The Data Processing Method for the Scattering Angle of Axial Preformed Fragments under Dynamic Flight

LI Hongjiang; CAO Tao; SUN Jiwei; XU Bingchuan

doi:10.15892/j.cnki.djzdxb.2022.05.012

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JPRMG ›› 2022, Vol. 42 ›› Issue (5) : 58-63. DOI: 10.15892/j.cnki.djzdxb.2022.05.012

The Data Processing Method for the Scattering Angle of Axial Preformed Fragments under Dynamic Flight

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Abstract

In order to study the data processing method for the scattering angle of axial preformed fragment, the warhead with a certain type of axial preformed fragment has the advantage of setting the explosion distance and accurately controlling the explosion point, so a dynamic-flying test of gun-launched method is designed. The density distribution of axial preformed fragments under dynamic flight is obtained.Combined with the data processing method of static test,the data processing method of ratio integral of fragment, the data processing method for average density of fragments and the data processing method for continuous location,three new data processing methods are proposed. Based on the density distribution of fragments,the scattering angles obtained by three new data processing methods are calculated and compared.It can be seen that the data processing method for continuous location can more comprehensive represent the damage distribution of fragments in the form of an interval of angles.The test results and data processing methods can be used for evaluation of ammunition power under actual combat scene.

Key words

axial preformed fragment / density distribution / scattering angle / data processing method

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LI Hongjiang, CAO Tao, SUN Jiwei, et al. The Data Processing Method for the Scattering Angle of Axial Preformed Fragments under Dynamic Flight[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2022, 42(5): 58-63 https://doi.org/10.15892/j.cnki.djzdxb.2022.05.012

0 引言

轴向预制破片战斗部是战斗部结构中的主要类型之一,通过装药爆炸驱动定向破片飞散,起爆后破片沿战斗部轴线形成一定锥角的破片束。凭借形成的破片密度高、杀伤威力大等显著优点, 近年来受到了广泛关注^{[1⇓⇓⇓⇓-6]}。在诸多表征参数中,破片飞散角是衡量轴向预制破片战斗部威力的重要指标。

关于破片飞散角的数据处理方法国内主要通过数值计算和仿真对动态下破片飞散角进行一些研究。文献[7 ⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-16]从不同角度对飞散角进行了定义和研究,虽然在动态试验中研究轴向预制破片存在弹药落点位置不确定,且破片分布受弹药的攻角、弹药加载速度、飞行姿态、弹目交会等诸多因素影响,但在动态试验中获取轴向预制破片分布数据更接近于弹药真实作战下的毁伤状态,数据更具参考价值。

文中利用某型轴向预制破片战斗部具备设定爆炸距离及精确控制炸点的有利条件,设计一种动态飞行下轴向预制破片战斗部爆炸破片的测试试验,获取动态飞行下的轴向破片分布,然后利用破片比率积分、破征平均密度和间断位置3种数据处理方法得到相应飞散角,对比可看出间断位置数据处理方法得到的飞散角以角度区间的并集形式能较为全面的表示出破片杀伤分布。

1 试验设计

1.1 轴向预制破片战斗部结构模型

轴向预制破片战斗部由风帽、预制破片、弹体、炸药装药、引信组成,结构如图1所示。其作用原理是:发射后引信作用炸药装药驱动预制破片沿战斗部轴线形成一定锥角的破片束。

图1 轴向预制破片战斗部结构示意图

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1.2 轴向预制破片战斗部动态飞行方式和起爆方式

试验中轴向预制破片战斗部配有时间引信,并采用火炮进行水平加载,火控系统将装定信息发送至引信,发射后引信电路开始计时,引信根据实测初速修正装定空炸时间,在计时时刻终点引爆战斗部,实现定距定点定向毁伤。

动态炸点设定在炮口正前方200 m、距离地面高度1.5 m处,取3发有效数据。

1.3 破片拦截靶布设

通常情况下破片飞散是呈轴对称分布的,因此测得轴线一侧的破片分布规律即可得出整体的破片分布规律。动态飞行试验采用一种扇形破片拦截靶(扇形靶),其布局如图2所示。破片拦截靶主要用于获取战斗部动态飞行爆炸后两个距离的破片分布。高速相机用于判断实际炸点与预定炸点的一致性。

图2 破片拦截靶布局

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扇形破片拦截靶采用干燥的三等松木板,厚度为25 mm,靶高3 m,在炮口方向轴线两侧,以预定炸点为圆心,分别布置半径为30 m和35 m的扇形靶,布靶圆心角为40°,即每块扇形破片拦截靶的扇面弧长等于各扇形靶板所处圆周的1/9弧长。以预定炸点沿炮口方向投影到扇形靶上作为基准零点,以1.5 m水平线平分拦截靶,以间隔竖直线对拦截靶进行分区,并对分区按1-上,1-下;2-上,2-下;……,从中间向两侧分别进行编号。在预定炸点位置沿炮口方向视角,扇形破片拦截靶分区示意图如图3所示。

图3 破片拦截靶分区示意图

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2 数据处理方法

2.1 破片分布表征

轴向预制破片战斗部动态飞行爆炸后,由扇形破片靶各分区破片数量与其对应面积之比,可得到破片密度。

用图形直观显示分区与破片密度的关系,轴向破片密度分布示意图如图4所示。

图4 轴向破片密度分布示意图

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2.2 飞散角数据处理方法

虽然根据国军标破片飞散角计算中的破片比率积分法,从扇形破片靶上计算出左右各含5%有效破片的角度,可由轴对称性得到该战斗部的飞散角立体模型为空心圆锥体。但在工程中,轴向预制破片战斗部的破片束集中在轴心,且整体上呈现随径向由内到外逐渐减少趋势,形成的飞散角立体模型为实心圆锥体,两者之间存在明显差距。因此文中提出一种新的破片比率积分数据处理方法,同时结合静爆破片威力场处理方法、等效靶概念及破片分布规律,提出破片平均密度和间断位置两种新的数据处理方法。

2.2.1 新的破片比率积分数据处理方法

新的破片比率积分数据处理方法中动态破片飞散角指弹药爆炸后轴向90%破片与动态炸点连线所对应的夹角θ^[14]。要计算破片飞散角,首先要对破片进行比率积分计算,即

N_a=

\overset{j}{\sum_{i = 1}}

N_i

(1)

F(θ)=

\overset{n}{\sum_{i = 1}} \frac{N_{i}}{N_{a}}

(2)

式中:N_a为所有分区破片总数;N_i为各分区破片数;当计算30 m扇形靶时j取46, 当计算35 m扇形靶时j取52;F(θ)为破片比率积分函数。

由计算结果可获得比率积分结果0.90所对应的分区。通过分区对应边界线与炸点的连线以及轴向基线的夹角可以获得飞散角。

只要获得比率积分分区边界,就可以通过分区角度换算求取30 m靶飞散角Ф₃₀和35 m靶飞散角Ф₃₅,其关系为:

θ₁=

(\frac{B_{1}}{46})

×40°

(3)

θ₂=

(\frac{B_{2}}{52})

×40°

(4)

Ф₃₀=θ₁×2

(5)

Ф₃₅=θ₂×2

(6)

式中:θ₁为比率积分值0.90对应30 m扇形破片拦截靶边界与炸点到轴向基线夹角;θ₂为比率积分值0.90对应35 m扇形破片拦截靶边界与炸点到轴向基线夹角;B₁为比率积分值0.90对应30 m扇形破片拦截靶边界分区编号;B₂为比率积分值0.90对应35 m扇形破片拦截靶边界分区编号;Ф₃₀为战斗部杀伤半径为30 m时的飞散角;Ф₃₅为战斗部杀伤半径为35 m时的飞散角。

2.2.2 破片平均密度数据处理方法

杀伤半径(指密集杀伤半径)定义为:在此半径的圆周上设置人形靶(高1.5 m,宽0.5 m,厚0.25 m)时能保证平均被一块杀伤破片所击中。相应的杀伤准则为,能击穿25 mm厚松木靶板的破片数为杀伤破片,两块镶嵌入板内的未穿破片折算为一块杀伤破片,一片以上杀伤破片击中目标即为杀伤,即破片密度≥4/3(片/m²)则判定为杀伤^[17]。由于侧向稀疏效应,预制破片密度由轴向基线随径向自内到外逐渐减少^[18-19],因此从两侧向中间开始取边界较为合理。破片平均密度数据处理方法可定义为:从侧边逐格向中心移动,连续取n个分区的平均密度值,当其平均密度值≥4/3(片/m²)时,靠近侧边分区的边线为飞散角边界线,由边界线与炸点的连线以及轴向基线可以获得飞散角。

在数据处理中n的取值十分关键,由于破片在空中可能出现收束或再扩散的情况,靶板上会出现间断的未杀伤分区现象,因此n的取值范围不能太小。此外,由于靶板中心密度较高,当n的取值范围过大时就失去了平均值的意义,因此初步将n值上限定在总样本数的1/10左右,即n=λ(λ取2,3,4,5),确定n值后,只要获得杀伤半径分区边界,就可以通过分区边界换算成30 m靶飞散角X₃₀和35 m靶飞散角X₃₅。由图6得:

η₁=

(\frac{S_{1}}{46})

×40°

(7)

η₂=

(\frac{S_{2}}{52})

×40°

(8)

X₃₀=η₁×2

(9)

X₃₅=η₂×2

(10)

式中:η₁为30 m扇形靶对应分区靠近侧边边线为边界线与炸点到轴向基线夹角;η₂为35 m扇形靶对应分区靠近侧边边线为边界线与炸点到轴向基线夹角;S₁为当n=λ时,λ个分区的平均密度值≥4/3(片/m²)时,对应30 m扇形破片拦截靶靠近侧边分区编号;S₂为当n=λ时,λ个分区的平均密度值≥4/3(片/m²)时,对应35 m扇形破片拦截靶靠近侧边分区编号;X₃₀为战斗部杀伤半径为30 m时的飞散角;X₃₅为战斗部杀伤半径为35 m时的飞散角。

2.2.3 间断位置数据处理方法

间断位置数据处理方法是在轴向预制破片战斗部爆炸后,从轴心沿径向逐格检查拦截靶时出现“间断”位置,根据“间断”情况得出飞散角。根据杀伤半径定义,破片密度<4/3(片/m²)则判定为未杀伤,连续n个分区为未杀伤,则判定为“间断”。飞散角边界为杀伤分区与未杀伤分区交界线,边界线与炸点的连线以及轴向基线的夹角可以获得飞散角。在靶面上出现一些“间断”后的连续杀伤区间,若区间过短则判定为无效的偶然杀伤,其为破片在飞散中出现撞击、破碎等情况导致;若区间角度占总区域的1/10,则判定为有效角度区间,并以角度区间并集的形式表现出来。

可以看出,n的取值较为关键,同上述原理,n=Δ(Δ取2,3,4,5)。确定n值后,只要获得杀伤半径分区边界,就可以通过分区边界换算成30 m靶飞散角β₃₀和35 m靶飞散角β₃₅。根据几何关系得:

α₁=

(\frac{K_{1}}{46})

×40°

(11)

α₂=

(\frac{K_{2}}{52})

×40°

(12)

β₃₀=α₁×2

(13)

β₃₅=α₂×2

(14)

式中:α₁为30 m靶对应杀伤分区与未杀伤分区交界线为边界线与炸点到轴向基线夹角;α₂为35 m靶对应杀伤分区与未杀伤分区交界线为边界线与炸点到轴向基线夹角;K₁为当n=Δ时,Δ个连续分区的密度值都小于4/3(片/m²)时,对应30 m扇形破片拦截靶靠近“间断”处杀伤分区的编号;K₂为当n=Δ时,Δ个连续分区的密度值都小于4/3(片/m²)时,对应35 m扇形破片拦截靶靠近“间断”处杀伤分区的编号;β₃₀为战斗部杀伤半径为30 m时的飞散角;β₃₅为战斗部杀伤半径为35 m时的飞散角。

3 数据处理与对比

结合高速摄像结果,取实际炸点与预计炸点一致的3发战斗部数据。

3.1 第1发战斗部破片分布

根据各分区破片数量统计,绘制破片密度随分区分布,第1发战斗部破片密度分布如图5所示。

图5 第1发战斗部破片密度分布图

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根据破片比率积分数据处理方法,由破片分布可以计算对应F(θ)=0.90分区的编号, B₁、B₂对应分区分别为27、34,计算可得飞散角Ф₃₀为46.957°、飞散角Ф₃₅为52.308°。

根据破片平均密度数据处理方法,当λ取2、3时,S₁、S₂对应分区分别为39、37,计算可得飞散角X₃₀为67.826°、飞散角X₃₅为56.923°;当λ=4时,S₁、S₂对应分区分别为40、37,计算可得飞散角X₃₀为69.565°、飞散角X₃₅为56.923°;当λ=5时,S₁、S₂对应分区分别为33、38,计算可得飞散角X₃₀为57.391°、飞散角X₃₅为58.462°。

根据间断位置数据处理方法,当Δ取2,3,4,5时,K₁、K₂对应分区分别为30、37~39;21、28~36、42~44,其中K₂的28~36杀伤区大于总区的1/10,给予保留,在结果中体现。计算可得飞散角β₃₀为52.174°、飞散角β₃₅为32.308°∪41.538°~55.385°。

3.2 第2发战斗部破片分布

根据各分区破片数量统计,绘制破片密度随分区分布,第2发战斗部破片密度分布如图6所示。

根据破片比率积分数据处理方法,由破片分布可以计算对应F(θ)=0.90分区的编号, B₁、B₂对应分区分别为27、28,计算可得飞散角Ф₃₀为46.957°、飞散角Ф₃₅为43.077°。

图6 第2发战斗部破片密度分布图

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根据破片平均密度数据处理方法,当λ=2时,S₁、S₂对应分区分别为32、42,计算可得飞散角X₃₀为55.652°、飞散角X₃₅为64.615°;当λ=3时,S₁、S₂对应分区分别为33、42,计算可得飞散角X₃₀为57.391°、飞散角X₃₅为64.615°;当λ=4时,S₁、S₂对应分区分别为33、38,计算可得飞散角X₃₀为57.391°、飞散角X₃₅为58.462°;当λ=5时,S₁、S₂对应分区分别为33、42,计算可得飞散角X₃₀为57.391°、飞散角X₃₅为64.615°。

根据间断位置数据处理方法,当Δ=2时,K₁、K₂对应分区分别为32;32、35~42,计算可得飞散角β₃₀为55.652°、飞散角β₃₅为49.231°∪52.308°~64.615°;当Δ取3、4、5时,K₁、K₂对应分区分别都为32、42,计算可得飞散角β₃₀为55.652°、飞散角β₃₅为64.615°。

3.3 第3发战斗部破片分布

根据各分区破片数量统计,绘制破片密度随分区分布,第3发战斗部破片密度分布如图7所示。

图7 第3发战斗部破片密度分布图

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根据破片比率积分数据处理方法,由破片分布可以计算对应F(θ)=0.90分区的编号, B₁、B₂对应分区分别为28、34,计算可得飞散角Ф₃₀为48.696°、飞散角Ф₃₅为52.308°。

根据破片平均密度数据处理方法,当λ=2时,S₁、S₂对应分区分别为39、41,计算可得飞散角X₃₀为67.826°、飞散角X₃₅为63.077°;当λ取3、4时,S₁、S₂对应分区分别为40、41,计算可得飞散角X₃₀为69.565°、飞散角X₃₅为63.077°;当λ=5时,S₁、S₂对应分区分别为41、43,计算可得飞散角X₃₀为71.304°、飞散角X₃₅为66.154°。

根据间断位置数据处理方法,当Δ=2时,K₁、K₂对应分区分别为39;24、27~36、39~45,计算可得飞散角β₃₀为67.826°、飞散角β₃₅为36.923°∪40°~55.385°∪58.461°~69.231°;当Δ取3、4、5时,K₁、K₂对应分区分别都为39、48,计算可得飞散角β₃₀为67.826°、飞散角β₃₅为73.846°。

综上可以看出,当λ和Δ取2或5时,得到飞散角差距较大,说明取值不合适,会直接影响最终结果,但存在参考价值。当λ和Δ取3或4时,可以保持较高的一致性,同条件下使飞散角差距减小,体现其存在的客观性和规律性,同时考虑减少数据计算量的前提下,将λ和Δ的值取为3。即第1发战斗部飞散角X₃₀为67.826°、X₃₅为56.923°,β₃₀为52.174°、β₃₅为32.308°∪41.538°~55.385°;第2发战斗部飞散角X₃₀为57.391°、X₃₅为64.615°,β₃₀为55.652°、β₃₅为64.615°;第3发战斗部飞散角X₃₀为69.565°、X₃₅为63.077°,β₃₀为67.826°、β₃₅为73.846°。其中第2发战斗部飞散角X₃₅与β₃₅虽然都是64.615°,但参考Δ=2时β₃₅的情况,可以看出β₃₅中存在“间断”区间7.692°,因此飞散角β₃₅实际小于X₃₅;同理,第3发战斗部飞散角X₃₅与β₃₅,参考Δ=2时β₃₅的情况,可看出β₃₅中间存在多个“间断”区间,累积15.385°,因此飞散角β₃₅同样实际小于X₃₅。

由靶板不同数据处理方法对比可以看出,由于3发战斗部结构及预制破片数相同,所以着靶的破片数及分布变化不大,破片比率积分数据处理方法得到的飞散角一致性较好;破片平均密度数据处理方法是由外向里平均处理的,且平均后数据可能失真,使边界变得模糊;间断位置数据处理方法将破片分布表现得更加具体、真实,更贴合实际情况。

4 结论

文中建立的动态试验下破片分布和数据处理方法可以应用于平射轴向预制破片战斗部测试试验,进而获得动态飞行下破片密度分布。3种新的数据处理方法得到飞散角的主要结论为:

1)破片比率积分数据处理方法得到飞散角结果一致性较好,能够得到一个趋于等效的圆锥形破片束,但结果无法体现出破片分布存在间断的情况,计算所得飞散角跟破片实际分布存在差距。

2)破片平均密度数据处理方法得到飞散角结果偏大,同样存在结果无法体现出破片分布存在间断的情况,计算所得飞散角跟破片实际分布存在一定差距。

3)间断位置数据处理方法得到飞散角以角度区间的并集形式能较全面表示出破片杀伤分布。

References

List( Publishing order | Descend order by publishing year | Descend order by cited within ) Chart analysis

[1]	LLOYD R M. Physics of direct hit and near miss warhead technology[M]. Virginia: American Institute of Aeronautics and Astronautics Ins., 2001: 246-252. Cited in this article [1]

[2]	龚柏林, 卢芳云, 李翔宇. D型预制破片战斗部破片飞散过程的数值模拟[J]. 弹箭与制导学报, 2010, 30(1):88-94. Cited in this article [1]

[3]	ATHANASSIOS Z. A weapon with aimable warhead: GB2304178[P].1997-09-17. Cited in this article [1]

[4]	WILFRED B. Missile having a pivotal warhead:U.D.P.5631442[P].1997-06-14. Cited in this article [1]

[5]	QIAN L X, QU M, WEN Y, et al. Dense fragment generator[J]. Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 2002, 27(5): 267-278. Cited in this article [1]

[6]	WEIMANN K. Experimental and numerical investigation of parameters influencing the formation of projectiles by explosive[C]// IBS. Proceedings of the 11th International Symposium on Ballistics. Nevada: ISB, 1989: 159-166. Cited in this article [1]

[7]	李明星, 王志军, 黄阳洋, 等. 不同形状轴向预制破片的飞散特性研究[J]. 兵器装备工程学报, 2017, 38(12):65-69. Cited in this article [1]

[8]	李茂, 高圣智, 侯海量, 等. 圆柱形装药驱动轴向预制破片飞散特性[J]. 国防科技大学学报, 2021, 43(2):141-147. Cited in this article [1]

[9]	时党勇, 张庆明, 夏长富. 多层预制破片战斗部数值仿真方法及起爆方式影响[J]. 解放军理工大学学报(自然科学版), 2009, 10(6):553-558. Cited in this article [1]

[10]	臧立伟, 尹建平, 王志军. 轴向预制破片战斗部的设计研究[J]. 爆破器材, 2013, 42(2):5-9. Cited in this article [1]

[11]	张世林. 轴向预制破片战斗部破片飞散特性影响因素分析[D]. 太原: 中北大学, 2012. Cited in this article [1]

[12]	谭振, 陈鹏万, 周强, 等. 战斗部轴向威力的增强[J]. 爆炸与冲击, 2018, 38(4):876-882. Cited in this article [1]

[13]	KIM H S. A model for behind armor debris form EFP impact[C]// IBS. Proceedings of the 26th International Symposium on Ballistics. Nevada: ISB, 2011: 1410-1419. Cited in this article [1]

[14]	陈君, 苏建军, 姬建荣, 等. 弹药动态加载下破片测试方法[J]. 中国测试, 2018, 44(10):78-84. Cited in this article [2]

[15]	查启程, 芮筱亭, 于海龙, 等. 影响自行火炮发射因素的落点灵敏度研究[J]. 振动工程学报, 2017, 30(6):938-946. Cited in this article [1]

[16]

芮筱亭, 王国平, 顾俊杰, 等. 多管火箭炮射击精度总体设计方法研究[J]. 机械工程学报, 2016, 52(7):164-177.

https://doi.org/10.3901/JME.2016.07.164

Cited in this article [1] Abstract

多管火箭炮射击精度设计方法是获得多管火箭系统高射击精度的关键技术。为解决长期制约多管火箭系统发展的射击精度设计方法国际难题,从准确快速描述多管火箭系统动力学规律入手,通过理论、计算、试验三大方面连续20多年的系统深入研究,引入多体系统传递矩阵法这一多体系统动力学新方法,结合现代计算机技术,构建了多管火箭系统动力学可视化仿真与设计软件和多管火箭系统射击精度数据库,据此首次制定了我国首个多管火箭炮射击精度总体设计方法兵器行业标准和国家军用标准,包括：多管火箭炮射击精度设计原理与流程、模型设计、动力学仿真与优化、虚拟样机总体设计方案及其虚拟试验结果、虚拟试验结果的物理试验验证、多管火箭炮射击精度总体设计方案。这些为多管火箭系统射击精度设计提供了理论依据、技术手段与技术标准,为其他武器系统和其他复杂机械系统动力学设计提供了借鉴。给出了本方法用于我国兵器、船舶、航空、航天工业行业多种多管火箭系统射击精度设计重大工程实践,大幅提升多管火箭炮射击精度设计水平从而大幅提高多种多管火箭系统射击精度的部分实例。

[17]	高秀娟, 金建祥, 王林, 等. 弹丸杀伤半径计算方法研究[J]. 弹箭与制导学报, 2012, 32(4):106-108. Cited in this article [1]

[18]	邢恩峰, 钱建平, 赵国志. 炸药驱动预制破片轴向抛掷速度沿径向的分布规律[J]. 火工品, 2017(3):27-30. Cited in this article [1]

[19]

邢恩峰, 钱建平, 赵国志. 炸药驱动预制破片轴向抛掷速度规律研究[J]. 火炸药学报, 2007, 30(3):30-33.

Cited in this article [1] Abstract

为解决爆轰产物对轴向预制破片的作用压力从柱状装药中心沿径向逐渐降低，从而导致轴向预制破片抛掷速度沿径向逐渐变小的问题，研究了柱状装药长径比与装药壳体厚度等装药结构参数对轴向预制破片抛掷速度沿径向分布规律的影响，针对某种轴向前置预制破片战斗部，进行了破片轴向抛掷速度沿径向分布规律的试验。结果表明，装药长径比以及装药壳体等装药结构参数对轴向预制破片抛掷速度影响较大，通过装药尺寸、壳体厚度等参数匹配，可以调整轴向预制破片的抛掷速度。

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2022-03-21	2022-10-20
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2025-01-16

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