Aircraft Brakes - Frenos del avión
Las primeras aeronaves no cuentan con un sistema de frenos para reducir la velocidad y detener la aeronave mientras está en tierra. En su lugar, dependen de las velocidades lentas, las superficies blandas de los aeródromos y la fricción desarrollada por el patín de cola para reducir la velocidad durante la operación en tierra.
Los sistemas de frenos diseñados para los aviones se hicieron comunes después de la Primera Guerra Mundial, a medida que aumentaban la velocidad y la complejidad de las aeronaves y proliferaba el uso de superficies lisas y pavimentadas en las pistas.
Todos los aviones modernos están equipados con frenos. Su buen funcionamiento es fundamental para la seguridad de la aeronave en tierra. Los frenos reducen la velocidad de la aeronave y la detienen en un tiempo razonable.
Mantienen la aeronave estacionada durante el arranque del motor y, en muchos casos, dirigen la aeronave durante el rodaje. En la mayoría de los aviones, cada una de las ruedas principales está equipada con una unidad de freno. La rueda de nariz o la rueda de cola no tienen freno.
En el sistema de frenos típico, los enlaces mecánicos y/o hidráulicos a los pedales del timón permiten al piloto controlar los frenos. Al presionar la parte superior del pedal del timón derecho se activa el freno de la(s) rueda(s) principal(es) derecha(s) y al presionar la parte superior del pedal del timón izquierdo se acciona el freno de la(s) rueda(s) principal(es) izquierda(s).
El funcionamiento básico de los frenos consiste en convertir la energía cinética del movimiento en energía térmica mediante la creación de fricción. Se desarrolla una gran cantidad de calor y las fuerzas sobre los componentes del sistema de frenos son exigentes. El ajuste, la inspección y el mantenimiento adecuados de los frenos son esenciales para un funcionamiento eficaz.
Los aviones modernos suelen utilizar frenos de disco. El disco gira con el conjunto de la rueda que gira, mientras que una pinza estacionaria resiste la rotación causando fricción contra el disco cuando se aplican los frenos. El tamaño, el peso y la velocidad de aterrizaje del avión influyen en el diseño y la complejidad del sistema de frenos de disco.
Los frenos de disco simples, dobles y múltiples son tipos comunes de frenos. Los frenos de rotor segmentado se utilizan en aviones grandes. Los frenos de tubo expansivo se encuentran en las aeronaves grandes más antiguas. El uso de discos de carbono está aumentando en la flota de aviación moderna.
Frenos de un solo disco - Single Disc Brakes
Las aeronaves pequeñas y ligeras suelen conseguir un frenado eficaz utilizando un solo disco fijado con llave o atornillado a cada rueda. Cuando la rueda gira, también lo hace el disco. El frenado se consigue aplicando fricción a ambos lados del disco desde una pinza no giratoria atornillada a la brida del eje del tren de aterrizaje.
Los pistones del alojamiento de la pinza, bajo presión hidráulica, fuerzan las pastillas o forros de freno desgastados contra el disco cuando se aplican los frenos. Los cilindros maestros hidráulicos conectados a los pedales del timón suministran la presión cuando se presionan las mitades superiores de los pedales del timón.
Frenos de disco flotante - Floating Disc Brakes
En la figura se ilustra un freno de disco flotante. En la figura se muestra una vista más detallada del despiece de este tipo de freno. La pinza se sitúa a lo largo del disco. Tiene tres cilindros perforados en la carcasa, pero en otros frenos este número puede variar. Cada cilindro acepta un conjunto de pistón de accionamiento compuesto principalmente por un pistón, un muelle de retorno y un pasador de ajuste automático.
Cada conjunto de freno tiene seis forros o discos de freno. Tres de ellos están situados en los extremos de los pistones, que se encuentran en el lado exterior de la pinza. Están diseñadas para entrar y salir con los pistones y aplicar presión al lado exterior del disco. Otros tres revestimientos están situados frente a estos discos en el lado interior de la pinza. Estos revestimientos son fijos.
Frenos de disco fijo - Fixed-Disc Brakes
Debe aplicarse una presión uniforme a ambos lados del disco de freno para generar la fricción necesaria y obtener unas propiedades de desgaste constantes de los forros de freno. El disco flotante logra esto como se ha descrito anteriormente.
También se puede lograr atornillando el disco rígidamente a la rueda y permitiendo que la pinza de freno y los forros floten lateralmente cuando se aplica la presión. Este es el diseño de un freno de disco fijo común utilizado en aviones ligeros.
Frenos de doble disco - Dual-Disc Brakes
Los frenos de doble disco se utilizan en aeronaves en las que un solo disco en cada rueda no proporciona suficiente fricción de frenado. Se fijan dos discos a la rueda en lugar de uno. Entre los dos discos hay un soporte central.
Contiene forros en cada lado que entran en contacto con cada uno de los discos cuando se aplican los frenos. Los tornillos de montaje de la pinza son largos y se montan a través del soporte central, así como la placa posterior que se atornilla al conjunto de la carcasa.
Frenos de discos múltiples - Multiple-Disc Brakes
Las aeronaves grandes y pesadas requieren el uso de frenos de discos múltiples. Los frenos de discos múltiples son frenos de alta resistencia diseñados para su uso con válvulas de control de freno de potencia o cilindros maestros de refuerzo de potencia, lo que se discute más adelante en este capítulo.
El conjunto de frenos consiste en un soporte de rodamiento extendido similar a una unidad de tipo tubo de torsión que se atornilla a la brida del eje. Soporta las diversas partes del freno, incluyendo un cilindro anular y un pistón, una serie de discos de acero que se alternan con discos de cobre o bronceados, una placa trasera y un retenedor de placa trasera.
Los estatores de acero están fijados al soporte del cojinete, y los rotores de cobre o bronce están fijados a la rueda giratoria. La presión hidráulica aplicada al pistón hace que toda la pila de estatores y rotores se comprima. Esto crea una enorme fricción y calor y ralentiza la rotación de la rueda.
Frenos de disco y rotor segmentados - Segmented Rotor-Disc Brakes
La gran cantidad de calor que se genera al ralentizar la rotación de las ruedas en aviones grandes y de alto rendimiento es problemática. Para disipar mejor este calor, se han desarrollado los frenos de rotor-disco segmentados.
Los frenos rotor-disco segmentados son frenos de discos múltiples, pero con un diseño más moderno que el que se ha comentado anteriormente. Hay muchas variantes. La mayoría cuentan con numerosos elementos que ayudan a controlar y disipar el calor. Los frenos de disco segmentados son frenos de alta resistencia especialmente adaptados para su uso con los sistemas hidráulicos de alta presión de los sistemas de frenos de potencia.
El frenado se realiza mediante varios conjuntos de forros de freno estacionarios de alta fricción que hacen contacto con los segmentos giratorios. Los rotores están construidos con ranuras o en secciones con espacio entre ellas, lo que ayuda a disipar el calor y da nombre al freno.
Los frenos de discos múltiples de rotor segmentado son el freno estándar utilizado en los aviones de alto rendimiento y en los de transporte aéreo. En la figura se muestra el despiece de un tipo de conjunto de freno de rotor segmentado.
Frenos de carbono
El freno de disco múltiple segmentado ha dado muchos años de servicio fiable a la industria de la aviación. Ha evolucionado a lo largo del tiempo en un esfuerzo por hacerlo más ligero y por disipar el calor de fricción del frenado de forma rápida y segura.
La última iteración del freno de disco múltiple es el freno de disco de carbono. Actualmente se encuentra en aviones de alto rendimiento y en aviones de transporte aéreo. Los frenos de carbono se llaman así porque se utilizan materiales de fibra de carbono para construir los rotores de los frenos.
Frenos de tubo expansor - Expander Tube Brakes
Un freno de tubo expansor es un enfoque diferente del frenado que se utiliza en aviones de todos los tamaños producidos en los años 1930-1950. Se trata de un freno ligero y de baja presión atornillado a la brida del eje que se ajusta al interior de un tambor de freno de hierro.
Un tubo plano de neopreno reforzado con tela se ajusta alrededor de la circunferencia de una brida de torsión en forma de rueda. La superficie plana expuesta del tubo expansor está revestida con tacos de freno similares al material del forro de freno. Dos marcos planos se atornillan a los lados de la brida de torsión.
Las lengüetas de los marcos contienen el tubo y permiten atornillar barras de torsión uniformemente espaciadas a lo largo del tubo entre cada taco de freno. Éstas impiden el movimiento circunferencial del tubo en la brida.
Sistemas de accionamiento de los frenos
Todos los conjuntos de freno descritos en la sección anterior utilizan energía hidráulica para funcionar. En esta sección se discuten los diferentes medios para suministrar la presión de fluido hidráulico necesaria a los conjuntos de freno. Existen tres sistemas básicos de accionamiento:
- Un sistema independiente que no forma parte del sistema hidráulico principal de la aeronave;
- Un sistema de refuerzo que utiliza el sistema hidráulico de la aeronave de forma intermitente cuando es necesario; y
- Un sistema de freno de potencia que sólo utiliza el sistema hidráulico principal de la aeronave como fuente de presión.
Los sistemas de las diferentes aeronaves varían, pero el funcionamiento general es similar a los descritos.
Cilindros maestros independientes - Independent Master Cylinders
En general, las aeronaves pequeñas y ligeras y las que no tienen sistemas hidráulicos utilizan sistemas de frenado independientes. Un sistema de frenos independiente no está conectado de ninguna manera al sistema hidráulico de la aeronave.
Los cilindros maestros se utilizan para desarrollar la presión hidráulica necesaria para accionar los frenos. Esto es similar al sistema de frenos de un automóvil.
En la mayoría de los sistemas de accionamiento de los frenos, el piloto presiona la parte superior de los pedales del timón para aplicar los frenos. Un cilindro maestro para cada freno está conectado mecánicamente al pedal del timón correspondiente (es decir, el freno principal derecho al pedal del timón derecho, el freno principal izquierdo al pedal del timón izquierdo).
Cuando se pisa el pedal, un pistón dentro de una cámara sellada y llena de líquido en el cilindro maestro fuerza el fluido hidráulico a través de una línea hasta el pistón o los pistones del conjunto de frenos.
El pistón o los pistones de los frenos empujan los forros de los frenos contra el rotor de los frenos para crear la fricción que ralentiza la rotación de la rueda. La presión aumenta en todo el sistema de frenos y contra el rotor cuando se pisa más fuerte el pedal.
Frenos reforzados - Boosted Brakes
En un sistema de frenado independiente, la presión aplicada a los frenos es sólo tan grande como la presión del pie aplicada a la parte superior del pedal del timón. Los sistemas de accionamiento de los frenos reforzados aumentan la fuerza desarrollada por el piloto con la presión del sistema hidráulico cuando es necesario.
El refuerzo sólo se produce durante las frenadas fuertes. El resultado es una mayor presión aplicada a los frenos que la que puede proporcionar el piloto por sí solo. Los frenos reforzados se utilizan en aeronaves medianas y grandes que no requieren un sistema de accionamiento de frenos totalmente motorizado.
Frenos de potencia - Power Brakes
Las aeronaves grandes y de alto rendimiento están equipadas con frenos de potencia para frenar, detener y mantener la aeronave. Los sistemas de accionamiento de los frenos de potencia utilizan el sistema hidráulico de la aeronave como fuente de energía para aplicar los frenos. El piloto presiona la parte superior del pedal del timón para frenar, al igual que con los demás sistemas de accionamiento.
El volumen y la presión de fluido hidráulico necesarios no pueden ser producidos por un cilindro maestro. En su lugar, una válvula de control del freno de potencia o válvula dosificadora del freno recibe la entrada del pedal de freno directamente o a través de enlaces. La válvula dosifica el líquido hidráulico al conjunto de frenos correspondiente en relación directa con la presión aplicada al pedal.
Válvula de control de los frenos/Válvula dosificadora de los frenos
El elemento clave en un sistema de frenos de potencia es la válvula de control de los frenos, a veces llamada válvula dosificadora de los frenos. Responde a la entrada del pedal de freno dirigiendo el líquido hidráulico del sistema de la aeronave a los frenos.
A medida que se aumenta la presión sobre el pedal de freno, se dirige más líquido al freno, lo que provoca una mayor presión y una mayor acción de frenado.
Sistemas de frenos de emergencia
Como puede verse en la figura, las válvulas dosificadoras de los frenos no sólo reciben la presión hidráulica de dos sistemas hidráulicos distintos, sino que también alimentan dos conjuntos de frenos distintos. Cada conjunto de rueda principal tiene dos ruedas.
El freno de la rueda interior y el freno de la rueda exterior, situados en sus respectivas llantas, son independientes entre sí. En caso de fallo del sistema hidráulico o del freno, cada uno se alimenta de forma independiente para frenar y detener adecuadamente la aeronave sin el otro.
Las aeronaves más complicadas pueden incluir otro sistema hidráulico de respaldo o utilizar una alternancia similar de fuentes y conjuntos de freno para mantener el frenado en caso de fallo del sistema hidráulico o de los frenos.
NOTA: En la sección de frenos de rotor segmentado anterior, se describió un conjunto de frenos que tenía pistones alternados suministrados por fuentes hidráulicas independientes. Este es otro método de redundancia especialmente adecuado en aeronaves de una sola rueda principal, pero no limitado a ellas.
Además de la redundancia del sistema de suministro, el acumulador de freno es también una fuente de energía de emergencia para los frenos en muchos sistemas de frenos de potencia. El acumulador está precargado con aire o nitrógeno en un lado de su diafragma interno.
En el otro lado del diafragma hay suficiente líquido hidráulico para accionar los frenos en caso de emergencia. El fluido hidráulico es forzado a salir del acumulador hacia los frenos a través de los conductos del sistema con la suficiente presión almacenada para frenar el avión.
Por lo general, el acumulador se encuentra aguas arriba de la válvula de control/medición de los frenos para aprovechar el control dado por la válvula.
Algunos sistemas de freno motorizados más sencillos pueden utilizar una fuente de energía de frenado de emergencia que se suministra directamente a los conjuntos de freno y evita por completo el resto del sistema de frenado.
Una válvula de inversión inmediatamente antes de las unidades de freno se desplaza para aceptar esta fuente cuando se pierde la presión de las fuentes de suministro primarias. A veces se utiliza aire comprimido o nitrógeno. También se puede utilizar una fuente de líquido precargado como fuente hidráulica alternativa.
Freno de estacionamiento - Parking Brake
El funcionamiento del sistema de freno de estacionamiento es una operación combinada. Los frenos se aplican con los pedales del timón y un sistema de trinquete los mantiene en su lugar cuando se tira de la palanca del freno de estacionamiento en la cabina de vuelo.
Al mismo tiempo, se cierra una válvula de cierre en la línea de retorno común de los frenos al sistema hidráulico. Esto atrapa el líquido en los frenos manteniendo los rotores estacionados. Al pisar los pedales se libera aún más el trinquete del pedal y se abre la válvula de la línea de retorno.
Brake Deboosters
Algunos conjuntos de frenos de aeronaves que funcionan con la presión del sistema hidráulico de la aeronave no están diseñados para una presión tan alta. Proporcionan un frenado eficaz a través de un sistema de freno motorizado, pero requieren una presión inferior a la máxima del sistema hidráulico.
Para suministrar la presión más baja, se instala un cilindro reforzador de frenos después de la válvula de control y la válvula antideslizante. El cilindro de refuerzo reduce toda la presión de la válvula de control hasta el rango de trabajo del conjunto de frenos.
Antideslizante - Anti-Skid
Las grandes aeronaves con frenos de potencia requieren sistemas antideslizantes. No es posible determinar inmediatamente en la cabina de vuelo cuando una rueda deja de girar y comienza a patinar, especialmente en los aviones con conjuntos de tren de aterrizaje principal de múltiples ruedas. Un derrape no corregido puede provocar rápidamente un reventón de la rueda, posibles daños en la aeronave y la pérdida del control de la misma.
Funcionamiento del sistema
El sistema antipatinaje no sólo detecta el patinaje de la rueda, sino que también detecta cuando el patinaje de la rueda es inminente. Alivia automáticamente la presión de los pistones de freno de la rueda en cuestión, conectando momentáneamente la zona del líquido de frenos presurizado a la línea de retorno del sistema hidráulico. Esto permite que la rueda gire y evite el derrape. A continuación, se mantiene la presión en el freno a un nivel que ralentiza la rueda sin hacerla patinar.
La máxima eficacia de frenado se produce cuando las ruedas desaceleran al máximo pero no patinan. Si una rueda desacelera demasiado rápido, es una indicación de que los frenos están a punto de bloquearse y provocar un derrape. Para asegurar que esto no ocurra, cada rueda es monitoreada para una tasa de desaceleración más rápida que una tasa preestablecida.
Cuando se detecta una desaceleración excesiva, se reduce la presión hidráulica en el freno de esa rueda. Para operar el sistema antideslizante, los interruptores de la cabina de vuelo deben colocarse en la posición ON. Después de que la aeronave aterrice, el piloto aplica y mantiene toda la presión sobre los pedales del freno del timón.
El sistema antideslizante funciona entonces automáticamente hasta que la velocidad de la aeronave haya descendido a aproximadamente 20 mph. El sistema vuelve al modo de frenado manual para el rodaje lento y las maniobras en tierra.
Hay varios diseños de sistemas antipatinaje. La mayoría contienen tres tipos principales de componentes: sensores de velocidad de las ruedas, válvulas de control de antideslizamiento y una unidad de control. Estas unidades funcionan conjuntamente sin interferencia humana. Algunos sistemas antideslizantes proporcionan un frenado completamente automático.
El piloto sólo tiene que activar el sistema de frenado automático, y los componentes antideslizantes frenan la aeronave sin necesidad de pisar el pedal. Los interruptores de seguridad en tierra están conectados a los circuitos de los sistemas antipatinaje y de frenado automático.
Los sensores de velocidad de las ruedas están situados en cada rueda equipada con un conjunto de frenos. Cada freno también tiene su propia válvula de control antideslizante. Normalmente, una sola caja de control contiene los circuitos comparativos antideslizantes para todos los frenos de la aeronave.
Sensores de velocidad de las ruedas - Wheel Speed Sensors
Los sensores de velocidad de las ruedas son transductores. Pueden ser de corriente alterna (CA) o de corriente continua (CC). El típico sensor de velocidad de rueda de CA tiene un estator montado en el eje de la rueda. Una bobina que lo rodea está conectada a una fuente de corriente continua controlada, de modo que cuando se energiza, el estator se convierte en un electroimán.
Un rotor que gira en el interior del estator está conectado al conjunto de cubo de la rueda giratoria a través de un acoplamiento de accionamiento para que gire a la velocidad de la rueda. Los lóbulos del rotor y del estator hacen que la distancia entre los dos componentes cambie constantemente durante la rotación. Esto altera el acoplamiento magnético o la reluctancia entre el rotor y el estator. Al cambiar el campo electromagnético, se induce una CA de frecuencia variable en la bobina del estator.
La frecuencia es directamente proporcional a la velocidad de rotación de la rueda. La señal de CA se envía a la unidad de control para su procesamiento. Un sensor de velocidad de rueda de corriente continua es similar, excepto que se produce una corriente continua cuya magnitud es directamente proporcional a la velocidad de la rueda.
Unidades de control - Control Units
La unidad de control puede considerarse el cerebro del sistema antideslizante. Recibe señales de cada uno de los sensores de las ruedas. Los circuitos comparativos se utilizan para determinar si alguna de las señales indica que un derrape es inminente o se está produciendo en una rueda concreta.
Si es así, se envía una señal a la válvula de control de la rueda para aliviar la presión hidráulica de ese freno, lo que evita o alivia el derrape. La unidad de control puede tener o no interruptores de prueba externos y luces indicadoras de estado. Es habitual que esté situada en el compartimento de aviónica de la aeronave.
Válvulas de control antipatinaje - Anti-Skid Control Valves
Las válvulas de control antipatinaje son válvulas hidráulicas de acción rápida, controladas eléctricamente, que responden a la entrada de la unidad de control antipatinaje. Hay una válvula de control para cada conjunto de frenos. Un motor de par utiliza la entrada del controlador de la válvula para ajustar la posición de una aleta entre dos boquillas.
Al acercar la aleta a una u otra boquilla, se desarrollan presiones en la segunda etapa de la válvula. Estas presiones actúan sobre un carrete que se posiciona para aumentar o reducir la presión al freno abriendo y bloqueando los puertos de fluido.
Protección de la rueda de toque y de bloqueo - Touchdown and Lock Wheel Protection
Es esencial que los frenos no se apliquen cuando la aeronave entre en contacto con la pista al aterrizar. Esto podría causar un reventón inmediato de los neumáticos. La mayoría de los sistemas antideslizantes de las aeronaves incorporan un modo de protección contra el aterrizaje para evitarlo.
Normalmente funciona junto con el sensor de velocidad de las ruedas y el interruptor de seguridad aire/tierra en el puntal del tren de aterrizaje (interruptor de agachado). Hasta que la aeronave tenga peso en las ruedas, el circuito detector envía una señal a la válvula de control antipatinaje para que abra el paso entre los frenos y el retorno del sistema hidráulico, evitando así la acumulación de presión y la aplicación de los frenos.
Una vez que el interruptor de agachamiento está abierto, la unidad de control antipatinaje envía una señal a la válvula de control para que se cierre y permita el aumento de la presión de los frenos. Como respaldo y cuando la aeronave está en el suelo con el puntal no comprimido lo suficiente para abrir el interruptor de agachado, una señal del sensor de velocidad mínima de la rueda puede anular y permitir el frenado.
Las ruedas suelen estar agrupadas, una de ellas depende del interruptor de inclinación y la otra de la salida del sensor de velocidad de la rueda para garantizar el frenado cuando la aeronave está en el suelo, pero no antes.
Frenos automáticos - Auto Brakes
Las aeronaves equipadas con frenos automáticos suelen pasar por alto las válvulas de control de los frenos o las válvulas de medición de los frenos y utilizan una válvula de control de los frenos automáticos independiente para realizar esta función. Además de la redundancia proporcionada, los frenos automáticos dependen del sistema antipatinaje para ajustar la presión de los frenos si es necesario debido a un patinaje inminente.
Pruebas del sistema Anti-Skid
Es importante conocer el estado del sistema antipatinaje antes de intentar utilizarlo durante un aterrizaje o un despegue abortado. Se realizan pruebas en tierra y en vuelo.
Los circuitos de prueba incorporados y las funciones de control permiten probar los componentes del sistema y proporcionan advertencias en caso de que un componente o una parte del sistema no funcione. Un sistema antideslizante inoperante puede ser apagado sin afectar al funcionamiento normal de los frenos.
Pruebas en tierra
Las pruebas en tierra varían ligeramente de un avión a otro. Consulte el manual de mantenimiento del fabricante para conocer los procedimientos de prueba específicos de la aeronave en cuestión.
Gran parte de las pruebas del sistema antideslizante se originan en los circuitos de prueba de la unidad de control antideslizante. Los circuitos de prueba incorporados supervisan continuamente el sistema antipatinaje y avisan si se produce un fallo. Se puede realizar una prueba de funcionamiento antes del vuelo.
El interruptor de control del antideslizamiento y/o el interruptor de prueba se utilizan junto con la(s) luz(es) indicadora(s) del sistema para determinar la integridad del sistema. La prueba se realiza primero con la aeronave en reposo y luego en una condición de frenado antideslizante simulada eléctricamente. Algunas unidades de control de antideslizamiento contienen interruptores y luces de prueba del sistema y de los componentes para que los utilice el técnico.
Esto logra la misma verificación operativa pero permite un grado adicional de resolución de problemas. Hay conjuntos de pruebas disponibles para los sistemas antideslizantes que producen señales eléctricas que simulan las salidas de velocidad del transductor de la rueda, las tasas de desaceleración y los parámetros de vuelo/tierra.
Prueba en vuelo
La prueba en vuelo del sistema antipatinaje es deseable y forma parte de la lista de comprobación previa al aterrizaje para que el piloto conozca la capacidad del sistema antes de aterrizar. Al igual que en las pruebas en tierra, se utiliza una combinación de posiciones de interruptores y luces indicadoras de acuerdo con la información del manual de operaciones de la aeronave.
Mantenimiento del sistema Anti-Skid
Los componentes antideslizantes requieren poco mantenimiento. La localización de averías en el sistema antideslizante se realiza a través de un circuito de prueba o se puede llevar a cabo mediante el aislamiento de la avería en uno de los tres componentes operativos principales del sistema. Normalmente, los componentes antideslizantes no se reparan sobre el terreno.
Se envían al fabricante o a una estación de reparación certificada cuando se requiere un trabajo. Los informes sobre el mal funcionamiento del sistema antideslizante son a veces fallos del sistema de frenos o de los conjuntos de frenos. Asegúrese de que los conjuntos de freno están purgados y funcionan normalmente sin fugas antes de intentar aislar los problemas en el sistema antideslizante.
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