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不滅的太空探索精神——航天飛機(jī)研發(fā)史

航天飛機(jī)是NASA在“阿波羅”登月計(jì)劃結(jié)束之后又一個(gè)雄心勃勃的太空計(jì)劃,但該計(jì)劃是基于不穩(wěn)定的政治支持和持續(xù)的資金削減基礎(chǔ)之上的,導(dǎo)致航天飛機(jī)的研制工作不得不在艱難中前進(jìn)。不過(guò)NASA最終獲得了成功,在1981年進(jìn)行了航天飛機(jī)的首次太空任務(wù)。航天飛機(jī)在許多方面都表現(xiàn)出令人印象深刻的創(chuàng)新特性,但也因研制中的妥協(xié)而為日后的“挑戰(zhàn)者”和“哥倫比亞”號(hào)悲劇埋下了伏筆……

航天飛機(jī)的起源

20世紀(jì)60年代,NASA在其頭號(hào)任務(wù)上取得了巨大的成功,把人送上了月球。雖然“阿波羅”登月計(jì)劃會(huì)一直延續(xù)到70年代中期,但此時(shí)的NASA急需獲得一項(xiàng)新使命來(lái)保持機(jī)構(gòu)的地位。因?yàn)殡S著阿波羅計(jì)劃的結(jié)束,公眾對(duì)登月的興趣會(huì)逐漸消退,NASA的影響力必然會(huì)降低,隨之而來(lái)的將是削減撥款和裁員。

“阿波羅”登月計(jì)劃極大鼓舞了美國(guó)國(guó)民的士氣

NASA花了好幾年時(shí)間來(lái)確定下一步該怎么走。1969年尼克松總統(tǒng)上任后不久,授權(quán)成立了一個(gè)副總統(tǒng)斯皮羅•阿格紐指導(dǎo)的“太空任務(wù)小組”,來(lái)確定NASA在后“阿波羅”時(shí)代的發(fā)展方向。太空任務(wù)小組成員包括NASA局長(zhǎng)托馬斯•潘恩、空軍部長(zhǎng)羅伯特•西曼斯、尼克松總統(tǒng)的科學(xué)顧問(wèn)李•杜布里奇。阿格紐副總統(tǒng)的存在僅具有象征意義,小組的其他成員覺(jué)得他對(duì)這件事情了解甚少,也不感興趣。

托馬斯•潘恩和尼克松總統(tǒng)等待接見(jiàn)“阿波羅”11號(hào)的返航宇航員

1969年9月,太空任務(wù)小組發(fā)布了研究報(bào)告。報(bào)告的核心內(nèi)容展示了一幅沿著20世紀(jì)50年代的宏偉愿景路線而繪制的“空間基礎(chǔ)設(shè)施”藍(lán)圖,其中包括空間站、太空拖船、核動(dòng)力月球和行星運(yùn)輸載具、月球基地等,報(bào)告預(yù)計(jì)美國(guó)將在20世紀(jì)80年代初開(kāi)始把人送上火星。而這一切想要成功都基于一個(gè)關(guān)鍵要素——可重復(fù)使用的載人航天發(fā)射系統(tǒng)。該系統(tǒng)一開(kāi)始被稱為“太空運(yùn)輸系統(tǒng)”(STS),而這就是航天飛機(jī)的起點(diǎn)。

1969年太空任務(wù)小組設(shè)想的“空間基礎(chǔ)設(shè)施”藍(lán)圖,已經(jīng)具有了航天飛機(jī)的雛形

其實(shí)類似的“可重復(fù)使用載具”(RLV)的想法并不新穎。為了解決制造一個(gè)昂貴的運(yùn)載火箭后發(fā)射一次就被拋棄的浪費(fèi)問(wèn)題,第二次世界大戰(zhàn)期間德國(guó)火箭科學(xué)家就提出了這個(gè)設(shè)想,在60年代還出現(xiàn)了大量的RLV紙上設(shè)想。

大多數(shù)設(shè)想都采用兩架有翼載具的組合,其中第一級(jí)載具安裝噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)或火箭發(fā)動(dòng)機(jī)甚至是兩者的組合,背負(fù)著安裝了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的第二級(jí)載具。第一級(jí)載具升空到達(dá)預(yù)定的高空高速狀態(tài)后,第二級(jí)載具與第一級(jí)分離,依靠自身的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)把載荷送入軌道。在完成各自的任務(wù)階段后,這兩架載具都能自行返航并降落在跑道上。一些設(shè)想的兩架載具并排連接,就像雙胞胎,甚至還有三架載具合體的。也有設(shè)想的第二級(jí)載具安裝有可消耗的火箭助推器。

馬丁公司在1963年設(shè)想的兩級(jí)載人航天發(fā)射系統(tǒng),兩級(jí)都能重復(fù)使用,毫不浪費(fèi)

NASA載人航天(OMSF)辦公室主任,喬治•米勒在1969年4月已經(jīng)組建了一支“航天飛機(jī)任務(wù)小組”,該小組提出的A階段航天飛機(jī)計(jì)劃正是按照這種思路設(shè)計(jì)的,由可回收助推器級(jí)和軌道器級(jí)組成,安裝了火箭和噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的兩級(jí)都能可重復(fù)使用;鸺l(fā)動(dòng)機(jī)將使用液氧和液氫(LOX-LH2)推進(jìn)劑。軌道器的后貨艙可以裝多達(dá)11350千克貨物,前載人艙可容納兩名機(jī)組和12名乘客。

麥克唐納公司設(shè)想的A階段航天飛機(jī)方案

A階段航天飛機(jī)更像是一個(gè)通用概念而不是具體方案要求。1970年年初,NASA提出了一個(gè)更具體的B階段方案要求,一開(kāi)始設(shè)想了一種有翼可飛回助推器和軌道器。大型可飛回助推器的尺寸相當(dāng)于一架大型噴氣式客機(jī),背負(fù)著較小的軌道器。B階段航天飛機(jī)會(huì)有很強(qiáng)的性能,但也將非常昂貴。尼克松政府對(duì)太空計(jì)劃并沒(méi)有太大熱情,一直在削減NASA的預(yù)算,航天飛機(jī)計(jì)劃看起來(lái)有點(diǎn)像強(qiáng)買強(qiáng)賣。

北美/通用動(dòng)力公司設(shè)想的B階段航天飛機(jī)方案

格魯曼/波音公司設(shè)想的B階段航天飛機(jī)方案

湯姆•潘恩因不滿NASA的預(yù)算遭削減,在1970年9月辭去局長(zhǎng)職務(wù),副局長(zhǎng)喬治•樓出任臨時(shí)局長(zhǎng),直到1971年1月詹姆斯•弗萊徹被任命為NASA新局長(zhǎng)。弗萊徹在20世紀(jì)50年代末曾在拉莫•伍爾德里奇公司參加了“先鋒”月球撞擊計(jì)劃。弗萊徹認(rèn)為NASA的未來(lái)就在航天飛機(jī)上,并努力展開(kāi)游說(shuō)。

詹姆斯•弗萊徹

尼克松政府也認(rèn)識(shí)到載人航天飛行很受大眾歡迎,NASA需要把航天飛機(jī)視為能滿足所有參與方要求的國(guó)家級(jí)航天器。NASA宣稱航天飛機(jī)具有十個(gè)能降低發(fā)射成本的優(yōu)點(diǎn),但一些研究表明想要降低發(fā)射成本必須先達(dá)到一定的發(fā)射頻率,而NASA的成本估算基于每周一次的發(fā)射頻率。所以批評(píng)者對(duì)NASA降低發(fā)射成本的說(shuō)法持懷疑態(tài)度,在當(dāng)時(shí),NASA的太空任務(wù)并不能填飽航天飛機(jī)的胃口。

這么高的發(fā)射頻率在日后將被證明是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的,現(xiàn)在也無(wú)從得知當(dāng)時(shí)弗萊徹和NASA是否再故意夸大宣傳,但他們肯定知道該機(jī)計(jì)劃已經(jīng)暗示航天飛機(jī)將取代運(yùn)載火箭發(fā)射美國(guó)以后的所有太空載荷,并下決心推動(dòng)計(jì)劃的成功。NASA正在進(jìn)行一次豪賭,他們寄希望于航天飛機(jī)在全面運(yùn)作后能大幅降低發(fā)射成本。但其中最大的問(wèn)題是,這一切都基于全新的、復(fù)雜的、未經(jīng)驗(yàn)證的技術(shù)。

光憑NASA的太空任務(wù)并不能滿足航天飛機(jī)的胃口,讓航天飛機(jī)進(jìn)行商業(yè)發(fā)射是個(gè)好主意。不過(guò)眼前還有一個(gè)麻煩,那就是NASA無(wú)權(quán)控制軍事發(fā)射,為了實(shí)現(xiàn)較高的發(fā)射率就必須把美國(guó)空軍拉上船,讓航天飛機(jī)成為名副其實(shí)的國(guó)家級(jí)航天器。

誰(shuí)知空軍高層對(duì)航天飛機(jī)的態(tài)度很冷淡,除非該機(jī)能滿足軍方的載荷要求,否則不予考慮。美國(guó)空軍的有效載荷要求幾乎是NASA設(shè)想的兩倍半——達(dá)到了33噸,這意味著航天飛機(jī)要做得更大。此外,美國(guó)空軍還要求航天飛機(jī)能在緊急返航種降落在保密基地,不想讓飛機(jī)裝著機(jī)密裝備到處降落,所以對(duì)航天飛機(jī)再入大氣層后的橫向機(jī)動(dòng)能力要求大增。軍方甚至要求NASA對(duì)整個(gè)航天飛機(jī)計(jì)劃進(jìn)行保密,喬治•穆勒斷然拒絕了這一要求。

付出了航天飛機(jī)研制大大復(fù)雜化的代價(jià)后,NASA只獲得了空軍的一紙承諾。盡管美國(guó)空軍會(huì)在范登堡空軍基地建造航天飛機(jī)發(fā)射設(shè)施,但不會(huì)為航天飛機(jī)研制撥一分錢。NASA覺(jué)得范登堡基地地理位置很不錯(cuò),航天飛機(jī)在這里發(fā)射能更有效率地進(jìn)入極地軌道?哲娺明確表示會(huì)保留“泰坦”運(yùn)載火箭的發(fā)射能力作為備份,他們不打算讓美國(guó)的軍事太空計(jì)劃完全受制于未經(jīng)證實(shí)的新技術(shù)。而且空軍要求優(yōu)先使用航天飛機(jī)執(zhí)行軍事任務(wù),當(dāng)然他們提出的發(fā)射頻率聽(tīng)起來(lái)并不難滿足。

范登堡空軍基地位于加州

就在NASA四處尋求支持時(shí),航天飛機(jī)的研制資金卻遭遇縮水。1971年5月,美國(guó)國(guó)會(huì)的“管理與預(yù)算辦公室”(OMB)向NASA增加的預(yù)算要求揮出了大斧。NASA不得不修改航天飛機(jī)的設(shè)計(jì)以滿足成本目標(biāo),從而能繼續(xù)推動(dòng)該計(jì)劃的實(shí)施。NASA的努力最終沒(méi)有白費(fèi),1972年1月5日尼克松總統(tǒng)批準(zhǔn)了航天飛機(jī)計(jì)劃,就是在十年前,肯尼迪總統(tǒng)批準(zhǔn)了“阿波羅”計(jì)劃。現(xiàn)在NASA又有一個(gè)新目標(biāo),一開(kāi)始計(jì)劃制造7架航天飛機(jī)。

取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展

這一階段航天飛機(jī)設(shè)計(jì)與B階段相比在性能上多少有縮水。軌道器沿用先前的設(shè)計(jì)理念,是一個(gè)機(jī)身截面為方形的雙三角形下單翼飛行器,尾部有一片高大的單垂尾,之所以選擇面積較大的雙三角翼是為了滿足美國(guó)空軍橫向機(jī)動(dòng)要求。航天飛機(jī)前端是飛機(jī)風(fēng)格的駕駛艙與乘員艙,之后是一個(gè)大型貨艙。貨艙門(mén)分成左右兩扇向上打開(kāi),可完全暴露出有效載荷。最終,北美羅克韋爾公司獲得了軌道器的合同。

軌道器沿用先前的設(shè)計(jì)理念,是一個(gè)機(jī)身截面為方形的雙三角形下單翼飛行器,尾部有一片高大的單垂尾

航天飛機(jī)前端是飛機(jī)風(fēng)格的駕駛艙與乘員艙,之后是一個(gè)大型貨艙

最終,北美羅克韋爾公司的方案獲得了軌道器的合同

但是NASA拋棄了可飛回助推器設(shè)計(jì)。鑒于現(xiàn)階段軌道器的尺寸,可飛回助推器要制造得比巨型客機(jī)都大,滿足性能要求就要面對(duì)巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。所以NASA用捆綁在軌道器兩側(cè)的兩個(gè)巨大的固體火箭推進(jìn)器(SRB)取代了可飛回助推器。SRB固體火箭推進(jìn)器耗盡燃料脫離后會(huì)打開(kāi)降落傘濺落海洋,然后經(jīng)翻新后再次使用。齊柯?tīng)柟精@得了SRB固體火箭推進(jìn)器的研制合同。一開(kāi)始有人認(rèn)為采用捆綁式液體燃料助推器將有更好的性能,但最后因?yàn)楸容^昂貴而選擇了固體火箭。馬丁•瑪麗埃塔公司負(fù)責(zé)制造連接在軌道器腹部的大型外部燃料箱,向軌道器尾部的三臺(tái)航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)(SSME)提供液體燃料,這些發(fā)動(dòng)機(jī)則由羅克達(dá)因公司制造。

航天飛機(jī)設(shè)計(jì)在1972-1974年間的演進(jìn),NASA已經(jīng)拋棄了可飛回助推器設(shè)計(jì)

SRB固體火箭推進(jìn)器結(jié)構(gòu)圖

大型外部燃料箱結(jié)構(gòu)圖@

SSME發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒液氫和液氧,每臺(tái)最大推力2090千牛(213噸),是“土星”V運(yùn)載火箭J-2型發(fā)動(dòng)機(jī)推力的兩倍多。SSME發(fā)動(dòng)機(jī)只負(fù)責(zé)把軌道器推出大氣層,一旦進(jìn)入太空后軌道器就切換到軌道機(jī)動(dòng)系統(tǒng)(OMS)推進(jìn),后者是麥道公司制造的兩臺(tái)火箭發(fā)動(dòng)機(jī),安裝在垂尾兩側(cè)。軌道器沒(méi)有配備噴氣發(fā)動(dòng)機(jī),滑翔返回地球并降落在跑道上。這種方式已經(jīng)在升力體上進(jìn)行了驗(yàn)證,并且在以后實(shí)際操作中也被證明是成功的。

航天飛機(jī)尾部有三臺(tái)SSME和兩臺(tái)OMS發(fā)動(dòng)機(jī)

這是一臺(tái)完整的SSEM

OMS鼓包內(nèi)部的燃料罐

OMS結(jié)構(gòu)圖

航天飛機(jī)不僅能把載荷發(fā)射入太空,原則上也能從太空捕獲載荷帶回地球。不過(guò)航天飛機(jī)只能達(dá)到低地球軌道,NASA為此也設(shè)想了安裝補(bǔ)充助推器把有效載荷送入更高的軌道,甚至是行星際軌道。

航天飛機(jī)能在太空滯留相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間,所以可以被當(dāng)成空間站使用。歐洲航天局(ESA)決定研制一個(gè)能裝入航天飛機(jī)貨艙中的太空實(shí)驗(yàn)室,實(shí)驗(yàn)室包括一個(gè)供研究人員進(jìn)行試驗(yàn)的加壓艙,以及安裝在貨艙后方托架上的控制儀器和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),當(dāng)然也可以只安裝托架。1973年8月14日,NASA和ESA正式簽署了太空實(shí)驗(yàn)室研制諒解備忘錄。

歐洲航天局(ESA)太空實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)

歐洲航天局的太空實(shí)驗(yàn)室任務(wù)/載荷專家們

NASA也打算支持小型業(yè)余和學(xué)校的太空研究項(xiàng)目,可以利用航天飛機(jī)貨艙的空余空間發(fā)射他們的GAS小型自主裝置。為了獲得廣泛的公眾支持,NASA也打算邀請(qǐng)政客、記者、平民、甚至是外國(guó)國(guó)民加入機(jī)組參加太空飛行。

GAS小型自主裝置罐,用于容納千奇百怪的太空實(shí)驗(yàn)裝置

人們對(duì)航天飛機(jī)的設(shè)計(jì)還是有許多顧慮,有人指出SRB固體火箭推進(jìn)器在點(diǎn)火后就不可能被關(guān)閉,一旦出事將會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。但NASA還是決定不給航天飛機(jī)配備完整的乘員救生系統(tǒng),僅僅是因?yàn)樵撓到y(tǒng)會(huì)增加約3000萬(wàn)美元的成本,所以航天飛機(jī)成為美國(guó)第一種沒(méi)有完善救生設(shè)施的載人航天器。

航天飛機(jī)原計(jì)劃安裝的彈射救生系統(tǒng),正副飛行員有單獨(dú)的彈射座椅,其他乘員則依靠彈射救生艙逃生

航天飛機(jī)的硬件龐大復(fù)雜、未經(jīng)驗(yàn)證。任何工程師都能看出來(lái)發(fā)展這樣一個(gè)雄心勃勃的計(jì)劃而不經(jīng)中間系統(tǒng)的驗(yàn)證純粹就是自找麻煩。實(shí)際上休斯敦約翰遜航天中心的一隊(duì)人馬一直在推動(dòng)首先研制一種較簡(jiǎn)單的可重復(fù)使用航天器,但因?yàn)檎卧蚨环駴Q。NASA也從技術(shù)和財(cái)政角度審視了發(fā)展只能把小型載荷送入軌道的第一代航天飛機(jī)的問(wèn)題,但覺(jué)得該方案過(guò)于保守。由于低成本,該項(xiàng)目也不會(huì)使NASA獲得較高的預(yù)算支持,所以缺乏任何吸引力。

不管怎樣,NASA似乎已經(jīng)在生存之戰(zhàn)中獲勝。航天飛機(jī)的撥款在1972財(cái)年是1億美元,到1973財(cái)年正式開(kāi)始發(fā)展時(shí)增加到1.99億美元。然后,1974財(cái)年攀升至4.75億美元,1975財(cái)年是7.975億美元,1976財(cái)年是12億美元。但僅靠加大資金投入是不夠的,航天飛機(jī)的研制是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,該計(jì)劃也沒(méi)有獲得來(lái)自政界或軍方的熱情支持?傊琋ASA獲得了天時(shí)地利,卻失去了人和。

遭遇的問(wèn)題

盡管航天飛機(jī)計(jì)劃存在諸多不足,但NASA仍堅(jiān)定推進(jìn)研制工作。航天飛機(jī)是一個(gè)非常雄心勃勃的設(shè)計(jì),不僅采用了大量全新技術(shù),而且預(yù)算也不足,所以研制工作遭遇了困境。

其中最大的難點(diǎn)是航天飛機(jī)SSME主發(fā)動(dòng)機(jī)。羅克達(dá)因公司的保羅•卡斯滕霍爾茨負(fù)責(zé)SSME發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目,他曾領(lǐng)導(dǎo)了“土星”五號(hào)的J-2發(fā)動(dòng)機(jī)的研制計(jì)劃,經(jīng)驗(yàn)豐富。一開(kāi)始SSME發(fā)動(dòng)機(jī)的研制進(jìn)展看上去很順利,1974年5月第一臺(tái)完整的SSME樣機(jī)被架在試車臺(tái)上開(kāi)始首次試車,按計(jì)劃成功運(yùn)行了半秒鐘。

正在測(cè)試中的SSME發(fā)動(dòng)機(jī)

誰(shuí)知道發(fā)動(dòng)機(jī)在持續(xù)最大推力測(cè)試中出了問(wèn)題,無(wú)法達(dá)到最大推力狀態(tài)。其中最主要的原因是輸送推進(jìn)劑的渦輪泵功率不足,盡管渦輪泵的最大功率達(dá)56700千瓦(76000馬力),但還是無(wú)法滿足SSME發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)推進(jìn)劑的渴求。

一臺(tái)RS-25 SSME發(fā)動(dòng)機(jī)有4臺(tái)渦輪泵

高壓燃料渦輪泵結(jié)構(gòu)圖

這些渦輪泵中的液氫泵還遭遇其他一系列的麻煩,第一個(gè)問(wèn)題是驅(qū)動(dòng)軸會(huì)在軸承支座中振動(dòng),花了八個(gè)月的時(shí)間來(lái)解決。然后是軸承冷卻系統(tǒng)問(wèn)題,軸承是由泵送的液氫冷卻,但事實(shí)證明冷卻通道設(shè)計(jì)不足,于是又花了六個(gè)月重新設(shè)計(jì)。最后渦輪葉片又出現(xiàn)了裂紋,最后查明是振動(dòng)導(dǎo)致,也花了六個(gè)月的時(shí)間來(lái)解決。

渦輪泵中的液氧泵也是問(wèn)題纏身,在試車中出過(guò)導(dǎo)致SSME發(fā)動(dòng)機(jī)起火的重大故障。要知道高壓液氧只要有一點(diǎn)泄漏就會(huì)導(dǎo)致燃燒,發(fā)動(dòng)機(jī)起火后會(huì)燒的什么也不剩,無(wú)法讓設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)分析故障原因。最后設(shè)計(jì)師們發(fā)現(xiàn)了液氧泵的一個(gè)旋轉(zhuǎn)密封圈因意想不到的摩擦而出現(xiàn)泄漏,在安裝新的密封圈后解決了這個(gè)問(wèn)題。之后設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)又發(fā)現(xiàn)液氧泵的軸承也有振動(dòng)問(wèn)題,同樣會(huì)引發(fā)火災(zāi)。在花很大代價(jià)進(jìn)行修改后,渦輪泵的問(wèn)題被逐漸解決。

航天飛機(jī)模型的風(fēng)洞測(cè)試

到1977年春,大多數(shù)渦輪泵問(wèn)題都已得到了解決,但沒(méi)人覺(jué)得研制工作已經(jīng)走出困境。按照原計(jì)劃,航天飛機(jī)在1978年3月就要進(jìn)行首次發(fā)射,但所有人都知道這已不可能。雪上加霜的是,國(guó)會(huì)預(yù)算辦公室此時(shí)又宣布削減3億美元的航天飛機(jī)計(jì)劃經(jīng)費(fèi)。NASA能做的就是提出“以成功為導(dǎo)向的管理”官僚政策,也就是說(shuō),航天飛機(jī)此時(shí)已經(jīng)變成了一個(gè)事先假定所有一切都會(huì)順利進(jìn)行的烏托邦計(jì)劃,然后所有人都屏住呼吸,祈禱不出事情。

1978年3月很快來(lái)臨,此時(shí)已經(jīng)沒(méi)人指望航天飛機(jī)能按時(shí)發(fā)射了。1978年12月,一臺(tái)SSME發(fā)動(dòng)機(jī)在靜態(tài)測(cè)試時(shí)炸毀,追蹤到液氧閥和熱交換器出現(xiàn)了問(wèn)題。閥門(mén)故障很容易理解和解決,但熱交換器的問(wèn)題則令人費(fèi)解,難以明確原因。

1979年5月和7月,又接連發(fā)生事故,不過(guò)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)找出了發(fā)動(dòng)機(jī)問(wèn)題所在,正在攻關(guān)解決。航天飛機(jī)要安裝三臺(tái)SSME發(fā)動(dòng)機(jī),所以下一步靜態(tài)測(cè)試是三臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合試車。1979年11月,一次聯(lián)合測(cè)試失敗,隨后在12月終于完成了一次成功測(cè)試。

正在安裝SSME的航天飛機(jī)


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