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月球冻土模拟与剪切强度试验分析

季节,王晓光,肖俊孝,肖涛,张伟伟,王储,马继楠,刘雅芳,孙京,姜生元

季节, 王晓光, 肖俊孝, 肖涛, 张伟伟, 王储, 马继楠, 刘雅芳, 孙京, 姜生元. 月球冻土模拟与剪切强度试验分析[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230006
引用本文: 季节, 王晓光, 肖俊孝, 肖涛, 张伟伟, 王储, 马继楠, 刘雅芳, 孙京, 姜生元. 月球冻土模拟与剪切强度试验分析[J]. 深空探测学报(中英文).doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230006
JI Jie, WANG Xiaoguang, XIAO Junxiao, XIAO Tao, ZHANG Weiwei, WANG Chu, MA Jinan, LIU Yafang, SUN Jing, JIANG Shengyuan. Simulation of Icy Lunar Regolith and Experiment on its Shear Strength[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230006
Citation: JI Jie, WANG Xiaoguang, XIAO Junxiao, XIAO Tao, ZHANG Weiwei, WANG Chu, MA Jinan, LIU Yafang, SUN Jing, JIANG Shengyuan. Simulation of Icy Lunar Regolith and Experiment on its Shear Strength[J].Journal of Deep Space Exploration.doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230006

月球冻土模拟与剪切强度试验分析

doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230006
基金项目:国家自然科学基金资助项目(52005136)
详细信息
    作者简介:

    季节(1995− ),男,博士研究生,主要研究方向:地外天体采样探测装备设计。通信地址:北京市海淀区友谊路104号院(100094)电话:(010)68745726E-mail:jijie2849@163.com

    刘雅芳(1986− ),女,高级工程师,主要研究方向:地外天体采样探测、星表智能作业机器人等。本文通信作者。通信地址:北京市海淀区友谊路104号院(100094)电话:18001338156E-mail:234281099@qq.com

  • 中图分类号:V416.5

Simulation of Icy Lunar Regolith and Experiment on its Shear Strength

  • 摘要:为获得月球永久阴影区中冻土的剪切强度特性,分析了月球冻土的矿物成分、粒径分布、干密度、含水率、赋存温度等物理特性,提出了月球冻土的模拟物制备与参数检测方法。基于变角剪切试验(VAST)方法,开展了斜长质和玄武质原料混配、干密度1.71 g/cm 3(相对密实度100%)、含水率3.7~9.5 wt%、温度低于–180℃的模拟月球冻土剪切强度测试。实验结果表明:模拟月球冻土在低围压下的剪切破坏模式以剪断面上的脆性断裂为主,随围压升高,模拟月球冻土的脆性降低、延性增加,破坏模式转变为整体压剪破坏,表观剪切强度下降;按直线型莫尔–库伦准则对模拟月球冻土在低围压下的剪切强度参数计算,结果显示其内聚力随含水率增加而近似线性增加,内摩擦角基本不随含水率变化,取值在50°~53°。
  • 图 1模拟月球冻土试样制备流程

    Fig. 1Preparation process of the simulated ILR sample

    图 2模拟月壤粒径累积分布曲线

    Fig. 2Particle size distribution of the LRS used

    图 3试样分层压实方法

    Fig. 3Compaction of the sample in two layers

    图 4试样含水率检测方法

    Fig. 4Measurement method of samples’ water content

    图 5试样二级梯度冷冻过程温度历程示意

    Fig. 5Temperature course of the two-stage freezing process

    图 6陪样传感预置与温升标定

    Fig. 6Sensor preset and temperature rise calibration by companion samples

    图 7试样温升–时间曲线标定结果

    Fig. 7Calibration results of the temperature rise of the companion samples

    图 8变角剪切试验方法

    Fig. 8Variable-angle shear test (VAST) method

    图 9变角剪切试验的应力数据分布

    Fig. 9Stress data pattern of the variable-angle shear test

    图 10试验流程及试样参数检测方法

    Fig. 10Test process and measurement method of sample parameters

    图 11模拟月球冻土变角剪切试验载荷–位移曲线

    Fig. 11Load-displacement curve of ILR simulant in variable-angle shear test

    图 12模拟月球冻土变角剪切试验破坏应力

    Fig. 12Damage stress of ILR simulant in variable-angle shear test

    图 1340°倾角模具中的试样破坏形态

    Fig. 13Failure morphology of specimen in a 40° mould

    图 14低正应力下模拟月球冻土剪切强度参数与含水率关系

    Fig. 14The relationship between shear strength parameters and water content of the ILR simulant under low normal pressure

    表 1混配模拟月壤与Apollo 16样品化学成分对比

    Table 1Comparison on chemical composition of mixed LRS and Apollo 16 sample

    成分 Apollo 16 JLU-H CUG-1A 7∶3混配
    SiO2 45.10 65.15 48.32 60.10
    Al2O3 26.80 19.28 16.01 18.30
    CaO 15.60 6.45 7.39 6.73
    FeO 5.40 12.50 3.75
    Fe2O3 1.31 0.92
    MgO 0.60 0.06 6.95 2.13
    TiO2 0.60 0.04 2.38 0.74
    MnO 0.22 0.01 0.15 0.05
    Na2O 0.43 4.95 0.19 3.52
    K2O 0.14 2.74 2.12 2.55
    P2O5 0.10 0.01 0.54 0.17
    LOI 0.00 0.77 0.19 0.60
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    表 2模拟月壤原料及混配后颗粒比重

    Table 2Specific gravity of LRS raw materials and mixed LRS

    参数
    斜长质颗粒比重/(g·cm–3 2.69
    玄武质颗粒比重/(g·cm–3 2.89
    混配后斜长质月壤含量 70wt%(71.5 vol%)
    混配后平均颗粒比重/(g·cm–3 2.75
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    表 3月壤与模拟月壤的相对密实度定义参数

    Table 3Parameters for definingDrof lunar regolith and LRS

    参数 原位月壤
    估计值
    模拟原料
    实测值
    模拟月壤
    定义值
    颗粒比重ρs/(g·cm–3 3.10 2.75 2.75
    最小干密度ρmin/(g·cm–3 1.30 1.28 1.15
    最大孔隙比emax 1.38 1.15 1.38
    最大干密度ρmax/(g·cm–3 1.92 1.88 1.71
    最小孔隙比emin 0.61 0.46 0.61
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    表 4试验参数设定值及实测值

    Table 4Set value and measured value of test parameters

    参数 名义数值 实测数值
    试样尺寸/mm 40×40×40 平均边长40.7
    含水率/wt% 4,6,8.5,10 3.85±0.26,5.73±0.19,
    8.07±0.17,9.47±0.25
    干密度/(g·cm–3 1.71 1.714±0.016
    破坏温度/℃ 低于–160 –186~–180
    模具倾角/° 20,25,30,40
    加载速率/(mm·min–1 10
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    表 5破坏载荷与试样参数的相关系数表

    Table 5Correlation coefficients between axial load and sample parameters

    参数 名义含水率
    4 wt% 6 wt% 8.5 wt% 10 wt%
    模具倾角 0.887 1* 0.937 2* 0.967 2* 0.902 7*
    含水率 0.403 3 0.354 5 0.078 4 0.449 9
    干密度 0.107 3 0.273 8 0.156 9 0.141 0
    破坏温度 0.624 8 –0.019 4 0.390 6 0.346 4
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    表 6解释相关系数大小的经验法则

    Table 6Rule for interpreting the size of correlation coefficient

    相关系数|r| 解释
    0.9~1.0 极高相关性
    0.7~0.9 高相关性
    0.5~0.7 中等相关性
    0.3~0.5 低相关性
    0.0~0.3 几乎不相关
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    表 7模拟月球冻土剪切强度拟合结果

    Table 7Shear strength fitting results of ILR simulant

    含水率/wt% 内聚力/MPa 内摩擦角/(°)
    3.9 1.40±0.10 51.2±1.2
    5.7 2.81±0.24 50.5±1.5
    8.1 3.92±0.30 52.7±1.1
    9.5 5.24±0.44 52.9±1.1
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  • [1] 吴伟仁,于登云,王赤,等. 月球极区探测的主要科学与技术问题研究[J]. 深空探测学报(中英文),2020,7(3):223-231.

    WU W R,YU D Y,WANG C,et al. Research on the main scientific and technological issues on lunar polar exploration[J]. Journal of Deep Space Exploration,2020,7(3):223-231.
    [2] 何成旦,李亚胜,温智,等. 月表水冰探测与赋存形态研究进展[J]. 真空与低温,2021,27(6):589-600.doi:10.3969/j.issn.1006-7086.2021.06.011

    HE C D,LI Y S,WEN Z,et al. Research progress of lunar surface waterice detection and occurrence form[J]. Vacuum and Cryogenics,2021,27(6):589-600.doi:10.3969/j.issn.1006-7086.2021.06.011
    [3] WILLIAMS J P,GREENHAGEN B T,PAIGE D A,et al. Seasonal polar temperatures on the Moon[J]. Journal of Geophysical Research:Planets,2019,124(10):2505-2521.
    [4] GERTSCH L S, ROSTAMI J, GUSTAFSON R. Review of lunar regolith properties for design of low power lunar excavators[C]//Proceedings of the 6th International Conference on Case Histories in Geotechnical Engineering. Arlington, VA: [s. n. ]: 2008.
    [5] ATKINSON J, ZACNY K. Mechanical properties of icy lunar regolith: Application to ISRU on the moon and mars[C]//Proceedings of Earth and Space 2018: Engineering for Extreme Environments. Reston, VA: [s. n.]: 2018.
    [6] PITCHER C,KÖMLE N,LEIBNIZ O,et al. Investigation of the properties of icy lunar polar regolith simulants[J]. Advances in Space Research,2016,57(5):1197-1208.doi:10.1016/j.asr.2015.12.030
    [7] LIU J,ZHANG W,TIAN Y,et al. Analysis and prediction of uniaxial compressive strength of icy lunar regolith under extreme temperature[J]. Advances in Space Research,2022,69(12):4391-4407.doi:10.1016/j.asr.2022.03.042
    [8] 李龙,周琴,张凯,等. 冻土机械切削破碎机理的研究进展[J]. 冰川冻土,2021,43(2):638-649.

    LI L,ZHOU Q,ZHANG K,et al. Research progress on mechanical cutting fracture mechanism of frozen soil[J]. Journal of Glaciology and Geocryology,2021,43(2):638-649.
    [9] 郑国敬,周琴,张凯,等. 单齿回转切削力学模型的研究进展[J]. 煤炭学报,2018,43(S2):573-580.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.0713

    ZHENG G J,ZHOU Q,ZHANG K,et al. Advances and trends in the study on rotary cutting mechanical model of single cutter[J]. Journal of China Coal Society,2018,43(S2):573-580.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.0713
    [10] 刘君巍,汪恩良,田野,等. 月壤水冰组构模拟及力学特性测试分析[J]. 深空探测学报(中英文),2022,9(2):134-140.

    LIU J,WANG E,TIAN Y,et al. Fabric simulation and mechanical characteristics test and analysis of icy lunar regolith[J]. Journal of Deep Space Exploration,2022,9(2):134-140.
    [11] BASU A,RIEGSECKER S. Modal mineralogic distribution in the regolith at Apollo landing sites[J]. Journal of Geophysical Research:Planets,2000,105(E2):4361-4368.doi:10.1029/1999JE001084
    [12] SUN X,ZHANG R,LI X,et al. JLU-H:a novel lunar highland regolith simulant for use in large-scale engineering experiments[J]. Planetary and Space Science,2022,221:105562.doi:10.1016/j.pss.2022.105562
    [13] 李建桥,邹猛,贾阳,等. 用于月面车辆力学试验的模拟月壤研究[J]. 岩土力学,2008,29(6):1557-1561.doi:10.3969/j.issn.1000-7598.2008.06.023

    LI J Q,ZOU M,JIA Y,et al. Lunar soil simulant for vehicle-terramechanics research in labtory[J]. Rock and Soil Mechanics,2008,29(6):1557-1561.doi:10.3969/j.issn.1000-7598.2008.06.023
    [14] HE X, XIAO L, HUANG J, et al. Lunar regolith simulant CUG-1A[C]//Proceedings of the 41st Annual Lunar and Planetary Science Conference. The Woodlands, Texas: [s. n]: 2010.
    [15] ZENG X,HE C,WILKINSON A. Geotechnical properties of NT-LHT-2M lunar highland simulant[J]. Journal of Aerospace Engineering,2010,23(4):213-218.doi:10.1061/(ASCE)AS.1943-5525.0000026
    [16] BUTLER J C, GREENE G M, KING Jr E A. Grain size frequency distributions and modal analyses of Apollo 16 fines[C]//Porceedings of the Fourth Lunar Science Conference (LSC 1973). Houston, Texas: 1973.
    [17] HEIKEN G H, VANIMAN D T, FRENCH B M. Lunar Sourcebook: a user’s guide to the Moon[M]. Cambrideg: Cambridge University Press. 1991.
    [18] 季节,张伟伟,杨旭,等. 月球极区水冰采样探测技术综述[J]. 深空探测学报(中英文),2022,9(2):101-113.

    JI J,ZHANG W W,YANG X,et al. Overview of water ice sampling and detection techniques in the lunar polar region[J]. Journal of Deep Space Exploration,2022,9(2):101-113.
    [19] COLAPRETE A,SCHULTZ P,HELDMANN J,et al. Detection of water in the LCROSS ejecta plume[J]. Science,2010,330(6003):463-468.doi:10.1126/science.1186986
    [20] ANDREAS E L. New estimates for the sublimation rate for ice on the Moon[J]. Icarus,2007,186(1):24-30.doi:10.1016/j.icarus.2006.08.024
    [21] PAIGE D A,SIEGLER M A,ZHANG J A,et al. Diviner lunar radiometer observations of cold traps in the Moon’s south polar region[J]. Science,2010,330(6003):479-482.doi:10.1126/science.1187726
    [22] DU K,LI X,WANG S,et al. Compression-shear failure properties and acoustic emission (AE) characteristics of rocks in variable angle shear and direct shear tests[J]. Measurement,2021,183:109814.doi:10.1016/j.measurement.2021.109814
    [23] ASUERO A G,SAYAGO A,GONZÁLEZ A G. The correlation coefficient:an overview[J]. Critical Reviews in Analytical Chemistry,2006,36(1):41-59.doi:10.1080/10408340500526766
    [24] 朱志武,宁建国,马巍. 冻土屈服面与屈服准则的研究[J]. 固体力学学报,2006(3):307-310.doi:10.3969/j.issn.0254-7805.2006.03.016

    ZHU Z W,NING J G,MA W. Study on yield surface and yield criterion of frozen soil[J]. Acta Mechanica Solida Sinica,2006(3):307-310.doi:10.3969/j.issn.0254-7805.2006.03.016
    [25] 周兆曦, 马芹永. 负温下模拟月壤三轴压缩试验与分析[J]. 合肥学院学报(综合版), 2022, 39(2): 26-31.

    ZHOU Z X, MA Q Y. Triaxial compression test and analysis of simulated lunar soil at negative temperature[J]. Journal of Hefei University (Comprehensive Edition). 2022, 39(2): 26-31.
    [26] WANG Y,FENG W K,LI C H,et al. An investigation into the effects of block size on the mechanical behaviors of bimsoils using variable-angle shear experiments[J]. Environmental Earth Sciences,2020,79(3):1-13.
  • [1] 孙凤, 霍晓文, 茅冒, 赵海宁, 徐方超, 张伟伟, 陈化智, 唐钧跃, 张晓友, 杨旭, 刘雅芳, 姜生元.双体振贯采样磁力驱动式月壤采样器设计. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210150
    [2] 李雄耀, 魏广飞, 曾小家, 李阳, 唐红, 刘建忠, 姜生元, 邹猛, 马继楠, 王储, 贺怀宇, 郑万平, CLOUTICS Edward.极区月壤和水冰形成演化机制及物理特性研究. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210147
    [3] 黄靖, 郭华东, 刘广, 邓玉.基于月基观测几何的地球辐射能量模拟研究. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210078
    [4] 张吉栋, 李向月, 平劲松.月球南极月基平台选址分析. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210079
    [5] 邓玉, 郭华东, 刘广, 叶罕霖, 黄靖.月基对地观测图像模拟与应用研究. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210073
    [6] 张志恒, 唐钧跃, 张伟伟, 孙凤, 李鹏, 王储, 刘子恒, 贺怀宇, 刘冉冉, 马如奇, 姜生元.月壤微定量采样器设计与试验验证. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210148
    [7] 刘君巍, 汪恩良, 田野, 刘兴超, 唐亮, 崔江磊, 陶立军, 葛坦龙, 卢孜筱, 张伟伟, 唐钧跃, 姜生元.月壤水冰组构模拟及力学特性测试分析. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210153
    [8] 肖俊孝, 庞宝君, 唐钧跃, 迟润强, 陈圣鹏, 刘君巍, 田野, 张伟伟, 姜生元.月壤水冰模拟样本SHPB试验及反射波特性分析. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210154
    [9] 孙淼, 张鸿宇, 迟润强, 庞宝君, 肖俊孝, 范锦彪, 钱成, 卢孜筱, 姜生元.侵彻式月壤探测地面模拟试验研究. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210149
    [10] 赵宇, 季节, 田野, 段张庆, 张伟伟.含冰模拟月壤切削负载试验研究. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220078
    [11] 何芸, 胡泽主, 黎明, 刘祺, 叶贤基.新一代单体月球激光角反射器方案设计. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20190227003
    [12] 王迎春, 王国欣, 赵帆, 张鼐, 王书超.深层月壤钻取冗余绕组电机控制方法. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20210014
    [13] 武迪, 程林, 王伟, 李俊峰.基于切换系统的小推力轨迹优化协态初始化方法. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20200090
    [14] 庞勇, 王国欣, 汤滨, 王书超, 赵忠贤.月球浅层月壤螺旋钻具进芯机制设计. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20210019
    [15] 林云成, 李立犇, 赵振家, 张荣荣, 金聪, 邹猛.着陆器足垫冲击月壤动态行为离散元仿真分析. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20190313002
    [16] 马超, 刘飞, 曾婷, 赵曾, 庞勇, 樊明旭, 姜生元.无轴螺旋式模拟月壤主动填充装置研制. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.01.009
    [17] 马瑜, 王辉, 邵振威, 杨增钦, 尚福林, 侯德门, 耿洪滨, 吕刚.CFRP管件的弯曲蠕变行为试验研究. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.04.006
    [18] 陈新民, 周天帅, 朱冬阁, 王建明.有限推力变轨的月球探测器发射轨道设计. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2016.03.009
    [19] 赖小明, 白书欣, 赵曾, 庞勇, 殷参.模拟月面环境钻进过程热特性研究. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2016.02.011
    [20] 沈毅, 王冬, 姜生元, 刘杰, 张伟伟, 陈化智, 邓宗全.月壤剖面冲击贯入式探测方案研究. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2015.03.004
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出版历程
  • 收稿日期:2022-02-01
  • 修回日期:2022-04-01
  • 网络出版日期:2023-04-30

月球冻土模拟与剪切强度试验分析

doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230006
    基金项目:国家自然科学基金资助项目(52005136)
    作者简介:

    季节(1995− ),男,博士研究生,主要研究方向:地外天体采样探测装备设计。通信地址:北京市海淀区友谊路104号院(100094)电话:(010)68745726E-mail:jijie2849@163.com

    刘雅芳(1986− ),女,高级工程师,主要研究方向:地外天体采样探测、星表智能作业机器人等。本文通信作者。通信地址:北京市海淀区友谊路104号院(100094)电话:18001338156E-mail:234281099@qq.com

  • 中图分类号:V416.5

摘要:为获得月球永久阴影区中冻土的剪切强度特性,分析了月球冻土的矿物成分、粒径分布、干密度、含水率、赋存温度等物理特性,提出了月球冻土的模拟物制备与参数检测方法。基于变角剪切试验(VAST)方法,开展了斜长质和玄武质原料混配、干密度1.71 g/cm3(相对密实度100%)、含水率3.7~9.5 wt%、温度低于–180℃的模拟月球冻土剪切强度测试。实验结果表明:模拟月球冻土在低围压下的剪切破坏模式以剪断面上的脆性断裂为主,随围压升高,模拟月球冻土的脆性降低、延性增加,破坏模式转变为整体压剪破坏,表观剪切强度下降;按直线型莫尔–库伦准则对模拟月球冻土在低围压下的剪切强度参数计算,结果显示其内聚力随含水率增加而近似线性增加,内摩擦角基本不随含水率变化,取值在50°~53°。

English Abstract

季节, 王晓光, 肖俊孝, 肖涛, 张伟伟, 王储, 马继楠, 刘雅芳, 孙京, 姜生元. 月球冻土模拟与剪切强度试验分析[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230006
引用本文: 季节, 王晓光, 肖俊孝, 肖涛, 张伟伟, 王储, 马继楠, 刘雅芳, 孙京, 姜生元. 月球冻土模拟与剪切强度试验分析[J]. 深空探测学报(中英文).doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230006
JI Jie, WANG Xiaoguang, XIAO Junxiao, XIAO Tao, ZHANG Weiwei, WANG Chu, MA Jinan, LIU Yafang, SUN Jing, JIANG Shengyuan. Simulation of Icy Lunar Regolith and Experiment on its Shear Strength[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230006
Citation: JI Jie, WANG Xiaoguang, XIAO Junxiao, XIAO Tao, ZHANG Weiwei, WANG Chu, MA Jinan, LIU Yafang, SUN Jing, JIANG Shengyuan. Simulation of Icy Lunar Regolith and Experiment on its Shear Strength[J].Journal of Deep Space Exploration.doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230006
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