劉家岡李俊清王本楠
(1北京林業(yè)大學(xué),北京 100083)(2中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,北京 100085)
萊特兄弟發(fā)明飛機(jī)成功的創(chuàng)造學(xué)啟示
劉家岡1李俊清1王本楠2
(1北京林業(yè)大學(xué),北京 100083)(2中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,北京 100085)
分析了萊特兄弟發(fā)明飛機(jī)成功的歷史經(jīng)驗(yàn)及其創(chuàng)造學(xué)啟示:正確選題;重視學(xué)習(xí)和繼承前人的研究成果;抓住主要矛盾并確定正確的主攻方向;注重理論的指導(dǎo)作用;強(qiáng)調(diào)試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)的重要性;具體問題具體分析并尋找解決問題的可能途徑;抓住新技術(shù)誕生的歷史機(jī)遇.
創(chuàng)造學(xué);萊特兄弟;飛機(jī);發(fā)明課題;繼承;主要矛盾;理論;試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn);具體分析;集成
1903年12月17日是人類歷史上意義深遠(yuǎn)的日子.那天上午11時(shí)左右,奧威爾·萊特作第一次試飛,他駕駛他們設(shè)計(jì)的“飛行者一號”(見圖1)終于成功地升空飛行.這一天,萊特兄弟分別駕駛“飛行者一號”進(jìn)行了4次試飛.當(dāng)天,他們的最好成績是留空59s,飛行距離260m.成功地實(shí)現(xiàn)了人類第一次載人動力飛行.
圖1 萊特兄弟發(fā)明的飛機(jī)
飛機(jī)是20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一,經(jīng)過100多年的努力,現(xiàn)已在民用航空、通用航空和軍用航空等方面得到了高度的發(fā)展,對社會、經(jīng)濟(jì)、科技、文化和軍事等領(lǐng)域,都產(chǎn)生了巨大而深遠(yuǎn)的影響[1~3].
飛機(jī)的發(fā)明,和電機(jī)、核能、計(jì)算機(jī)、激光一樣,都是屬于原創(chuàng)性發(fā)明.這些原創(chuàng)性發(fā)明的成功經(jīng)驗(yàn)是人類非常寶貴的財(cái)富,值得我們?nèi)フJ(rèn)真總結(jié)和借鑒.然而現(xiàn)今的創(chuàng)造學(xué)教程對此卻沒有或很少涉及,更缺乏系統(tǒng)的分析和總結(jié)(見文獻(xiàn)[4]、[5]).對原創(chuàng)性發(fā)明分析的缺位,是傳統(tǒng)創(chuàng)造學(xué)的重大不足,是很需要補(bǔ)上的.
本文對萊特兄弟發(fā)明飛機(jī)成功的過程,從創(chuàng)造學(xué)的角度作了分析,初步總結(jié)了他們的成功經(jīng)驗(yàn).鑒于本文的目的,我們不對萊特兄弟發(fā)明飛機(jī)的歷史過程進(jìn)行詳細(xì)的系統(tǒng)描述,而只是引用相關(guān)的內(nèi)容[1~3]并作一些點(diǎn)評.對萊特兄弟乃至人類發(fā)明飛機(jī)的過程感興趣的讀者,可以參考相關(guān)文獻(xiàn),尤其是文獻(xiàn)[1],它以大量翔實(shí)的資料,向我們展示了一幅人類飛向天空、征服太空的完整歷史畫卷.本文所用的資料,主要都是從文獻(xiàn)[1]引用的.為了不引起歧義,我們在有些重要的地方,盡量使用原文原句.
據(jù)我們分析,萊特兄弟發(fā)明飛機(jī)之所以獲得巨大成功,有以下幾點(diǎn)重要經(jīng)驗(yàn)值得我們總結(jié).這些經(jīng)驗(yàn),我們認(rèn)為具有創(chuàng)造學(xué)的普遍意義.
可能自從人類出現(xiàn),就對鳥類的自由飛翔羨慕不已,幻想著自己也能像鳥一樣自由飛翔.這種幻想或者夢想,逐漸演變成美麗的傳說.在中國古代就有嫦娥奔月的故事,還傳說魯班制作木鳥,飛天三日不落等等;古希臘也有類似阿波羅自由飛行英雄式的傳說.
美麗的傳說在人們心目中確立了飛行的目標(biāo),進(jìn)而成為人類探索飛行的動力.
中國古代就有風(fēng)箏、竹蜻蜓、孔明燈和箭羽等飛行器的成功先例,還有相風(fēng)鳥、走馬燈等與飛行有關(guān)的發(fā)明,更為偉大的發(fā)明是火藥和火箭.這是中國人民高度智慧的體現(xiàn),也是對世界航空事業(yè)的重大貢獻(xiàn).
西方古代人們更加傾向于親自嘗試,他們勇敢的飛行冒險(xiǎn),許多似乎有點(diǎn)魯莽的犧牲,卻體現(xiàn)了偉大的創(chuàng)新精神.他們研究了鳥類的飛翔原理,設(shè)想過撲翼機(jī)、降落傘、直升機(jī)的可能,發(fā)明了熱氣球、氫氣球、飛艇、滑翔機(jī).
千百年來人類將飛行的夢想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的努力,逐漸形成偉大的滾滾洪流.到19世紀(jì),飛行器的研究已經(jīng)有了豐富的研究成果和積累.但重于空氣的飛行器——飛機(jī)的發(fā)展依然十分緩慢,發(fā)明家們經(jīng)歷了一系列慘痛的失敗,主要原因是航空理論研究還未取得突破,功率重量比更高的新型發(fā)動機(jī)還未面世.
在這個(gè)萬事俱備,只欠東風(fēng)的歷史時(shí)刻,萊特兄弟應(yīng)運(yùn)而生.他們勇敢地繼承了人類飛翔理想的偉大發(fā)明課題.他們在航空理論方面取得了突破,并及時(shí)抓住了內(nèi)燃機(jī)發(fā)明的歷史機(jī)遇,使自己在飛機(jī)的發(fā)明方面首先取得了成功.
李林塔爾在1896年試飛中不幸遇難逝世的消息,促使萊特兄弟開始關(guān)注航空和飛行的問題.他們主要是作一些航空入門,閱讀有關(guān)書籍以加深對于航空的了解.在這兩、三年間,他們的航空研究仍屬于業(yè)余狀態(tài),并沒有立志進(jìn)行飛機(jī)研究.
在他們開始認(rèn)真對待飛行問題后,就感到不那么簡單,問題成堆.但他們不是閉門造車,自己悶頭研究,而是首先求助科研機(jī)構(gòu).1899年5月,威爾伯·萊特給著名的科學(xué)機(jī)構(gòu)史密斯研究院寫信求助,向他們索取與航空有關(guān)的資料.研究院給他們提供了一份清單,其中有查紐特的《飛行機(jī)器的發(fā)展》、蘭利的《空氣動力學(xué)試驗(yàn)》、李林塔爾的《作為航空基礎(chǔ)的鳥類飛行》以及1895、1896和1897年的《航空年鑒》.在仔細(xì)地閱讀了這些文獻(xiàn)之后,他們“驚奇地發(fā)現(xiàn),在人的飛行問題上,已經(jīng)花費(fèi)了大量時(shí)間和金錢,而且有那么多杰出的科學(xué)家和發(fā)明家都在這方面進(jìn)行過研究,包括達(dá)·芬奇、喬治·凱利博士、蘭利教授、貝爾博士(電話發(fā)明人)、馬克辛(機(jī)槍發(fā)明者)、查紐特、帕察斯(蒸汽渦輪發(fā)明者)、托馬斯·愛迪生、李林塔爾、阿爾代、菲利普斯先生和許多其他人.”這些文獻(xiàn)對他們幫助最大的是《航空年鑒》和《飛行機(jī)器的發(fā)展》.他們甚至把后者稱為航空學(xué)的《舊約全書》.
看過這些資料之后,他們深深感到自己原來對航空知識的了解竟然是那樣的少.通過研究這些資料,他們獲得了重大教益.一是學(xué)到了許多基本的、系統(tǒng)的航空知識,特別是設(shè)計(jì)飛機(jī)所必須的基本部件和空氣動力學(xué)知識,這使他們從一開始就有了較高的起點(diǎn),避免走很多的彎路.二是他們認(rèn)識到飛機(jī)研制面臨的重重困難,認(rèn)識到前人存在的不足從而想到飛機(jī)研制應(yīng)該采取正確的道路.
這是萊特兄弟與其他飛機(jī)研究者不同之處,在他們之前,制造動力飛機(jī)的人很多,但很少有人認(rèn)真研究并充分吸取前人或同時(shí)代人失敗的教訓(xùn).
在萊特兄弟之前,航空先驅(qū)者們在飛機(jī)結(jié)構(gòu)、空氣動力學(xué)、升力與阻力關(guān)系、平衡與操縱、發(fā)動機(jī)等等方面已經(jīng)取得了不同程度的突破.他們是航空學(xué)某一個(gè)方面的專家,但是他們往往關(guān)注于飛機(jī)的某一個(gè)或幾個(gè)方面的問題,孤立地看待和解決局部問題,而不懂得或者忽視了各個(gè)環(huán)節(jié)之間的協(xié)調(diào),沒有從整體上、從一架完整飛機(jī)的角度上尋求解決的辦法.因此始終沒有人能夠設(shè)計(jì)出一架能夠持續(xù)飛行的載人飛行器來.
而萊特兄弟在閱讀那些資料的短短兩個(gè)月中,弄清楚了一架成功的飛機(jī)所應(yīng)具備的三要素:升舉、推進(jìn)和平衡控制.通過分析,他們認(rèn)識到解決飛機(jī)的平衡控制問題最困難,也最為關(guān)鍵,是主要矛盾.威爾伯·萊特曾說過:“平衡問題是任何試圖認(rèn)真解決人類飛行問題的最大障礙.”而他們對于制造重量輕、強(qiáng)度高、升力大的機(jī)翼,以及輕型動力裝置有充分的信心.因此他們把重點(diǎn)首先放在解決平衡控制的問題上.
為了解決平衡控制問題,他們又把主攻方向放在滑翔機(jī)的研制上.他們的理由是:滑翔機(jī)不用發(fā)動機(jī),可以節(jié)省開支,而且駕駛滑翔機(jī)很刺激,激動人心.依我們現(xiàn)在的觀點(diǎn)看,除了節(jié)省開支以外,使用滑翔機(jī)的好處主要是可以集中精力研究飛行器本身的平衡控制問題,避免發(fā)動機(jī)的重量和性能問題帶來的精力分散和節(jié)外生枝的干擾.
正是因?yàn)槿R特兄弟抓住了主要矛盾和選擇了正確的主攻方向,使得他們的研制工作避免了許多彎路,相對比較順利.他們首先在滑翔機(jī)上解決了飛行器的平衡控制問題,然后再加上適當(dāng)?shù)膭恿Γ樌貙?shí)現(xiàn)了載人動力飛行.
萊特兄弟設(shè)計(jì)飛機(jī),都是用理論指導(dǎo)實(shí)際,從不盲目設(shè)計(jì).
舉例來說,機(jī)翼是飛機(jī)的關(guān)鍵,他們起先是根據(jù)李林塔爾的升力和阻力的數(shù)據(jù)選擇機(jī)翼的尺寸.后來在試飛過程中,感到升力不如預(yù)想的大,于是他們決定自己重新實(shí)驗(yàn)測試參數(shù).結(jié)果發(fā)現(xiàn)李林塔爾的數(shù)據(jù)定性是對的,但不夠準(zhǔn)確.他們用自己新測量的數(shù)據(jù)重新設(shè)計(jì)了機(jī)翼,從而保證了升舉力的需要.
另外,他們對發(fā)動機(jī)功率和重量的要求,都是根據(jù)機(jī)翼的升阻比提出的.試飛結(jié)果證明,他們的設(shè)計(jì)是十分正確的.這就使得試驗(yàn)更加順利,大大加快了飛機(jī)研制的進(jìn)程.
為了研究飛機(jī)的穩(wěn)定控制性,1899年萊特兄弟首先制作了一個(gè)1.5m寬的滑翔機(jī),實(shí)際上有點(diǎn)像一只大風(fēng)箏.目的是試驗(yàn)證明他們發(fā)現(xiàn)的保持平衡的翼尖曲翹方法的有效性.試驗(yàn)結(jié)果是肯定的,這給予他們極大的信心.
于是在1900—1902年間,萊特兄弟又先后制作了3架試驗(yàn)用的全尺寸滑翔機(jī).用它們進(jìn)行了無數(shù)次試驗(yàn)飛行,分別對展弦比、翼面積、翼面彎曲度進(jìn)行了調(diào)整,對水平安定面和垂直安定面進(jìn)行了改裝,使得滑翔機(jī)的穩(wěn)定性和操控性得到很大改善,升力也得到較大提高.在經(jīng)歷了多次失敗和挫折后,到1902年9月末,用第3號滑翔機(jī)試飛,威爾伯·萊特的最好成績達(dá)到26s內(nèi)滑翔190m,奧威爾·萊特的最好成績達(dá)到21s內(nèi)滑翔188m.這個(gè)巨大的成功使得萊特兄弟極度興奮,他們感到給飛機(jī)加裝發(fā)動機(jī)的時(shí)機(jī)到了,決定向動力飛行進(jìn)行最后的沖刺.
在此期間,為了獲得設(shè)計(jì)飛機(jī)所需要的可靠的數(shù)據(jù),萊特兄弟還進(jìn)行了多次空氣動力學(xué)的實(shí)驗(yàn).特別值得一提的是,他們自制了一個(gè)小型的風(fēng)洞,風(fēng)扇功率1.5kW,長約1.5m,口徑56cm×56cm,風(fēng)速27km/h.他們用它進(jìn)行了幾千次實(shí)驗(yàn),研究了200多種不同翼型,獲得了大量數(shù)據(jù),為他們以后的成功打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).
在他們的動力飛機(jī)“飛行者一號”試飛取得具有巨大歷史意義的成功后,萊特兄弟并沒有滿足,他們又設(shè)計(jì)制造了“飛行者”2號和3號,反復(fù)試驗(yàn),不斷改進(jìn)飛機(jī)的性能,克服了快速轉(zhuǎn)彎時(shí)的失速、失控的問題,使之能夠作轉(zhuǎn)彎和圓周飛行、傾斜飛行、8字飛行、重復(fù)起降.到1904年10月5日,飛行者3號的最好記錄是在38′2″內(nèi)飛行了38.6km.飛行者3號被看作是世界上第一架實(shí)用動力飛機(jī).
可以說,沒有這些試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn),就沒有萊特兄弟設(shè)計(jì)制造飛機(jī)的偉大成功.
萊特兄弟在研制飛機(jī)的過程中,遇到了無數(shù)的問題.他們總是對于具體問題采取具體分析的方法.為了解決這些問題,他們采取從已有的理論或技術(shù)中去尋找可能的方法,或者從自然現(xiàn)象中尋找啟示,如果沒有現(xiàn)成的借鑒,就從實(shí)驗(yàn)中去尋找規(guī)律.
他們對鳥類的飛行進(jìn)行了大量觀察,發(fā)現(xiàn)鴿子的翼尖沿著一個(gè)橫向軸擺動,這樣就可以控制它的橫向平衡.萊特兄弟把這種方法成功地用于飛機(jī)設(shè)計(jì)上,就是所謂“翼尖曲翹”的控制方法.
萊特兄弟的第一架滑翔機(jī)是采用李林塔爾的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的.然而,他們在試飛時(shí)發(fā)現(xiàn),滑翔機(jī)不載人時(shí)可以起飛,載人時(shí)根本飛不起來.他們認(rèn)為,李林塔爾的數(shù)據(jù)很可能不準(zhǔn)確.于是自己開展了關(guān)于一系列升力和阻力的空氣動力學(xué)的實(shí)驗(yàn),得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)后就解決了滑翔機(jī)的升力問題.
到他們的第3架滑翔機(jī)還是不夠穩(wěn)定,經(jīng)過反復(fù)試飛、觀察和分析,他們決定加裝可動的垂直舵面,同時(shí)取消前面的兩只垂直安定面.經(jīng)過這些改動后,飛行效果大不一樣,終于實(shí)現(xiàn)了他們夢寐以求的滑翔機(jī)穩(wěn)定控制飛行.
在航空史上,曾經(jīng)試驗(yàn)過的動力大約有人力、畜力、象筋、蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等.撲翼機(jī)是人力的,因?yàn)槿肆μ跣?,沒有成功;滑翔機(jī)曾經(jīng)使用過畜力來助力起飛,雖然成功,但顯然不能成為飛機(jī)的連續(xù)性動力;象筋作為模型飛機(jī)的動力還是不錯的,當(dāng)然也不能作為正式的航空動力.
曾被許多人作為航空動力候選的蒸汽機(jī),大約發(fā)明于17~18世紀(jì),由于功率重量比不夠而最后被證明不適合作為飛機(jī)的動力.蒸汽機(jī)的先天不足在于,它需要兩次能量傳遞,首先是燃料的熱量加熱工作介質(zhì)水,使之變?yōu)樗魵?,再由水蒸氣推動活塞,將水蒸氣的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能.每一次轉(zhuǎn)換的效率都不高,因此總的效率就很低.到19世紀(jì),雖然已經(jīng)得到很大改進(jìn),蒸汽機(jī)的熱效率也只有8%左右.另一方面,因?yàn)檎羝麢C(jī)使用高壓蒸汽,需要堅(jiān)固厚重的鍋爐,使得它的體積巨大而笨重.所以其功率重量比太小,不可能推動飛機(jī)連續(xù)飛行.因此用蒸汽機(jī)作為飛機(jī)動力的試驗(yàn)最后都失敗了.
如果萊特兄弟在此時(shí)介入動力飛機(jī)的研究,也很難取得成功.但萊特兄弟是在1899年才對航空事業(yè)感興趣的,此時(shí)內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展已經(jīng)有相當(dāng)一段時(shí)間了.內(nèi)燃機(jī)的概念最早出現(xiàn)于18世紀(jì)末期,1869年法國工程師雷諾發(fā)明了第一臺實(shí)用的內(nèi)燃機(jī).這是一臺二沖程,無壓縮,電點(diǎn)火的煤氣機(jī).熱效率僅為4%,還不如當(dāng)時(shí)的蒸汽機(jī).但它畢竟平穩(wěn)運(yùn)行了,并且實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn).1876年,德國工程師奧托研制成功第一臺四沖程單缸煤氣機(jī),功率達(dá)到4馬力,效率達(dá)到12~14%,這是空前的.此后這種內(nèi)燃機(jī)得到不斷改進(jìn),到1880年,單機(jī)功率達(dá)到15~20馬力,熱效率達(dá)到15.5%.1859年,美國鉆了第一口油井,從此石油工業(yè)蓬勃發(fā)展,汽油和柴油逐漸成為普通商品,成為可以廣泛應(yīng)用的新燃料.1883年,德國工程師戴姆勒研制成第一臺現(xiàn)代汽油機(jī).由于液體燃料密度大易儲存,使得使用汽油作燃料的內(nèi)燃機(jī)更加具有馬力大、重量輕、體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn).此后內(nèi)燃機(jī)的單機(jī)功率逐步達(dá)到了200馬力,熱效率達(dá)到20%以上.這就為萊特兄弟發(fā)明飛機(jī)成功提供了不可或缺的歷史機(jī)遇.
在此背景下,萊特兄弟抓住了這個(gè)歷史機(jī)遇.1903年,他們自己順利地制造出一臺四缸水冷汽油機(jī),能夠長時(shí)間發(fā)出約9kW 功率、峰值功率12kW的發(fā)動機(jī),而重量只有75kg.這大大超過了他們預(yù)期的指標(biāo),為他們成功研制有動力、載人、持續(xù)、穩(wěn)定、可操縱的重于空氣的飛行器提供了有力的動力支持.
萊特兄弟發(fā)明飛機(jī)的這些成功經(jīng)驗(yàn),我們認(rèn)為具有創(chuàng)造學(xué)的普遍意義.
正確選題原則 需要產(chǎn)生發(fā)明課題,這是最基本的原則.有現(xiàn)實(shí)的需要和潛在的需要.人類的幻想或理想是一種重要的潛在需要,在一定的條件下,可以成為發(fā)明的課題.這種發(fā)明課題,往往是無比艱難的,也往往是偉大的.
知識繼承原則 這在現(xiàn)代科研機(jī)構(gòu)和科研人員的圈子里是人所共知、天經(jīng)地義,不言而喻的.在任何課題開題之前,必須要作文獻(xiàn)調(diào)研和開題報(bào)告,對于重大的課題,甚至還要召開論證會.但是在廣大技術(shù)革新能手和民間發(fā)明家中,并不是人人都懂得這個(gè)道理的.在黑暗中摸索、閉門造車、低水平重復(fù)的現(xiàn)象比比皆是.這就要求發(fā)明家學(xué)會充分利用信息資源,包括圖書館的、專利局的和網(wǎng)上的資源,學(xué)習(xí)必要的理論知識,做文獻(xiàn)調(diào)研,參加各種相關(guān)的學(xué)術(shù)交流活動,參加國際會議等等.在動手之前,發(fā)明家應(yīng)先弄清楚前人已經(jīng)解決了哪些問題,還存在哪些問題,存在的問題有哪些可能的解決方案或思路,等等.
具體分析原則 我們認(rèn)為,“具體問題具體分析”,才是創(chuàng)造學(xué)的基本方法和金科玉律.通過分析,找到了矛盾之所在,才知道需要解決什么問題.為了解決遇到的問題,正確的途徑是從相關(guān)的已有理論、已有技術(shù)中去尋找可能的方法,或者從自然現(xiàn)象中尋找啟示(例如仿生學(xué)觀察),如果沒有現(xiàn)成的借鑒,就從實(shí)驗(yàn)中去發(fā)現(xiàn)規(guī)律、確定參數(shù).
矛盾主攻原則 任何一個(gè)原創(chuàng)性的發(fā)明,都不是簡單的.特別是像飛機(jī)這種,在萊特兄弟之前,經(jīng)過許多人、許多年的努力都未取得成功的發(fā)明,一定有其復(fù)雜困難之處.需要冷靜、理智的分析,找出其主要矛盾和確定正確的主攻方向.沿著正確的路線去進(jìn)行研究和研制,才能事半功倍,比較順利地獲得你想要的結(jié)果.
理論指導(dǎo)原則 所謂理論,就是人們對客觀事物規(guī)律的總結(jié).重視理論的指導(dǎo)作用,就是按事物的客觀規(guī)律辦事.常??梢钥吹接幸环N人,一說理論,就是“理論脫離實(shí)際”.其實(shí)輕視理論,就是輕視客觀規(guī)律.盲目實(shí)踐,是很難取得成功的.
每一種發(fā)明對象,都有自己特殊的技術(shù)領(lǐng)域,都有自己特定的理論基礎(chǔ).發(fā)明對象越是一個(gè)大系統(tǒng),涉及的理論問題就越多.如果沒有一個(gè)自上而下的理論頂層設(shè)計(jì),整個(gè)研制工作就會始終處在一種混亂的狀態(tài)中,就很難有真正成功的發(fā)明.
試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原則 理論的指導(dǎo)固然重要,但不能代替試驗(yàn),只有試驗(yàn)才能真正檢驗(yàn)自己的設(shè)想是否正確.只有試驗(yàn)不斷發(fā)現(xiàn)問題,才能不斷解決問題,直到最后成功.對于規(guī)律不明確、參數(shù)不準(zhǔn)確的地方,還需要在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行重新實(shí)驗(yàn)以獲得正確的規(guī)律和數(shù)據(jù).正如人們所說的:實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn).
技術(shù)集成原則 在人們長期研制或改進(jìn)一種東西的過程中,其他相關(guān)領(lǐng)域可能會不斷有某種新技術(shù)出現(xiàn),后者也許正是人們急需的技術(shù).誰先抓住這個(gè)歷史機(jī)遇,把這個(gè)新技術(shù)集成到自己的發(fā)明中去,誰就可能搶得先機(jī),首先取得成功.
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