wèi)星和月球的移動(dòng),使望遠(yuǎn)鏡可以始終對準(zhǔn)地球。只有當(dāng)主探測器位于月球的陰影中,且可以看到地球時(shí),UPI 才開展對地觀測。

3.11 空間四路多普勒測量

通過對繞月探測器軌道擾動(dòng)的精確測量,可以獲得月球的重力場分布,進(jìn)而研究月球內(nèi)部高密度物質(zhì)(質(zhì)量瘤)的分布。S ELENE 計(jì)劃利用R 星和主探測器,開展空間四路多普勒測量,可以獲得月球背面重力場的探測結(jié)果。通過跟蹤V 星上的射電源,進(jìn)行差分V LBI 觀測,可以精密測定V 星的軌道,提高月球重力場的反演精度[20]。

利用中繼星開展月球背面的多普勒測量尚屬首次。在軌運(yùn)行期間,利用V 星可以獨(dú)立獲得低階月球重力場,再通過R 星、V 星和主探測器上的異頻雷達(dá)收發(fā)機(jī)之間的空間四路多普勒測量,可以把月球重力場系數(shù)的精度提高到30 階。

工程實(shí)施上,由臼田町地面站上行的無線電信號通過R 星轉(zhuǎn)發(fā)給主探測器,回波同樣通過R 星傳給地面站,測量回波的多普勒頻率(見圖14[21])。

3.12 高清電視攝像機(jī)

高清電視攝像機(jī)(HDTV)是1臺采用3 片220萬像素CCD 的攝像機(jī),安裝在主探測器一側(cè),主要技術(shù)指標(biāo)見表11。該儀器用于拍攝地球從月球地平線上升起的電視畫面,并通過斜視研究復(fù)雜撞擊坑的結(jié)構(gòu),對公眾科學(xué)普及具有重要作用。HDTV拍攝的畫面通過壓縮、存儲后傳輸?shù)降孛?見圖15),1min 的月球電視畫面?zhèn)鬏數(shù)降孛嫘枰?0min。

圖14 月亮女神探月計(jì)劃的多普勒測量:主探測器經(jīng)R 星的4 路多普勒測量;R 星和V 星的2 路多普勒測量Fig.14 Doppler measurements in SELENE:4-way Doppler for main satellite via Rstar,2-way Doppler for Rstar and Vstar

圖15 高清電視攝像機(jī)的數(shù)據(jù)處理和傳輸過程Fig.15 Data process and transmission of HDTV

表11 HDTV 主要技術(shù)指標(biāo)Table11 Specifications of HDTV

4 科學(xué)探測任務(wù)的執(zhí)行情況

截至2008年12月底,月亮女神探月計(jì)劃的15臺(套)科學(xué)儀器在軌探測情況見表12。其中:

X 射線譜儀、伽馬射線譜儀用于獲取月球表面元素含量分布。多波段成像儀和連續(xù)光譜測量儀用于探測月球表面礦物組成。這4臺儀器主要用于探測月球表面的物質(zhì)組成。由于在軌運(yùn)行期間太陽活動(dòng)水平低,依賴太陽活動(dòng)激發(fā)X 射線熒光的X 射線譜儀沒有獲得好的探測成果。伽馬射線譜儀由于發(fā)生故障,導(dǎo)致長達(dá)4個(gè)多月沒能正常工作,探測效果大打折扣。但用于測量月球礦物組成的兩臺光譜儀工作正常,獲得了有價(jià)值的探測數(shù)據(jù)。

地形測繪相機(jī)、激光高度計(jì)已經(jīng)獲得月球的精細(xì)形貌探測數(shù)據(jù),特別是對以前探測程度較低的南北極區(qū)的探測效果較好。測月雷達(dá)可以探測月球次表層結(jié)構(gòu),有望為月球構(gòu)造劃分提供重要信息,但其電子器件在任務(wù)期間發(fā)生了故障。

磁強(qiáng)計(jì)和等離子體分析儀利用月球的獨(dú)特空間位置對地球的等離子層成像;開展對地監(jiān)視的上層大氣和等離子體成像儀也都基本工作正常。

通過3顆探測器的相互配合和精密測軌,該計(jì)劃獲得了迄今最為精細(xì)的重力場分布數(shù)據(jù),為研究月球內(nèi)部的質(zhì)量分布不均衡提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

表12 有效載荷在軌探測基本情況Table12 Exploration results of instruments onboard Kaguya of SELENE lunar mission

5 分析與討論

月亮女神探月計(jì)劃包括主探測器、V 星和R 星3顆探測器,配置15臺(套)有效載荷。通過簡要闡述有效載荷的基本探測原理、主要技術(shù)指標(biāo)及其科學(xué)任務(wù),總結(jié)了月亮女神在軌運(yùn)行期間完成的主要科學(xué)探測活動(dòng),希望對我國月球與深空探測的科學(xué)目標(biāo)和載荷配置有所啟示和借鑒:

(1)月球與深空探測歸根到底還是科學(xué)探測,應(yīng)以科學(xué)需求為牽引,進(jìn)行任務(wù)整體設(shè)計(jì)和有效載荷配置,以科學(xué)成果產(chǎn)出和技術(shù)能力提升作為判斷成功與否的標(biāo)志。SELENE 計(jì)劃圍繞月球關(guān)鍵科學(xué)問題提出科學(xué)目標(biāo)并配置有效載荷,有效載荷研制在方案設(shè)計(jì)、元器件選型等方面多有創(chuàng)新,保證了科學(xué)成果產(chǎn)出的數(shù)量和質(zhì)量。

(2)SELENE 計(jì)劃有效載荷的功耗、質(zhì)量、探測精度等技術(shù)指標(biāo)較為先進(jìn)。在我國今后的月球與深空探測任務(wù)中,應(yīng)大力提高有效載荷的研制水平,特別是核心元器件的國產(chǎn)化,應(yīng)在有效載荷的輕量化、小型化、設(shè)計(jì)集成化、功能多樣化設(shè)計(jì)等方面加大攻關(guān)力度。

(3)由于有效載荷創(chuàng)新性設(shè)計(jì)和研制質(zhì)量是決定我國月球與深空探測科學(xué)成果產(chǎn)出的關(guān)鍵,也是制約我國深空探測長遠(yuǎn)發(fā)展的技術(shù)瓶頸之一,為此建議在深空探測工程立項(xiàng)前的預(yù)研階段,前瞻支持一些具有深空探測應(yīng)用前景的有效載荷開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),奠定技術(shù)基礎(chǔ),這樣才能在工程立項(xiàng)實(shí)施后的較短時(shí)間內(nèi)高質(zhì)量地完成研制任務(wù)。

(4)無線電掩星觀測是國際上絕大多數(shù)月球與行星軌道器探測計(jì)劃都會開展的科學(xué)探測活動(dòng)。軌道器發(fā)送的無線電波在穿越月球或行星的大氣層和電離層時(shí)發(fā)生信號改變,根據(jù)信號變化可以研究大氣層和電離層的相關(guān)參數(shù)。這類科學(xué)探測活動(dòng)基本不增加星上設(shè)備,只需星地配合即可獲得科學(xué)回報(bào)。建議我國探月工程和深空探測應(yīng)大力支持和鼓勵(lì)開展這類低成本、低風(fēng)險(xiǎn)的科學(xué)探測活動(dòng)。

(5)利用月球與深空探測計(jì)劃研制和運(yùn)行中的各種時(shí)機(jī),及時(shí)發(fā)布重要進(jìn)展和成果;通過組織國際、國內(nèi)的科學(xué)數(shù)據(jù)應(yīng)用研究,吸引全國乃至全球科學(xué)家的關(guān)注和參與;通過開展內(nèi)容豐富、形式多樣的科普活動(dòng),吸引公眾特別是青少年的興趣。這些活動(dòng)可以顯著提高月球和深空探測的科學(xué)價(jià)值和社會影響,爭取政府部門和公眾對空間探索活動(dòng)的支持,在普及科學(xué)知識,提高公眾科學(xué)素養(yǎng)的同時(shí),又能激發(fā)全社會的探索和創(chuàng)新激情,為建設(shè)創(chuàng)新型國家貢獻(xiàn)力量。

References)

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