SU35BM战机暨俄罗斯第五代战机技术初探台《空军学术双月刊》.docx
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SU35BM战机暨俄罗斯第五代战机技术初探台《空军学术双月刊》
SU35BM战机暨俄罗斯第五代战机技术初探(上)
台《空军学术双月刊》
军事专栏作家 杨政卫
提要
Su-27系列战机发展过程中,在在可见各种见识独到、眼光长远的决策,如在基本型Su-27S的开发过程中,便是考虑未来的改良空间,因此从苏霍本人到西蒙诺夫这两任总设计师,都主张应用许多当时还在实验阶段的新技术。
当基本型大致完成试飞且还没定型时,苏霍设计局就开始将原型机加装前翼进行研究(T-10-24),成为Su-33、Su-35的气动力设计基础。
Su-35任务上与Su-27同为空优、拦截,另外也有对地攻击能力,与Su-27算是直系关系,而不像Su-30MK、Su-33、Su-34那种平行发展的旁系飞机。
发展史
一、需求
1980年代初期,Su-27S才刚问世,苏霍设计局就开始了大改Su-27的构想--也就是后来的Su-27M计划,要将Su-27改为先进的多用途飞机。
这除了基于对多用途的需求外,还有两个重要原因:
首先,Su-27S的N-001雷达与F-15A的AN/APG-63相比没有多少优势,而美国已经着手改良其处理器及后续的F-15C,这将使得Su-27不能如期望般达到F-15的1.1倍战力。
再者,美国于1976年提出先进中程空对空飞弹(AMRAAM)计划,也就是后来的AIM-120A,苏联经过情报分析,认为必须有类似的武器才能与之对抗[1]。
苏霍设计局期望较晚问世的Su-27能达对手的1.1倍[2],因此上述预测是相当不得了的事,故当时就着手进行Su-27M计划,及〝苏联的AMRAAM〞,RVV-AE主动雷达导引飞弹,时间大约是1981年。
到1983年,Su-27M的目标设定出炉:
他必须超越F-15及F-16的改良型,且必须为多用途、全天候、能打击贴地飞行物如巡弋飞弹等[3][4]。
他将装备新的RLSU-27雷达系统,机载主被动电子反制系统,新的座舱接口、导航系统等,能发射主动雷达导引空对空飞弹及对面精确攻击武器。
1983年12月29日,苏联军方批准Su-27M计划。
在苏霍设计局总设计师米哈伊尔‧西蒙诺夫(MikhailSimonov)的监督下,由米哈伊尔‧波戈项(MikhailPogosyan)领导的设计团队于焉展开Su-27M的概念设计。
此一阶段完成于1985年。
相关的实验机翱翔于1980年代,有的甚至在概念设计阶段就开始建造,这些实验机来自Su-27与Su-27UB的原型机,例如实验前翼的T-10-24(改良自Su-27,1985年试飞),测试飞控系统的T-10U-2(改良自Su-27UB)等。
二、原型机
1987年,Su-27M首架原型机T-10M-1(701号)出厂,这是共青城飞机制造厂(KnAAPO)改良自一架生于1986年的Su-27S而来,1988年6月28日在首席试飞员(欧列格‧卓伊)OlegTsoy驾驭下首飞。
1989年1月18日,T-10M-2(702号)首飞,他也是改良自Su-27S的。
此外,705、706、707号原型机也是改自Su-27S的,用于试验射控系统、飞控系统等设备。
在结构上,这些飞机与Su-27S的不同在于前机身、前翼、尾杆。
而中段机身、垂尾、鼻轮都与Su-27S同。
其中706号于1992年2月在明斯克会议上连同其它军用机展示予独联体国防官员及叶尔钦总统以争取经费,获叶尔钦特别拨款建造10架原型机。
701号于1990年代末期功成身退,送进莫尼洛空军博物馆永久展示。
[5]
除了701、702、705、706、707之外的原型机都是新造的。
第一架全新生产的Su-27M原型机是T-10M-3(703号),于1992年4月1日首飞,也是KnAAPO造的。
他的规格基本上与量产型同。
同年9月,他搭配热影像红外线及雷射标定荚舱参加法茵堡航展,同时更名为Su-35。
1993到1994年,708到710号相继出厂,为Su-35的预量产机。
1995年完成了711号与712号,用作新型航电、座舱界面等试验机。
其中711号被装上N-011M相控阵雷达、AL-37FU向量推力发动机、以及许多法国航电设备参与阿拉伯联合大公国新世代战机竞标案,这就是名Su-37MR(或简称Su-37,MR表多用途)。
Su-37于1996年4月2日由佛罗洛夫首飞,7月31日于格洛莫夫试飞院首度公开。
711号机的AL-37FU于2000年达使用寿限,被以基本型AL-31F取代,由于飞控系统已经很进步的关系,因此虽无向量推力但仍可执行许多超机动动作、无限制飞行等等。
这架飞机于2002年底坠毁。
[6]
712号机原用于试验新的机载系统与座舱接口。
后来曾投入Su-30MKI的雷达与引擎试验工作。
三、生产,服役,与后续发展
12架原型机有部分提供给俄罗斯空军试用。
1996年KnAAPO交付3架量产机给俄罗斯空军,编号86、87、88[7]。
虽然数目不多,但这三架飞机让空军研究单位有使用高性能多用途战机的经验,对先进战术研究必有帮助。
此外,试验结果也发现,让这种单座机执行双座机的轰炸任务仍有困难,其中最主要的困难是飞行员不知要用什么武器,Su-27SM开始就增强了飞机选择武器的能力,期能减少飞行员负担。
这三架飞机连同703与712号原型机于2003年7月起交付〝勇士〞特技表演队[8]。
按照俄国空军新的规划,在第五代战机与Su-27SM、Su-30MK等4+代战机之间将由Su-35的大改型过渡[9]。
这种大改型称为Su-35BM,将装备一些Su-47前掠翼战机上的技术、AL-41F-1系列发动机等等,预计于2005~2006年服役。
性能剖析
Su-35除了用三翼面设计带来绝佳的气动力性能外,真正的重点在航电设备,提升自动化、计算机化、人性化、指管通情(C3I)能力等,与同时期欧美开发中之新世代战机之航电设计理念雷同。
大幅提升航电性能的结果是重量增加,必须有其它改良才能避免机动性、加速性、航程的下降。
因此除了以前翼提升操控性外,还装备更大推力的发动机,此外,主翼与垂尾内的油箱也予以增大,油箱总容积达13,000公升,因而可达到近4,000km的无外援航程。
故Su-35不论在机动性、加速性、结构效益、航电性能各方面都全面优于Su-27S,而不像其它改型如Su-30般有取有舍。
根据苏霍设计局的评估,Su-37空战能力为Su-27S的10倍多[10]。
一、外型、结构改动与机动力的提升
1.Su-35之外型整体而言非常简洁,大部分天线、传感器都改为隐藏式。
主空速管由机首移至原来副空速管处(座舱两侧),副空速管移至雷达罩后方。
2.702到710号的机背上都有一个明显的球形物体,此系MAK红外线飞弹警告荚舱。
3.机首增长增厚,以安装更大的雷达及更多航电设备,侧面看去因而下倾的比Su-27还厉害。
若不算Su-27S的空速管,则Su-35增长近1m,主要就是来自机首的增长。
4.光电探测器移至风挡右侧,左侧则安装可伸缩空中加油管,光电球侧移一方面是为了多出空间安装加油管,另一方面也因让飞行员有了更好的视野。
座舱两侧装有可收纳的夜间加油照明灯。
5.垂直尾翼加大,以得到更好的偏航稳定性能。
此外垂尾及其方向舵的形状也略为改变,在垂尾顶端,由Su-27的下切改成平直,是Su-35的重要识别特征。
6.尾刺加粗,并将阻力伞由尾刺末端移至上方,使末端可以容纳后视雷达及较多航电设备。
7.三翼面布局、无攻角限制、全权数位飞控。
将原来的翼前缘延伸增大,并在其侧加装可分别操纵的前翼,其前缘后掠角53.5度,翼展6.43m,面积3平方米,偏转角+3.5到-51.5度,由LERX内的液压装置驱动。
这个设计相当于在前段增加翼面积,加上前翼产生的涡流及优异的高攻角控制能力,提升了总升力、同时使升力中心前移,使得飞机更为灵巧,且转弯时阻力更低;更强的涡流流经翼根使得该处升力增加,因此在相同于Su-27的总升力条件下,翼根负荷较低,这意味着同样的结构强度能忍受更高的G值,再加上Su-35的结构亦强于Su-27S,故正常操作极限比基本型多约1G(达9.5至10G),是第一种公布正常极限达10G的战机[11];更强的涡流也能提升各翼面之效率,例如其高能涡流到末端正好流经水平尾翼,如此可增加平尾的控制力。
前翼设计是大幅提升Su-35运动性能的两大关键之一(另一大关键是飞控系统)。
上述众多优点最主要来自前翼涡流延缓失速的作用,该作用提高了失速攻角,也就是使升力系数达极大值的攻角提高;另外其前翼紧临主翼,与主翼产生近耦合效应故增大了升力系数曲线斜率(即同攻角时升力系数提高了),两种效应共同提高Su-35的升力性能。
可用攻角提高对指向性亦有帮助,而升力性能提高则相当于减少升力负荷,使得Su-35更容易使用高过载,或是可在更广的条件范围内使用高过载。
不管翼前缘延伸(LERX)还是三角翼,都是藉由涡流延缓失速的作用达成上述优势的,一般而言Su-35这种三翼面布局的高攻角性能优于LERX布局而逊于三角翼(注意这只是一般而言,不是定则,还与其它设计有关,详见飞行性能讨论)。
此外,目前已经知道飞机高攻角时掉进螺旋与高攻角时机首两边涡流的不对偁性有关[12],只要从调整机首涡流下手就能增强高攻角稳定性并提升可用攻角,甚至解除螺旋等等。
只要有适当的飞控指令,前翼便能提供这项服务。
苏霍设计局早在1977年就开始动前翼的脑筋,当时总设计师西蒙诺夫就开始与苏联中央流体力学研究院(TsAGI)研究为Su-27加装前翼的可行性[13]。
当时一方面是为了解决T-10因航电超重导致成为气动力稳定飞机的问题(这个问题后来因重新设计成T-10S而排除)[14]。
另一方面则是出于西蒙诺夫对超机动战机的期待,他希望藉前翼提升Su-27的高攻角极限动作能力。
至1979年,在TsAGI的协助下,进行三翼面SU-27的风洞测试,1982年开始建造三翼面实验机T-10-24。
该机于1985年开始试飞(注意,此时Su-27S未服役)。
T-10-24的试飞数据基本上达到预测状况:
飞机纵向稳定度降低(更灵巧)、滚转以及高攻角稳定度增加;升阻比提高;升力系数提高(30度攻角时升力系数从Su-27S的1.79提升到2.1)[15]。
T-10-24实验成功后,这种三翼面气动布局就成了改良Su-27的〝绝活〞之一,不论是用在俄国自己的先进型Su-27还是为了增加竞争力的外销机,如Su-33、Su-35、Su-30MKI等等,甚至第五代战机试验机Su47上。
新的气动布局提升了亚音速至超音速的性能,Su-35在0.9马赫时之升力系数约为Su-27的1.3倍;1.6马赫时约为1.7倍[16];穿音速区之最大过载值亦由Su-27S的7G提升至8~9G[17]。
除了气动布局的进步带来〝先天的气动力优势〞外,Su-35也用了四余度数位式三维线传飞控系统,比起Su-27只能控制俯仰的模拟式二维线控,能提供更好的飞控质量。
正常情况下攻角限制由Su-27的29度提升到35度[18],与早期EF-2000、Rafale等同级。
必要时,飞行员可将攻角限制器关掉(关掉攻角限制后飞控系统仍在工作,这与基本型不同),发挥无攻角限制性能。
Su-35的所有动作都能在线传飞控系统的控制下进行,至少到110度攻角都是可控的(而Su-27S在此时则必须切换至〝直接操纵〞模式,也就等于关掉飞控系统)。
因此Su-35能更轻易的作出高难度动作,如眼镜蛇、勾拳等,不像Su-27一样只有少数技术高超的〝特技级〞飞行员才能跳空中芭蕾。
1996年,换装AL-37FU向量推力发动机的Su-35,即一度改称Su-37的711号机在法茵堡航展公开,凭借向量推力,做了更多超常规动作,如几乎零半径、零掉高的垂直方向上360度翻转,命名为〝佛罗洛夫大法轮〞的动作;垂直上升,以向量推力维持在最高点数秒,然后再改出的〝钟摆〞;将攻角拉到约120度的〝超级眼镜蛇〞,以及许多未命名动作还有很可能带来空战方式改变的〝失速后运动能力〞等等[19]。
完全电控飞行、无攻角限制,使得不必是金字塔顶端的飞行员也能充分发挥Su-35的飞行性能。
早期许多评论都表示,Su-27系列的特技动作只有在无外挂情形下才能作。
事后证明这是错的,1994年法因堡航展中,一架Su-30MK的12个挂点满载共7,000kg武器进行一样的飞行表演,包括尾冲等。
这是西蒙诺夫知道那种负面评论后,为证明Su-27系列的性能,而做的〝公开实验〞,Su-35也曾在法因堡航展满载空战备进行表演[20]。
此外,新的射控系统使Su-35在作各项动作之过程中也能发射飞弹[21],这使得Su-35的机动力更具有实用价值。
结构方面,没有机首空速管的Su-35全长22.2m,比Su-27S的21.935m长,且前机身更〝厚〞以容纳更多航电设备,加上外挂重量须达8,000kg,因此不论航电重量还是结构重量都增加了(其中航电设备就比Su-27S的多了约1,500kg[22]),为尽可能减少重量的增加,Su-35使用较多复合材料与新型铝锂合金。
空重约18,400kg,为维持应有的加速性,发动机推力增大了,也导致耗油量增加,若油量不设法增加,航程就要下降。
为此Su-35部分结构重新设计并增加油箱,使航程、载油系数等参数仍与Su-27S相当甚至更好。
其中油箱增加于主翼与垂尾:
主翼厚弦比(相对厚度)增加,机翼油箱容量增至1,990公升、垂尾内增加360公升油箱,总储油量达13,000公升(约10,250kg),载油系数0.36甚至大于Su-27S的0.34(载油系数:
最大载油量/不带武器起飞重量),结构效益比Su-27S高。
无外援航程与Su-27S也在伯仲之间,约4,000km上下。
因此,在某种意义上,〝Su-35的重量并没有增加〞。
鼻轮以620x180mm双轮取代原来的680x260mm单轮,使较基本型重的Su-35仍能在野战跑道起降。
二、动力系统
Su-35强化了航电系统及武器筹载能力,机体也放大,空重增至18,400kg,必须配备推力更大的发动机。
计划之初预计装备起飞推力13,000kg的AL-31F改型。
后来使用AL-35F,AL-35F增加了发动机进气口直径以增加进气量,并增加涡轮入口温度提升了发动机的推力,内部构造也稍作改良,最大军用推力8,500kg,最大后燃推力约14,000kg。
后来又在AL-35F的基础上增加后燃器推力,使得最大军用推力仍为8,500kg而最大推力增至14,500kg,此即AL-35FM。
Su-37则使用加装向量喷嘴的AL-35FM,又称作AL-37FU[23]。
AL-35FM含4级风扇、9级高压压气机、单级高压及单级低压涡轮,涡轮进口温度1,700K+€A最大军用推力8,500kg,最大后燃推力14,500kg,最小巡航耗油率约0.68~0.7kg/kgf€r+€F最大推力耗油率大于1.96kg/kgf€r,推重比8.7,重量约1,600kg[24],喷嘴活动部件寿命250小时(制动机构以钛取代钢后可达500hr[25])。
向量推力喷嘴为圆型截面的轴对称式,能上下偏转15度,偏转速率为每秒30度,由液压系统驱动(量产型改用燃油系统驱动)。
其喷嘴之外型与基本型没有太大的区别,都是圆筒状的敛散喷嘴。
向量推力控制、发动机控制与飞控系统整合在一起,飞控系统可以根据飞行条件自动控制喷嘴方向。
除了自动控制,Su-37之飞行员也可以用手动控制之,在飞行员左手边有个按键控制版,可以用按键的方式控制向量推力,然此系实验用途,在后来的Su-30MKI上,向量控制已全由飞控系统包办。
加装向量推力后发动机增重100kg左右(量产型增重70kg[26])。
除了推力增大以及向量推力外,更高度的模块化以及易维修性也是本发动机的改良重点之一。
AL-35F原定由〝礼炮〞(Salyut)工厂生产,分析为AL-31F-4(注1)。
AL-37FU在留里卡设计局内又称为AL-31FP,与后来Su-30MKI的AL-31FP同名,但推力级数却不同(后者为12,500kg)[27],查询有关资料时要注意此点以免混淆。
三、航电系统
Su-35的航电整合理念非常先进,用上了第五代战机所需的信息综合、通讯、专家系统、人性化接口等。
1.综合信息系统等先进概念(参考数据[28][29])
探测、导航、通讯、飞行等次系统以中央计算机为中心构成综合信息源。
这些次系统将所得给予中央计算机,中央计算机整合出优化数据后以适当方式示予飞行员,还能给予飞行员建议。
Su-35是第一种集综合信息系统、专家系统于一身的侧卫战机,似乎也是世界上第一种。
这里说的〝综合信息系统〞是以所谓〝开放式航电设计概念〞设计的。
每个次系统都有一个数字计算机,各计算机又藉由一个中央计算机连结,互通有无,截长补短。
与理想的第五代战机如1.42,F-22这种由一部计算机处理所有信息这种〝共点式〞连结相比,Su-35的〝网状式〞连结的整合能力未必较差,但在后勤维护及升级便利性方面仍居劣势,也不利于减重。
但其优点在于可用较差的计算机分工以完成预设的使命,不像共点式必须仰赖超级计算机。
Su-35的综合信息系统整合了探测、武器控制、导航、飞行、通讯等系统之信息。
专家接口就是将专家意见变成机上软件,使飞机相当于随机搭载一名专家。
理想的专家系统要在整合复杂信息之余,显示飞行员所要的信息而不是全部显示,帮助飞行员掌握状况,另外还要给予飞行员建议。
Su-35的飞行员能藉由显示器旁的按钮设定自己喜好的信息显示方式,而当Su-35发生故障时,专家系统透过屏幕处置清单及语音指示飞行员如何除错或是后续动作。
除了信息综合与专家座舱外,Su-35的TKS-2-27加密通讯系统内的数据链能与僚机进行宽带通信,使得僚机信息成为自己可用信息的一部分,例如飞机可完全不开雷达,仅使用僚机的射控数据而以数据链引导飞弹攻击目标。
这种数据链是新世代战机必备的。
但欧美三代半或四代机如F-16Block60、幻象2000-5/9的宽带数据链只做到8机,虽然不知道Su-35能连几架,但其后的Su-30MKK、Su-27SM用的TKS-2系统可连结16架[30]。
稍早的飞机出了一趟任务后往往要经历复杂的检修工作,为了排除此不便,出现了自我检测系统,这样一来只要在飞机回来后从航电系统下载自我检测信息,就能知道飞机的状况,大幅简化后勤劳动强度。
Su-35的综合信息系统能纪录全机状况及故障位置,由地勤的外插模块便可下载。
不确定Su-35是否有类似Su-30MKK上的AIST-30数据分析系统,该系统分为空中及地面部分,具有类似F-22所拥有的机上状况遥测等功能。
2.射控系统
射控系统可由自己附属的探测系统及由通讯系统(数据链)取得的数据共同决定目标位置。
在自有的探测系统方面,由前后各一的雷达主动取得目标,也由可定位的雷达警告器(RWR)被动探测目标,包括定出方位及根据数据库找寻目标型号、性能等。
也可用机首的光电探测器以及环场热探测器进行被动(红外线)探测。
综合雷达、雷达警告器、红外线探测器之数据可得较精确的目标数据。
例如在红外线探测器作用范围内,他的测方位精度是最高的,因此能以他的方位数据加上雷达的测距数据综合成较精确的目标坐标。
(1)雷达系统(参考数据[31][32][33][34])
雷达系统是整个射控系统的中心,包括由NIIP设计的RLSU-27前视雷达以及NIIR的N-012后视雷达。
RLSU-27(N-011)机械扫描雷达为NIIP全新研制的雷达,于1992年装机测试,较Su-27S所用的RLPK-27(N-001)先进一个世代。
采用更多Soyuz〝联盟〞实验型雷达的技术。
装有多模式宽带道发射机;低噪音UHF放大器;可再程序化数字信号处理器;数字计算机等。
在探测距离、打击目标数量、识别能力、抗干扰能力、视野等方面均远优于N-001。
N-011机械天线口径960mm,视野+-85度,总重约500kg,发射机尖峰功率8kW,平均功率2kW,对大型目标(如运输机)的探测距离400km,对RCS=3平方米目标迎击探测距离140km,追击65km。
原设计为同时追踪20个目标并打击8个,但实际测试仅办到追13打4,可再进一步提升为追15打6。
无法达到追20打8的原因是受机械扫描的制约,之后的N-011M采用电子扫描后便达到追20打8的理想。
采对面模式时,N-011最大对面探测距离200km,具地形测绘、追地飞行等功能。
NIIP认为机械扫描雷达已不符合潮流,根据他们过去为MiG-31设计S-800〝闪光舞〞等相控阵雷达的经验,NIIP发展了N-011M电子扫描天线。
N-011M是一种技术指标与五代战机MFI的N-014同级的雷达。
他使用X与L两种波段,波束宽2.4度,有12种不同的波形,天线直径1m,天线重量100kg,系统总重约650kg,当行波管功率耗损在5%以下时雷达性能不受影响,因为是相控阵雷达,所以对空、对地等功能可同时进行。
对于空中目标而言,除了一般目标,还能发现巡弋飞弹、弹道飞弹、直升机等。
探测距离350km时,能在200km处追踪。
能同时追踪20个目标并攻击其中8个。
对于F-16大小的目标(RCS约5平方米)探测距离140到160km,对MiG-21(RCS约3)为135km,对SU-27(RCS约10至15)则高达330km。
N-011M由于较长的L波段的使用(N-011M的L波段主要用在敌我识别),提高了发现匿踪飞机的机会,虽然长波长分辨率较差,但若能提供预警,有总比没有好,且透过光电系统的校正后,仍可定出射控级坐标。
对面能力部分,包括地形测绘、合成孔径、地形闪避等,但合成孔径功能直到2000年后的Su-30MKI完整版才完成整合。
对于地面小目标如坦克之最大探测距离约40至50km。
对于海面之大型目标分辨率为20m时探测距离为400km,较小目标则在120km。
尾刺内有N-012后视相控阵雷达,是由NIIR的某个分部研制的,技术水平类似N-011M不过比较小。
对于RCS为3平方米的目标探测距离约50km,视野左右上下各60度。
与N-011M搭配,可提供SU-35近乎全周界的雷达视野,提升SA性能之余,还能使R-73飞弹进行后射或越肩发射(掉头射)。
(2)新型OEPS光电系统[35][36]
包括前视红外线探测器、雷射测距仪、电视摄影机、改良的Shchel-3UM头盔瞄准具。
红外探测器一开始用SU-33的46Sh,后来改用52Sh。
52Sh是为Su-27生产36Sh光电探测仪的乌拉尔光学仪器生产厂(UOMZ)为Su-35研制的,采用防震传感器、微型冷却设备及新的软件。
视野左右60度,上60度下15度;操作环境温度摄氏-50~+60度;总重200kg;具四种搜索模式(水平x俯仰,单位:
度):
60x10,20x5,3x75(近战垂直扫描,为26Sh所没有的功能),3x3(锁定)。
在中空、正常天候下对最大军用推力状态的F-15类目标迎击探测距离40km,追击90~100km。
Su-27上的OEPS-27系统的头盔瞄准具是由抬头显示器(HUD)两旁的定位装置定位的,但有趣的是,在某些Su-35以及711号机的座舱内,HUD两旁已无定位装置,不知是否采用别种定位方法,值得观察。
雷射测距仪操作距离扩展至15km,能用以引导雷射导引武器。
3.电战系统
自卫系统连结SPO-32(L-150)雷达警告器、MAK环场红外线探测器、APP-50干扰丝/热焰弹发射器、主动电战系统、自卫系统计算机。
发现威胁时,会以干扰丝、热焰弹进行被动干扰,以及电战系统的主动干扰。
(1)SPO-32(L-150)雷达警告器[37]
SPO-32(L-150)是一种第五代等级的雷达警告器(RWR),于1982年开始为Su-35、MiG-29M/K、Mi-28等4+代军用机研制,初始型于1983年完成。
数字化使得能轻易与全机信息整合,也能透过软件升级;拥有足以提供射控数据的精确度(Su-25TM所用的SP
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