Un vehículo de lanzamiento reutilizable tiene piezas que se pueden recuperar y volver a volar, mientras transporta cargas útiles desde la superficie al espacio exterior . Las etapas de cohetes son las piezas de vehículos de lanzamiento más comunes destinadas a la reutilización. También se pueden reutilizar piezas más pequeñas, como motores de cohetes y propulsores , aunque se pueden lanzar naves espaciales reutilizables encima de un vehículo de lanzamiento prescindible. Los vehículos de lanzamiento reutilizables no necesitan fabricar estas piezas para cada lanzamiento, lo que reduce significativamente su coste de lanzamiento . Sin embargo, estos beneficios se ven disminuidos por el costo de recuperación y renovación.
Los vehículos de lanzamiento reutilizables pueden contener aviónica y propulsor adicionales , lo que los hace más pesados que sus homólogos prescindibles. Es posible que las piezas reutilizadas deban ingresar a la atmósfera y navegar a través de ella, por lo que a menudo están equipadas con escudos térmicos , aletas de rejilla y otras superficies de control de vuelo . Al modificar su forma, los aviones espaciales pueden aprovechar la mecánica de la aviación para ayudar en su recuperación, como el deslizamiento o la sustentación . En la atmósfera, también pueden ser necesarios paracaídas o retrocohetes para reducir aún más la velocidad. Las piezas reutilizables también pueden necesitar instalaciones de recuperación especializadas, como pistas de aterrizaje o naves no tripuladas en puertos espaciales autónomos . Algunos conceptos se basan en infraestructuras terrestres, como controladores de masas, para acelerar el vehículo de lanzamiento de antemano.
Desde al menos principios del siglo XX, existen en la ciencia ficción vehículos de lanzamiento reutilizables de una sola etapa a órbita . En las décadas de 1960 y 1970 se fabricaron los primeros vehículos de lanzamiento reutilizables, denominados Space Shuttle y Energia . Sin embargo, en la década de 1990, debido a que ambos programas no cumplieron con las expectativas, los conceptos de vehículos de lanzamiento reutilizables se redujeron a pruebas de prototipos. El auge de las empresas privadas de vuelos espaciales en las décadas de 2000 y 2010 provocó un resurgimiento de su desarrollo, como en SpaceShipOne , New Shepard , Electron , Falcon 9 y Falcon Heavy . Ahora se espera que muchos vehículos de lanzamiento debuten con capacidad de reutilización en la década de 2020, como Starship , New Glenn , Soyuz-7 , Ariane Next , Long March , Terran R y Dawn Mk-II Aurora. [1]
Los sistemas de lanzamiento reutilizables podrán ser total o parcialmente reutilizables.
Actualmente, varias empresas están desarrollando vehículos de lanzamiento totalmente reutilizables a partir de marzo de 2024. Cada una de ellas está trabajando en un sistema de dos etapas a órbita . SpaceX está probando Starship , que ha estado en desarrollo desde 2016 y realizó un vuelo de prueba inicial en abril de 2023 [2] y dos vuelos más a partir de marzo de 2024. Blue Origin , con el Proyecto Jarvis , comenzó el trabajo de desarrollo a principios de 2021, pero ha No anunció ninguna fecha para las pruebas y no ha discutido el proyecto públicamente. [3] Stoke Space también está desarrollando un cohete que se prevé sea reutilizable. [4] [5]
En marzo de 2024 [update], Starship es el único vehículo de lanzamiento destinado a ser completamente reutilizable que ha sido completamente construido y probado. El vuelo de prueba más reciente fue el 14 de marzo de 2024, [6] en el que el vehículo completó un lanzamiento suborbital pero no logró recuperar ninguna de las etapas. El propulsor Super Heavy se rompió al intentar aterrizar suavemente en el Golfo de México . Después de la separación del propulsor, la etapa superior encendió los 6 motores Raptor y se convirtió en el primer vuelo de prueba de Starship en completar un encendido completo. Durante la costa el barco experimentó múltiples problemas, uno de los cuales indujo un balanceo, lo que provocaría que el escudo térmico estuviera orientado en la dirección equivocada, lo que quemaría el vehículo durante el reingreso , y se perdieron las comunicaciones 49 minutos después del lanzamiento.
Los planes anteriores para realizar pruebas de reutilización mejorada en la segunda etapa del SpaceX Falcon 9 se dejaron de lado en 2018.
Los sistemas de lanzamiento parcialmente reutilizables, en forma de sistemas de múltiples etapas hasta la órbita, han sido hasta ahora las únicas configuraciones reutilizables en uso.
El histórico Transbordador Espacial reutilizó sus Solid Rocket Boosters , sus motores RS-25 y el orbitador del Transbordador Espacial que actuaba como etapa de inserción orbital, pero no reutilizó el Tanque Externo que alimentaba los motores RS-25. Este es un ejemplo de un sistema de lanzamiento reutilizable que reutiliza componentes específicos de cohetes. El Vulcan Centaur de ULA reutilizará específicamente los motores de la primera etapa, mientras se agota el tanque. Los motores aterrizarán en un aeroshell inflable y luego serán recuperados. El 23 de febrero de 2024, uno de los nueve motores Merlin que impulsan ese lanzamiento es el líder de vuelo, impulsando su misión número 22 a la órbita terrestre. Ya es el motor de cohete más famoso hasta la fecha, superando al motor principal del transbordador espacial no. Récord de 2019 de 19 vuelos en su vigésimo vuelo.
A partir de 2024, Falcon 9 y Falcon Heavy son los únicos cohetes orbitales que reutilizan sus propulsores, aunque se están desarrollando muchos otros sistemas. Todos los cohetes lanzados desde aviones reutilizan el avión.
Aparte de eso, a lo largo del tiempo se ha propuesto y explorado una variedad de sistemas de despegue sin cohetes como sistemas reutilizables para el despegue, a partir de globos [7] [¿ relevante? ] a los ascensores espaciales . Los ejemplos existentes son sistemas que emplean un despegue impulsado por un motor a reacción horizontal alado. Dichos aviones pueden lanzar desde el aire cohetes prescindibles y, por eso, pueden considerarse sistemas parcialmente reutilizables si se piensa que el avión es la primera etapa del vehículo de lanzamiento. Un ejemplo de esta configuración es el Orbital Sciences Pegasus . Para el vuelo suborbital, la SpaceShipTwo utiliza para el despegue un avión de transporte, su nave nodriza , la Scaled Composites White Knight Two . Rocket Lab está trabajando en Neutron y la Agencia Espacial Europea está trabajando en Themis. Está previsto que ambos vehículos recuperen la primera etapa. [8] [9]
Hasta ahora, la mayoría de los sistemas de lanzamiento logran la inserción orbital con cohetes de varias etapas al menos parcialmente gastados , particularmente con la segunda y tercera etapas. Sólo el Transbordador Espacial ha conseguido una reutilización de la etapa de inserción orbital, utilizando los motores y el depósito de combustible de su orbitador . El avión espacial Buran y la nave espacial Starship son otras dos naves espaciales reutilizables que fueron diseñadas para poder actuar como etapas de inserción orbital y ya se han producido, sin embargo, la primera solo realizó un vuelo de prueba sin tripulación antes de que se cancelara el proyecto, y la segunda aún no está operativa. , habiendo completado además solo dos vuelos de prueba orbitales , hasta diciembre de 2023, que no lograron alcanzar la órbita.
Los sistemas de lanzamiento se pueden combinar con aviones espaciales o cápsulas reutilizables. El orbitador del transbordador espacial , SpaceShipTwo , Dawn Mk-II Aurora y el RLV-TD indio en desarrollo son ejemplos de un vehículo espacial reutilizable (un avión espacial ), así como una parte de su sistema de lanzamiento.
Más contemporáneamente, el sistema de lanzamiento Falcon 9 ha llevado vehículos reutilizables como el Dragon 2 y el X-37 , transportando dos vehículos reutilizables al mismo tiempo.
Los vehículos orbitales reutilizables contemporáneos incluyen el X-37, el Dream Chaser , el Dragon 2, el RLV-TD indio y el próximo European Space Rider (sucesor del IXV ).
Al igual que con los vehículos de lanzamiento, todas las naves espaciales puras durante las primeras décadas de capacidad humana para realizar vuelos espaciales fueron diseñadas para ser artículos de un solo uso. Esto se aplica tanto a los satélites y las sondas espaciales destinados a permanecer en el espacio durante un largo tiempo, como a cualquier objeto diseñado para regresar a la Tierra, como las cápsulas espaciales transportadas por humanos o los recipientes de retorno de muestras de las misiones de recolección de materia espacial como Stardust ( 1999–2006) [10] o Hayabusa (2005–2010). [11] [12] Las excepciones a la regla general para los vehículos espaciales fueron el Gemini SC-2 estadounidense , la nave espacial de la Unión Soviética Vozvraschaemyi Apparat (VA) , el orbitador del transbordador espacial estadounidense (mediados de la década de 1970 a 2011, con 135 vuelos entre 1981 y 2011) y el Buran soviético (1980-1988, con solo un vuelo de prueba sin tripulación en 1988). Ambas naves espaciales también eran una parte integral del sistema de lanzamiento (que proporcionaba aceleración de lanzamiento), además de operar como naves espaciales de duración media en el espacio . Esto empezó a cambiar a mediados de la década de 2010.
En la década de 2010, la cápsula de carga de transporte espacial de uno de los proveedores que reabastecía la Estación Espacial Internacional fue diseñada para su reutilización, y después de 2017, [13] la NASA comenzó a permitir la reutilización de la nave espacial de carga SpaceX Dragon en estas rutas de transporte contratadas por la NASA. . Este fue el comienzo del diseño y operación de un vehículo espacial reutilizable .
Las cápsulas Boeing Starliner también reducen su velocidad de caída con paracaídas y despliegan un airbag poco antes de tocar tierra, para poder recuperar y reutilizar el vehículo.
A partir de 2021 [update], SpaceX actualmente está construyendo y probando la nave espacial Starship para que sea capaz de sobrevivir a múltiples reentradas hipersónicas a través de la atmósfera para que se conviertan en naves espaciales verdaderamente reutilizables de larga duración; Aún no se han realizado vuelos operativos de Starship.
Con posibles escudos térmicos inflables , como los desarrollados por los EE. UU. (Desacelerador inflable de prueba de vuelo en órbita terrestre baja - LOFTID) [14] y China, [15] se considera que los cohetes de un solo uso como el Sistema de Lanzamiento Espacial están equipados con dichos escudos térmicos para rescatar los costosos motores, posiblemente reduciendo significativamente los costos de los lanzamientos. [16] Los escudos térmicos permiten que una nave espacial en órbita aterrice de forma segura sin gastar mucho combustible. No es necesario que adopten la forma de escudos térmicos inflables; pueden adoptar simplemente la forma de baldosas resistentes al calor que impidan la conducción del calor . También se propone el uso de escudos térmicos en combinación con empuje retrógrado para permitir una reutilización total como se ve en Starship .
Las etapas del sistema de lanzamiento reutilizable, como el Falcon 9 y el New Shepard, emplean quemaduras retrógradas para desorbitar, reentrar y aterrizar. [ cita necesaria ]
Los sistemas reutilizables pueden venir en configuraciones de órbita única o múltiple ( dos o tres ). Para algunas o todas las etapas se pueden emplear los siguientes tipos de sistemas de aterrizaje.
Estos son sistemas de aterrizaje que emplean paracaídas y aterrizajes duros reforzados, como en un amerizaje en el mar o un aterrizaje en tierra. Esto último puede requerir encender el motor justo antes de aterrizar, ya que los paracaídas por sí solos no pueden reducir la velocidad de la nave lo suficiente como para evitar lesiones a los astronautas. Esto se puede ver en la cápsula Soyuz.
Aunque estos sistemas se utilizan desde los inicios de la astronáutica para recuperar vehículos espaciales, sólo más tarde se han reutilizado.
P.ej:
Las etapas individuales o principales, así como los propulsores de retorno, pueden emplear un sistema de aterrizaje horizontal. Estos vehículos aterrizan en la Tierra de forma muy parecida a como lo hace un avión, pero normalmente no utilizan propulsor durante el aterrizaje.
Ejemplos son:
Una variante es un sistema de remolque de captura en el aire, defendido por una empresa llamada EMBENTION con su proyecto FALCon. [17]
Los vehículos que aterrizan horizontalmente en una pista requieren alas y tren de aterrizaje. Por lo general, consumen entre el 9 y el 12% de la masa del vehículo de aterrizaje, [ cita necesaria ] , lo que reduce la carga útil o aumenta el tamaño del vehículo. Conceptos como los cuerpos elevadores ofrecen cierta reducción en la masa del ala, [ cita necesaria ] al igual que la forma del ala delta del transbordador espacial .
Sistemas como el McDonnell Douglas DC-X (Delta Clipper) y los de SpaceX son ejemplos de un sistema retrógrado. Los propulsores de Falcon 9 y Falcon Heavy aterrizan utilizando uno de sus nueve motores. El cohete Falcon 9 es el primer cohete orbital que aterriza verticalmente su primera etapa en la Tierra. Está previsto que la primera etapa de Starship aterrice verticalmente, mientras que la segunda será atrapada por los brazos después de realizar la mayoría de los pasos típicos de un aterrizaje retrógrado. El cohete suborbital New Shepard de Blue Origin también aterriza verticalmente en el lugar de lanzamiento.
El aterrizaje retrógrado normalmente requiere alrededor del 10% del propulsor total de la primera etapa, lo que reduce la carga útil que se puede transportar debido a la ecuación del cohete . [18]
También existe el concepto de un vehículo de lanzamiento con una primera etapa inflable y reutilizable. La forma de esta estructura estará sustentada por un exceso de presión interna (utilizando gases ligeros). Se supone que la densidad aparente de la primera etapa (sin propulsor) es menor que la densidad aparente del aire. Al regresar del vuelo, dicha primera etapa permanece flotando en el aire (sin tocar la superficie de la Tierra). Esto asegurará que la primera etapa se conserve para su reutilización. Aumentar el tamaño de la primera etapa aumenta las pérdidas aerodinámicas. Esto da como resultado una ligera disminución de la carga útil. Esta reducción de la carga útil se compensa con la reutilización de la primera etapa. [19]
Las etapas reutilizables pesan más que las etapas desechables equivalentes . Esto es inevitable debido a los sistemas suplementarios, el tren de aterrizaje y/o el excedente de propulsor necesarios para aterrizar un escenario. La penalización por masa real depende del vehículo y del modo de regreso elegido. [20]
Después de que el lanzador aterrice, es posible que sea necesario reacondicionarlo para prepararlo para su próximo vuelo. Este proceso puede ser largo y costoso. Es posible que el lanzador no pueda volver a certificarse como apto para humanos después de su remodelación, aunque SpaceX ha volado propulsores Falcon 9 reutilizados para misiones humanas. En última instancia, existe un límite en la cantidad de veces que se puede restaurar un lanzador antes de tener que retirarlo, pero la frecuencia con la que se puede reutilizar un lanzador difiere significativamente entre los distintos diseños de sistemas de lanzamiento.
Con el desarrollo de la propulsión de cohetes en la primera mitad del siglo XX, los viajes espaciales se convirtieron en una posibilidad técnica.
Las primeras ideas de un avión espacial reutilizable de una sola etapa resultaron poco realistas y, aunque incluso los primeros vehículos cohete prácticos ( V-2 ) pudieron alcanzar los confines del espacio, la tecnología reutilizable era demasiado pesada. Además, muchos de los primeros cohetes se desarrollaron para transportar armas, lo que hacía imposible su reutilización por diseño. El problema de la eficiencia masiva se superó mediante el uso de múltiples etapas prescindibles en un cohete multietapa de lanzamiento vertical . La USAF y la NACA habían estado estudiando aviones espaciales orbitales reutilizables desde 1958, por ejemplo Dyna-Soar , pero las primeras etapas reutilizables no volaron hasta la llegada del transbordador espacial estadounidense en 1981.
Quizás los primeros vehículos de lanzamiento reutilizables fueron los conceptualizados y estudiados por Wernher von Braun desde 1948 hasta 1956. El Von Braun Ferry Rocket sufrió dos revisiones: una en 1952 y otra en 1956. Habrían aterrizado utilizando paracaídas. [21] [22]
El Nexus de General Dynamics se propuso en la década de 1960 como un sucesor totalmente reutilizable del cohete Saturn V, con capacidad para transportar hasta 450 a 910 t (990 000 a 2 000 000 lb) a órbita. [23] [24] Véase también Sea Dragon y Douglas SASSTO .
El BAC Mustard se estudió a partir de 1964. Consistiría en tres aviones espaciales idénticos unidos entre sí y dispuestos en dos etapas. Durante el ascenso, los dos aviones espaciales que formaban la primera etapa se separarían y regresarían individualmente a la Tierra. Fue cancelado tras el último estudio de diseño en 1967 por falta de fondos para su desarrollo. [25]
La NASA inició el proceso de diseño del transbordador espacial en 1968, con la visión de crear un avión espacial totalmente reutilizable utilizando un propulsor de retorno tripulado . Este concepto resultó caro y complejo, por lo que el diseño se redujo a propulsores de cohetes sólidos reutilizables y un tanque externo prescindible . [26] [27] El transbordador espacial Columbia se lanzó y aterrizó 27 veces y se perdió con toda la tripulación en el intento número 28 de aterrizaje; Challenger se lanzó y aterrizó 9 veces y se perdió con toda la tripulación en el décimo intento de lanzamiento; El Discovery se lanzó y aterrizó 39 veces; Atlantis se lanzó y aterrizó 33 veces.
En 1986, el presidente Ronald Reagan solicitó un avión scramjet nacional (NASP)/ X-30 que respirase aire . El proyecto fracasó debido a problemas técnicos y fue cancelado en 1993. [28]
A finales de la década de 1980 se propuso una versión totalmente reutilizable del cohete Energia , el Energia II. Sus propulsores y su núcleo habrían tenido la capacidad de aterrizar por separado en una pista. [29]
En la década de 1990, la propuesta McDonnell Douglas Delta Clipper VTOL SSTO avanzó a la fase de prueba. El prototipo DC-X demostró un tiempo de respuesta rápido y control automático por computadora.
A mediados de la década de 1990, una investigación británica evolucionó un diseño anterior de HOTOL hasta convertirlo en el mucho más prometedor diseño Skylon , que sigue en desarrollo.
Desde finales de los años 1990 hasta los años 2000, la Agencia Espacial Europea estudió la recuperación de los propulsores de cohetes sólidos Ariane 5 . [30] El último intento de recuperación tuvo lugar en 2009. [31]
Las empresas comerciales, Rocketplane Kistler y Rotary Rocket , intentaron construir cohetes reutilizables desarrollados de forma privada antes de quebrar. [ cita necesaria ]
La NASA propuso conceptos reutilizables para reemplazar la tecnología Shuttle, que se demostrarán en el marco de los programas X-33 y X-34 , ambos cancelados a principios de la década de 2000 debido al aumento de costos y problemas técnicos.
El concurso Ansari X Prize tenía como objetivo desarrollar vehículos privados suborbitales reutilizables. Muchas empresas privadas compitieron, y el ganador, Scaled Composites , llegó a la línea Kármán dos veces en un período de dos semanas con su SpaceShipOne reutilizable .
En 2012, SpaceX inició un programa de pruebas de vuelo con vehículos experimentales . Posteriormente, esto condujo al desarrollo del lanzacohetes reutilizable Falcon 9 . [32]
El 23 de noviembre de 2015, el cohete New Shepard se convirtió en el primer cohete suborbital de despegue vertical y aterrizaje vertical (VTVL) en llegar al espacio pasando la línea Kármán (100 km o 62 millas), alcanzando 329,839 pies (100,535 m) antes de regresar. para un aterrizaje propulsivo. [33] [34]
SpaceX logró el primer aterrizaje suave vertical de una etapa de cohete orbital reutilizable el 21 de diciembre de 2015, después de colocar 11 satélites comerciales Orbcomm OG-2 en la órbita terrestre baja . [35]
La primera reutilización de una primera etapa del Falcon 9 se produjo el 30 de marzo de 2017. [36] SpaceX ahora recupera y reutiliza de forma rutinaria sus primeras etapas, además de reutilizar carenados . [37]
En 2019, Rocket Lab anunció planes para recuperar y reutilizar la primera etapa de su vehículo de lanzamiento Electron , con la intención de utilizar paracaídas y recuperación en el aire . [38] El 20 de noviembre de 2020, Rocket Lab devolvió con éxito una primera etapa Electron de un lanzamiento orbital, la etapa amerizó suavemente en el Océano Pacífico. [39]
China está investigando la reutilización del sistema Gran Marcha 8 . [40]
En mayo de 2020 [update], los únicos sistemas de lanzamiento de clase orbital reutilizables operativos son el Falcon 9 y el Falcon Heavy , el último de los cuales se basa en el Falcon 9. SpaceX también está desarrollando el sistema de lanzamiento Starship totalmente reutilizable. [41] Blue Origin está desarrollando su propio cohete orbital New Glenn parcialmente reutilizable, ya que tiene la intención de recuperar y reutilizar solo la primera etapa.
El 5 de octubre de 2020, Roscosmos firmó un contrato para desarrollar para Amur un nuevo lanzador con una primera etapa reutilizable. [42]
En diciembre de 2020, la ESA firmó contratos para comenzar a desarrollar THEMIS, un prototipo de lanzador de primera etapa reutilizable. [43]
Después de 1980, pero antes de la década de 2010, dos vehículos de lanzamiento orbital desarrollaron la capacidad de regresar al sitio de lanzamiento (RTLS). Tanto el transbordador espacial estadounidense —con uno de sus modos de aborto [44] [45] —como el Buran soviético [46] tenían diseñada la capacidad de devolver una parte del vehículo de lanzamiento al lugar de lanzamiento mediante el mecanismo de movimiento horizontal. aterrizaje de la parte del avión espacial del vehículo de lanzamiento. En ambos casos, la estructura de propulsión principal del vehículo y el gran tanque de propulsor eran prescindibles , como había sido el procedimiento estándar para todos los vehículos de lanzamiento orbital volados antes de ese momento. Ambos se demostraron posteriormente en vuelos nominales orbitales reales, aunque ambos también tenían un modo de aborto durante el lanzamiento que posiblemente podría permitir a la tripulación aterrizar el avión espacial después de un lanzamiento fuera de lo nominal.
En la década de 2000, tanto SpaceX como Blue Origin desarrollaron de forma privada un conjunto de tecnologías para respaldar el aterrizaje vertical de la etapa propulsora de un vehículo de lanzamiento. Después de 2010, SpaceX emprendió un programa de desarrollo para adquirir la capacidad de traer de regreso y aterrizar verticalmente una parte del vehículo de lanzamiento orbital Falcon 9 : la primera etapa . El primer aterrizaje exitoso se realizó en diciembre de 2015, [47] desde entonces, varias etapas de cohetes adicionales aterrizaron en una plataforma de aterrizaje adyacente al sitio de lanzamiento o en una plataforma de aterrizaje en el mar, a cierta distancia del sitio de lanzamiento. [48] El Falcon Heavy está diseñado de manera similar para reutilizar los tres núcleos que componen su primera etapa. En su primer vuelo en febrero de 2018, los dos núcleos externos regresaron con éxito a las plataformas de aterrizaje del sitio de lanzamiento, mientras que el núcleo central apuntó a la plataforma de aterrizaje en el mar, pero no aterrizó con éxito en ella. [49]
Blue Origin desarrolló tecnologías similares para traer de regreso y aterrizar su suborbital New Shepard , demostró con éxito el regreso en 2015 y reutilizó con éxito el mismo propulsor en un segundo vuelo suborbital en enero de 2016. [50] En octubre de 2016, Blue había vuelto a volar y aterrizar con éxito, ese mismo vehículo de lanzamiento un total de cinco veces. [51] Sin embargo, debe tenerse en cuenta que las trayectorias de lanzamiento de ambos vehículos son muy diferentes, con New Shepard yendo directamente hacia arriba y hacia abajo, mientras que Falcon 9 tiene que cancelar una velocidad horizontal sustancial y regresar desde una distancia significativa hacia abajo.
Tanto Blue Origin como SpaceX también tienen vehículos de lanzamiento reutilizables adicionales en desarrollo. Blue está desarrollando la primera etapa del orbital New Glenn LV para que sea reutilizable, y el primer vuelo está previsto para no antes de 2024. SpaceX tiene un nuevo vehículo de lanzamiento superpesado en desarrollo para misiones al espacio interplanetario . SpaceX Starship está diseñado para admitir RTLS, aterrizaje vertical y reutilización completa tanto de la etapa propulsora como de la segunda etapa integrada/nave espacial grande que están diseñadas para su uso con Starship. [52] Su primer intento de lanzamiento tuvo lugar en abril de 2023; sin embargo, ambas etapas se perdieron durante el ascenso.
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