月壤原位成型技術(shù)工程適用性淺析

王志浩，劉宇明，田東波，向樹紅,2，馮偉泉,2，裴一飛,2，白 羽，馬子良

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所； 2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點實驗室：北京 100094）

0 引言

空間原位資源利用（in situ resource utilization,ISRU）技術(shù)包括利用原位資源的硬件裝置或?qū)嵤┑牟僮鬟^程，其目的是為無人或載人探測制造產(chǎn)品和提供服務(wù)[1]。在月球ISRU體系當(dāng)中，利用顆粒物質(zhì)原位成型進行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)占據(jù)重要地位，主要原因有二：一是顆粒形態(tài)的月壤極易獲取和處理；二是月壤原位成型可大大降低地?月間的運輸成本。隨著月球探測和資源利用的深入，對月壤原位成型技術(shù)的需求也不斷增強，月壤原位成型任務(wù)包括但不限于[2]：

1）著陸場及護堤建造；

2）居住地保護殼建造（用于輻射及微流星體防護）；

3）關(guān)鍵部件、部位（核電源、儲罐等）掩體建造；

4）建筑材料及建筑構(gòu)件建造。

針對上述任務(wù)，可采用不同的成型技術(shù)。鑒于未來在月表部署和工程化應(yīng)用的需求，應(yīng)從多個角度分析和研究具體成型技術(shù)的適用性。本文基于對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的總結(jié)，分析歸納了5種月壤原位成型技術(shù)，分階段梳理了未來可能的工程應(yīng)用任務(wù)，就成型體性能、工藝可實現(xiàn)性、成本及能耗、環(huán)境適應(yīng)性等關(guān)鍵因素進行了初步總結(jié)，旨在為月壤原位成型任務(wù)設(shè)計、成型裝備研制及試驗驗證提供借鑒。

1 國內(nèi)外月壤成型技術(shù)應(yīng)用例證

1.1 月壤成型技術(shù)概述

月壤成型技術(shù)的本質(zhì)是利用一定的顆粒物處理方法及工藝，使顆粒物成型體具備所需的幾何構(gòu)型及性能。根據(jù)調(diào)研到的國內(nèi)外情況，參考粉體成型領(lǐng)域技術(shù)類型的劃分方法，將月壤成型技術(shù)按照成型條件及特點分為堆積成型、燒結(jié)成型、熔融成型、模壓成型及黏結(jié)成型，它們的主要特性對比如表1所示。

表1 成型技術(shù)主要特性對比Table 1 Comparison among main characteristics of various forming technologies

從文獻調(diào)研的情況來看，專門針對月壤成型技術(shù)的研究相對較少，目前僅NASA進行了部分工程樣機的外場試驗，國內(nèi)多所機構(gòu)也進行了相關(guān)的分析研究工作，但由于缺少型號及項目支持，尚未開展樣機研制及模擬測試工作。國外對上述5種成型技術(shù)均有不同程度的分析和研究成果；國內(nèi)在堆積成型、燒結(jié)成型、黏結(jié)成型方面也進行了初步的研究，在模壓成型方面進行了相關(guān)領(lǐng)域（月球混凝土）的方案性研究。

1.2 堆積成型

NASA先期開展了月壤行為基礎(chǔ)理論和模型方面的研究，建立了月壤力學(xué)分析模型，用于研究月壤及鏟挖參數(shù)對作用效果的影響分析[7]；通過在實驗室環(huán)境下測試葉片、斗輪和鏟挖裝置作用于模擬月壤的力學(xué)響應(yīng)，優(yōu)化鏟挖堆積裝置與月壤分析模型[2]?；谏鲜鲅芯?，NASA研制了2臺小型月壤運輸車，分別為Cratos采礦車（圖1）和筒鼓采礦車（圖2），其月壤運載能力分別為23和18 kg[8]。NASA還研發(fā)了推土機葉片，命名為“建設(shè)開采用月球附件節(jié)點”（LANCE），該裝置可以處理大量月壤，圖3是將LANCE葉片安裝在巡視器上進行外場試驗的照片[9]。

圖1 Cratos采礦車Fig.1 Photos of Cratos

圖2 筒鼓采礦車Fig.2 Photos of Bucketdrum

圖3 LANCE 外場試驗照片F(xiàn)ig.3 Field test of LANCE

在月壤堆積的基礎(chǔ)模型方面，哈爾濱工業(yè)大學(xué)針對月壤鏟挖推積過程，建立了帶范德華力的黏彈性顆粒接觸關(guān)系的離散元模型，以真實月壤地面三軸試驗數(shù)據(jù)為參數(shù)進行標定，建立了淺層月壤離散元模型，并利用該模型對月壤切削、推移進行了仿真分析，研究了不同動作及模式的適用性[10]。

1.3 燒結(jié)成型

燒結(jié)成型方面，在NASA的支持下，美國Ceralink公司試驗研究了模擬月壤在微波作用下的介電性能。測試數(shù)據(jù)顯示其介質(zhì)損耗角正切在25 ℃時為0.02，1100 ℃時上升至0.31，如圖4所示。研究表明模擬月壤試樣對微波能量的吸收能力隨溫度升高而增強，低溫時的吸收能力較差。模擬月壤經(jīng)燒結(jié)得到的試樣照片如圖5所示[11]。

月壤燒結(jié)成型方面，中國科學(xué)院地球化學(xué)所通過熱力學(xué)分析的方法研究了微波對月壤中鈦鐵礦成分的加熱性能[12]，認為微波燒結(jié)技術(shù)具有燒結(jié)溫度低、時間短，能源利用率和加熱效率高，安全衛(wèi)生無污染等特點[13]。

圖4 模擬月壤的半功率深度及介質(zhì)損耗角正切隨溫度變化曲線Fig.4 The half-power depth and dielectric loss tangent of lunar soil stimulant vs.temperature

圖5 微波燒結(jié)月壤試樣Fig.5 The sinter molded lunar soil by microwave radiation

1.4 熔融成型

熔融成型方面，NASA采用2種技術(shù)方案反射和傳輸太陽能量，用來加熱熔融月壤。其中一個方案利用直徑0.5 m的匯聚鏡將太陽光匯聚到一個可移動托盤上，托盤上盛放模擬月壤（如圖6所示）。圖7顯示，模擬月壤試樣在高能光線作用下發(fā)生了熔融現(xiàn)象[14]。

圖6 NASA 的月壤加熱熔融方案一Fig.6 Photo of NASA’s lunar soil fused molding system

圖7 方案一的月壤熔融效果Fig.7 Melting result of lunar soil stimulant for scheme I

另一種技術(shù)方案采用了一套集成了7個反射鏡及光纖傳輸裝置的試驗系統(tǒng)（如圖8所示）。利用該裝置對模擬月壤進行加熱熔融，效果良好[15]（如圖9所示）。

圖8 NASA 的月壤加熱熔融方案二Fig.8 Photo of the sunlight converging system

圖9 方案二的月壤熔融效果Fig.9 Melting result of lunar soil stimulant for scheme II

1.5 模壓成型

NASA針對月球基地用建筑材料，將各種無機和有機黏結(jié)劑與JSC-1模擬月壤混合起來模壓成型，測試其力學(xué)、熱及防輻射性能。圖10所示為其中一種典型JSC-1模壓磚塊，磚塊上涂有樹脂，磚塊中無機黏合劑的質(zhì)量占比約為30%；圖11是由JSC-1與硫磺按照7∶3的配比模壓成建筑用磚塊，該磚塊具有良好的抗碎片撞擊能力；圖12是NASA馬歇爾空間飛行中心研制的模壓系統(tǒng)[5]。

圖10 利用 JSC-1 和無機黏結(jié)劑混壓而成的磚塊Fig.10 Brick compressed using JSC-1 and inorganic adhesive

模壓成型方面未檢索到采用月壤材料進行模壓成型體加工的國內(nèi)文獻。在相近的月球混凝土方面，浙江工業(yè)大學(xué)和湖北工業(yè)大學(xué)分別設(shè)想利用月球表面的硅質(zhì)材料進行添加，探索了在月表研制混凝土的制備方案[16-17]。

圖11 JSC-1 與硫磺混壓而成的無水型混凝土磚塊Fig.11 Brick compressed using JSC-1 and surfur

圖12 NASA 研制的模壓系統(tǒng)Fig.12 Photo of molding system developed in NASA

1.6 黏結(jié)成型

由歐空局資助的研究團隊，采用英國Monolite公司研制的3D打印機（圖13）進行穹頂建造，該設(shè)備配有寬6 m的移動式噴嘴陣列，可將黏合溶液噴灑到砂狀建材上。打印工藝是將氧化鎂和模擬月球物質(zhì)混合，再利用黏性鹽將混合物黏合成固體材料[6]。圖14為該打印機利用模擬月壤顆粒打印而成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)件。

圖13 Monolite 公司研制的 3D 打印機Fig.13 The 3D printer developed by Monolite

月壤黏結(jié)成型方面，武漢大學(xué)利用Bolsena火山灰制成的模擬月壤在空氣與真空中進行了添加黏結(jié)劑的3D打印測試（圖15），分析并研究了預(yù)防墨水蒸發(fā)或凍結(jié)的噴射方法[18]。

圖15 真空內(nèi)實施 3D 打印系統(tǒng)測試Fig.15 3D printing system in test in vacuum

2 成型技術(shù)分析

2.1 成型任務(wù)構(gòu)想

由于探月工程的長期性和復(fù)雜性，不同發(fā)展階段對于月壤原位成型技術(shù)的需求、應(yīng)用規(guī)模存在較大差異?；谖覈皆鹿こ痰幕A(chǔ)及成果，參考國內(nèi)外研究機構(gòu)對于未來探月任務(wù)的設(shè)想，按照時間先后分階段給出與之配套的月壤成型任務(wù)，如表2所示。

可按照任務(wù)特點及能源條件將月壤原位利用分為3個階段：1）早期。月表僅部署無人探測及資源利用裝備，能源供給嚴重受限，月壤成型任務(wù)以工作區(qū)域地面平整及關(guān)鍵部位防護外殼修建為主，適宜采用能耗低且工藝流程簡單的成型技術(shù)及方案；2）中期。航天員開始登陸月球并短時駐留，能源供給適當(dāng)放寬，月壤成型任務(wù)以著陸場建設(shè)、道路平整及居住區(qū)建設(shè)為主，適宜采用能耗較低且工藝流程較為簡單的成型技術(shù)及方案；3）后期。航天員可以長期駐留月面，能源供給能夠得到有效保障，月壤成型任務(wù)以科研生產(chǎn)及居住區(qū)域建筑建設(shè)為主，適宜采用工藝流程相對復(fù)雜的成型技術(shù)及方案。

表2 月壤原位利用各階段的匹配月壤成型任務(wù)Table 2 Mission table of lunar soil in-situ forming in different phases

在所有的月壤成型技術(shù)中，堆積成型是最基礎(chǔ)的成型技術(shù)，適用于大規(guī)模月壤成型任務(wù)，也可作為其他類型成型技術(shù)的前置任務(wù)，對堆積成型體進行表面固化提升其性能。在評估某項成型技術(shù)是否適用于特定成型任務(wù)時，需要綜合分析比較多方面因素，包括成型體性能與任務(wù)需求的匹配性，成型任務(wù)的成本及能耗限制，成型裝備和成型體的環(huán)境適應(yīng)性，以及成型工藝流程的可實現(xiàn)性等方面。

2.2 成型體性能與任務(wù)需求的匹配性

主要從力學(xué)性能、隔熱性能以及抗輻射性能方面對成型體進行綜合考量。

1）力學(xué)性能

在月表進行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，例如道路、著陸場、居住區(qū)、科研生產(chǎn)區(qū)等的建設(shè)，都需要考慮成型體的力學(xué)性能。以承載能力作為衡量成型體力學(xué)性能的主要指標，利用文獻[19]和文獻[20]的數(shù)據(jù)進行負指數(shù)擬合得到成型體承載力隨孔隙率的變化規(guī)律，如圖16所示。

圖16 成型體承載力隨孔隙率變化趨勢（擬合曲線）Fig.16 Bearing capacity of the formed body vs void ratio(fitted curve)

從圖16可以看出，一般情況下月壤成型體的密度越大、孔隙越小，承載能力越強，據(jù)此可知熔融成型體的力學(xué)承載能力最好，燒結(jié)和模壓成型體取決于成型體的致密程度，黏結(jié)成型則要看黏結(jié)物質(zhì)與月壤顆粒的分子間作用力，弱于燒結(jié)成型體的承載能力。對于力學(xué)承載要求較高的任務(wù)，則需要具體分析適合的成型技術(shù)。須說明的是，成型月壤的力學(xué)性能不僅包含承載能力，還包括抗拉強度、剪切強度、抗碎片撞擊等指標，本文暫未涉及。

2）隔熱性能

在月表進行關(guān)鍵部件防護以及建筑物建設(shè)工作，需要考慮月壤成型體的熱性能。例如：對液化儲罐進行隔熱可采用月壤覆蓋的方式；修建航天員居住區(qū)外殼也希望建材的隔熱性良好，使外部溫度波動較難影響到內(nèi)部居住空間。以熱傳導(dǎo)性（導(dǎo)熱系數(shù)）作為衡量成型月壤隔熱性能的主要指標，一般地，孔隙率越大的成型月壤，其隔熱效果越好。據(jù)文獻[21]數(shù)據(jù)，月壤導(dǎo)熱系數(shù)僅為 0.01 W/(m·K)，是月球巖石導(dǎo)熱系數(shù)（0.7 W/(m·K)）[19]的 1/70，因此單從成型體隔熱出發(fā)，應(yīng)選擇月壤堆積成型的方式修建隔熱防護層。需要說明的是，此處的分析沒有考慮熱輻射的問題。在具體設(shè)計熱防護層時，需要根據(jù)幾何構(gòu)型設(shè)計傳熱模型才能準確計算一定邊界條件下的隔熱效果。

3）輻射屏蔽性能

在修建月表居住區(qū)建筑時，還需要考慮成型體的輻射防護效果。與力學(xué)承載能力類似，孔隙率越小、密度越大的成型體，其抗輻射的效果越好；而為了達到同樣的輻射防護效果，選用密度較小的月壤成型體則需要更大的厚度，按照相同質(zhì)量的月壤和鋁具備相同的輻射防護效能粗略估算不同孔隙率成型體完全屏蔽100 MeV、1 GeV電子和質(zhì)子所需的厚度如表3所示[22]。

表3 月壤成型體輻射防護能力對比Table 3 Comparison of radidation protection capability of the formed lunar soil

由表3可知，月壤本身具備較強的輻射防護能力，如需防護100 MeV的質(zhì)子和電子，所需成型體的厚度從 4.4cm（熔融月壤）到 25.4cm（堆積成型的松散月壤）不等。

2.3 成本及能耗約束

由于成型任務(wù)的確切需求不明確，現(xiàn)階段很難估算月壤成型裝備的研制成本，本部分僅大致估算輔料的地?月間運輸成本。根據(jù)文獻[23]調(diào)研給出的2016年發(fā)射成本，國外主要運載平臺對于GTO的報價：NASA的Atlas-5約為$1.9萬/kg，ESA的Ariane-5約為$1.115萬/kg，JAXA的H-2A約為$1萬/kg。假設(shè)未來運載成本大幅度下降，地?月間運輸成本與目前GTO的一致，僅為$1萬/kg。如果需大規(guī)模進行月表建設(shè)，而添加輔料在成型體中的質(zhì)量占比為30%[5]，制造1000 t建筑材料所需輔料的地?月間運輸成本就高達$30億（不包括輔料包裝占用的質(zhì)量）?；谶@種考慮，除非對模壓成型及黏結(jié)成型的現(xiàn)有工藝進行大幅度修改，對于大規(guī)模的月表基礎(chǔ)建設(shè)，這2種成型方案都是難以負擔(dān)的。

能耗方面，由于搬運堆積月壤材料所需耗費的能源要遠低于將月壤加熱至高溫（1 t月球巖石熔融耗能約為1400 MJ[19]）所需能源，本部分在考慮能耗時，重點分析加熱耗能。從月壤成型技術(shù)所需的溫度條件來看，熔融成型所需溫度最高、燒結(jié)成型其次、模壓成型再次，而堆積成型和黏結(jié)成型最小。因此在月壤原位利用早期階段，由于能源供給非常有限，應(yīng)以堆積成型方案為主；在月壤原位利用中后期，則可根據(jù)能源的供給條件和任務(wù)需求選擇熔融、燒結(jié)、模壓或者黏結(jié)的方案。

2.4 環(huán)境適應(yīng)性

環(huán)境適應(yīng)性問題包括兩方面的內(nèi)容，首先是成型裝備的環(huán)境適應(yīng)性問題，其次是成型體的環(huán)境適應(yīng)性問題。

不同的成型技術(shù)所需要配套的成型裝備存在較大差異，在工藝流程及環(huán)境適應(yīng)性方面也存在顯著不同，如表4所示。可能對成型裝備產(chǎn)生影響的月表環(huán)境因素包括真空、熱、月塵等環(huán)境：電子組件對月表冷熱交變環(huán)境較敏感；光學(xué)系統(tǒng)、密封機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)等對月塵環(huán)境較為敏感；另外在月表應(yīng)用模具成型和實施月壤顆粒操作時，由于高真空、低重力及輻射環(huán)境的影響，月壤顆粒與材料間黏附特性與地面相比也存在顯著差異，給操控月壤和模具清理帶來一定的風(fēng)險。

表4 成型裝備環(huán)境適應(yīng)性分析Table 4 Analysis of environmental adaptability of the molding equipment

成型體環(huán)境適應(yīng)性問題重點針對添加輔料的成型技術(shù)方案，如表5所示，由于黏性物質(zhì)的添加，在月壤顆粒與黏性物質(zhì)及其他輔料之間會形成明顯的分界面，分界面可能存在孔隙，另外顆粒–輔料物質(zhì)間的作用力與其接觸狀態(tài)緊密相關(guān)，真空條件下，部分輔料成分可能揮發(fā)，高低溫交變對顆粒輔料間的接觸狀態(tài)也會造成影響，引起成型體宏觀上的性能發(fā)生變化。

表5 成型體環(huán)境適應(yīng)性分析表Table 5 Analysis of environmental adaptability of the formedbody

2.5 工藝流程的可實現(xiàn)性

月壤成型工藝流程的可實現(xiàn)性包含兩方面的內(nèi)容，首先是工藝流程的復(fù)雜性，其次是有人參與的可實現(xiàn)性。

實施月壤成型應(yīng)著重考慮工藝流程的復(fù)雜性，限于地?月間運輸成本及智能化運行的需要，月表條件下很難采用復(fù)雜的工藝裝備及工藝流程，操作簡單、流程短、過程產(chǎn)物可循環(huán)利用且對原料適應(yīng)性強的工藝技術(shù)更便于在月表部署。在所有的成型技術(shù)中，堆積成型的工藝流程最為簡單；而對于燒結(jié)、熔融成型技術(shù)，如果在成型位置處直接實施，在操作前按照預(yù)先設(shè)計的外形堆積和處理月壤，工藝流程相對簡單；如果需要使用模具，則無論是燒結(jié)、熔融還是模壓成型，工藝流程均相對較復(fù)雜，主要原因是模具在使用前后需要完善的檢查和處理，模具的裝填也涉及復(fù)雜的反饋過程，在月表環(huán)境下完全由計算機自主控制運行存在一定的風(fēng)險；黏結(jié)成型技術(shù)則對月壤顆粒有著較高的要求，粒徑過大或者過小都影響月壤顆粒的補給和噴涂，因此該項技術(shù)工藝流程的設(shè)計方面必須考慮月壤預(yù)處理及篩選。

工藝流程可實現(xiàn)性還需要考慮的因素是人員介入的問題。在月壤原位利用的早期，由于沒有航天員協(xié)助，應(yīng)以簡單成型技術(shù)和工藝流程為主（堆積成型），同時對其他工藝流程進行驗證；在月壤原位利用中后期，由于航天員可以參與月壤成型工作，因而有可能開展更加復(fù)雜的月壤成型任務(wù)，選擇燒結(jié)、熔融、模壓、黏結(jié)成型技術(shù)或者幾種的組合實施成型任務(wù)。

3 發(fā)展建議

3.1 深入分析和研究月壤特性

對月壤特性的認知是進行月壤原位成型的前提和基礎(chǔ)，對真空輻射環(huán)境下月壤顆粒–顆粒間、顆粒–材料間黏附力的研究，有助于建立月壤顆粒動力學(xué)模型，為設(shè)計堆積成型裝備提供參考依據(jù)；研究月壤顆粒傳熱、固液相變、溫度場特性及變化規(guī)律，對于成型工藝參數(shù)的設(shè)計和選擇，成型模具的設(shè)計制造，具有重要意義；研究通道內(nèi)顆粒物的力學(xué)特性，對于設(shè)計和制造月壤3D打印系統(tǒng)，避免顆粒物堵塞具有關(guān)鍵作用；研究月壤顆粒在電磁場作用下的動力學(xué)特性，可以為研制月壤選礦設(shè)備提供理論指導(dǎo)。

3.2 月壤原位利用的早期階段應(yīng)立足于堆積成型技術(shù)

在月壤原位利用早期，應(yīng)著重研究堆積成型技術(shù)并使之具備月表部署的條件。堆積成型技術(shù)是月壤原位成型技術(shù)體系的基礎(chǔ)，目前人類尚無在月表進行基礎(chǔ)建設(shè)的經(jīng)驗，應(yīng)建立特定受力條件下的月壤分析模型，在地面進行仿真和驗證，修正相關(guān)模型的關(guān)鍵性參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)仿真分析月表低重力條件下顆粒堆積特性，指導(dǎo)工程作業(yè)車輛及作業(yè)工裝的設(shè)計和驗證工作。

3.3 在月表大規(guī)模實施基礎(chǔ)建設(shè)應(yīng)優(yōu)先選擇無輔料添加的成型技術(shù)

從長遠的角度來看，如果一項成型技術(shù)無法大規(guī)模地應(yīng)用，除非其成型體具有無法替代的優(yōu)勢，那么這項技術(shù)的應(yīng)用前景會大幅度降低。對于模壓成型和黏結(jié)成型技術(shù)，添加的輔料如果需要進行地–月間運輸，運輸成本將是項目立項及實施的主要阻礙。當(dāng)然，如果在月表原位選礦，原位提取黏性物質(zhì)被證明可行，將會成為模壓成型及黏結(jié)成型的更好選擇。

3.4 開展成型體性能測試及環(huán)境適應(yīng)性研究

目前對月壤原位成型技術(shù)的研究大多采用模擬月壤，屬于演示驗證項目成型，對月壤成型體缺乏完善的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)及環(huán)境適應(yīng)性分析和測試，導(dǎo)致分析成型技術(shù)時缺乏必要的數(shù)據(jù)支撐。成型體性能測試及環(huán)境適應(yīng)性研究是成型技術(shù)選擇和工程化設(shè)計的必要環(huán)節(jié)，是成型技術(shù)真正獲得工程化應(yīng)用的前提，因此加強成型體性能測試及環(huán)境適應(yīng)性研究無論對于成型技術(shù)的研發(fā)，還是對于未來的工程化應(yīng)用，都有非常重要的意義。

3.5 開展面向復(fù)雜月壤組分的成型效能研究

月壤原位成型工程的難點之一在于成型技術(shù)對不同成分月壤的適用性：由于不同成分月壤的物理性能存在一定程度的區(qū)別，在未來的月壤成型任務(wù)中，采用的技術(shù)方案不能只針對一種月壤成分。應(yīng)在多種組分條件下，研究成型技術(shù)的成型能力（成型精度、單位能量成型月壤的質(zhì)量）及成型效果（成型體性能各項參數(shù)指標），調(diào)節(jié)成型技術(shù)及工藝指標，使成型技術(shù)具備足夠的普適性。

4 結(jié)束語

月壤原位成型技術(shù)涉及多學(xué)科交叉技術(shù)領(lǐng)域，包括土壤操控、土壤處理、熱處理、物質(zhì)分離、能源等技術(shù)領(lǐng)域。本文重點分析了5種月壤原位成型技術(shù)，從成型體性能、可操作性、成本能耗及環(huán)境適應(yīng)性等方面進行了初步分析和討論。限于文章篇幅，對于成型裝備尚未展開討論，后續(xù)將通過設(shè)計月壤原位成型方案的方式予以專門研討。

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