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馬斯克再甩“王炸”:SpaceX真能重塑“太空經(jīng)濟學”?

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25年底以來商業(yè)航天在資本市場的關(guān)注度飆升,在本篇報告中,我們嘗試通過“前因后果”的梳理來為商業(yè)航天投資機會研究提供一個切入點。

本輪商業(yè)航天獲得市場關(guān)注的主要導火索是SpaceX即將步入資本市場進行融資的消息,而SpaceX的革命性在于其可回收火箭技術(shù)所帶來的衛(wèi)星發(fā)射成本的直線降低,那么在本篇報告中,我們以SpaceX切入,主要探討以下幾個問題:

  1. SpaceX是如何成長起來的,其可回收火箭技術(shù)可以降低多少成本?

  2. SpaceX急于上市,與此前馬斯克拒絕讓SpaceX上市的態(tài)度形成了鮮明對比,這中間發(fā)生了什么?

  3. 馬斯克所期望的太空算力可行性有多大,目前行業(yè)進展到什么階段了?

以下是詳細分析

PART.01

SpaceX的成長史:

Falcon9實現(xiàn)一級可回收,

Starship將實現(xiàn)全部可回收

1

布局火箭和衛(wèi)星技術(shù),拿下NASA合同

2002年,馬斯克在加州創(chuàng)立SpaceX,他創(chuàng)立公司的設想來自于科幻作品的啟發(fā),希望能去往火星,因為想要使得人類盡早成為“多行星物種”,他認為只有這樣,人類文明才能更長久地延展下去。

他認為,當時人類暫時去不了火星,并不是受制于技術(shù),而是火箭發(fā)射成本太高,所以他立志要將發(fā)射成本降下來,手段就是將火箭改造成可重復使用,“像飛機一樣”。

與此同時,馬斯克也清楚,想要去火星的話,首先要在地球軌道賺錢。所以他的設想是,先搞商業(yè)發(fā)射,通過火箭可復用技術(shù)降低成本,先從商業(yè)項目中賺到錢。

但僅掌握火箭技術(shù)是不夠的(雖然剛開始火箭技術(shù)也并沒有掌握),還要布局衛(wèi)星技術(shù)。于是2005年,SpaceX收購SSTL,SSTL擅長低成本小衛(wèi)星和快速交付,恰好符合SpaceX的需要。

2006年,NASA正面臨困境,哥倫比亞號失事加速航天飛機退役,國際空間站面臨無人送貨、無人送人的尷尬局面,借此契機,SpaceX獲得NASA的COTS(商業(yè)軌道運輸服務合同)。同年,SpaceX開始研發(fā)Dragon龍飛船。

圖:SpaceX Dragon


資料來源:Wikipedia,Dolphin Research

2008年,F(xiàn)alcon 1第四次發(fā)射終于成功,同年SpaceX獲得NASA的16億美元的商業(yè)補給服務合同。

圖:Falcon Family


資料來源:Historic Spacecraft,Dolphin Research

2

Falcon 9實現(xiàn)一級可回收

Dragon在2010年隨Falcon 9的首飛而成功入軌并回收,2012年,Dragon成功與國際空間站對接并返回。自此SpaceX真正成為NASA的核心承包商。

2014年,Starlink被正式立項。何為Starlink?我們后面再談,核心是,SpaceX認為這個項目能夠為公司提供長期現(xiàn)金流,當然它是以可回收火箭技術(shù)為前提的,而之后,這個項目也確實成為SpaceX至今最主要的現(xiàn)金流來源。

圖:the Location of Starlink in Orbit Around the Earth


資料來源:ABC,Dolphin Research

2015年,F(xiàn)alcon 9火箭一級在發(fā)射后終于成功實現(xiàn)陸上回收。

Falcon與傳統(tǒng)火箭的最主要區(qū)別在于一級可回收。

在火箭整體成本當中,火箭主體的制造成本是占比較高的一部分,而燃料成本占比其實并不高。

從結(jié)構(gòu)來看,主流液體燃料火箭一般采用二級推進結(jié)構(gòu),從上到下大體可大體分為整流罩、二級推進器、一級推進器幾部分,其中一級推進器往往成本占比最高。

火箭在發(fā)射過程中,一級推進器先點火,待火箭被推進至遠離稠密大氣層的高空中之后,一二級分離,二級發(fā)動機點火接替工作(此時整流罩也已脫落),最終將有效載荷(比如衛(wèi)星)推進至預定軌道。

圖:火箭二級推進結(jié)構(gòu)工作原理示意


資料來源:Head for Space,Dolphin Research

為什么要采用這種分級架構(gòu)呢?主要有兩點:一是通過逐級減少重量來最大化效率,比如一級推進器拋掉后可大幅降低火箭重量;二是可以使得發(fā)動機進行專門化設計,因為發(fā)動機在稠密大氣層vs真空環(huán)境中所適合的結(jié)構(gòu)是不同的,簡單來說,一級發(fā)動機的噴管要設計得相對短粗,而二級的真空發(fā)動機噴管則呈現(xiàn)出長大的鐘形。

圖:海平面版與真空版火箭發(fā)動機的區(qū)別


資料來源:Embry-Riddle Aeronautical University,Dolphin Research

由此我們可以理解,將一級推進器多次回收利用,降本意義是顯著的(具體我們會在后文進行測算)。

3

向徹底的可回收邁進

2016年,F(xiàn)alcon 9一級在海上無人船平臺成功回收。海上回收的意義在于大幅提高火箭回收的靈活性,尤其適用于高軌道發(fā)射和重型載荷任務。

圖:Falcon 9一級在海上無人船平臺實現(xiàn)回收


資料來源:SpaceX,Dolphin research

2017年,SpaceX首次使用回收的舊火箭成功發(fā)射衛(wèi)星,火箭復用進入實際的工程應用階段。同年,SpaceX的商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射次數(shù)成為全球第一。

2018年,目前最新火箭Starship的原型機Starhopper火箭開始生產(chǎn)并進行小規(guī)模短距離實驗。

Starship瞄準的是可完全復用,也就是說,不只是一級,二級也要實現(xiàn)可復用,同時大幅提高運載能力,目標是將近地軌道發(fā)射成本降低至100美元/kg,這可以使得火箭發(fā)射成本再次實現(xiàn)數(shù)量級的降低。

2020年,龍飛船運送兩名宇航員到達國際空間站,標志著SpaceX載人能力的實現(xiàn)。

2021年及之后,Starship SN原型機、Starship V1、Starship V2持續(xù)推進測試,到目前為止,已經(jīng)實現(xiàn)一級助推器“筷子”捕獲,并且對二級助推器垂直海上濺落進行了測試。

目前V3版本已經(jīng)完成地面測試,2026年3月預計將進行首飛測試,V3版本主要攻克回收技術(shù),以及測試軌道加油,而軌道加油是實現(xiàn)深空探索的重要技術(shù)基礎。

圖:Starship一級進行“筷子”回收


資料來源:SpaceX,Dolphin research

4

Falcon 9、Starship分別可降低多少成本?

這里我們做個測算:


考慮到火箭成本缺乏公開披露的精確資料,以上測算以估測為主,僅供參考。

我們可以看到,F(xiàn)alcon的成本優(yōu)勢一方面來自市場化和全產(chǎn)業(yè)鏈自研自產(chǎn)所帶來的綜合降本,一方面來自一級重復使用,不過,一級重復使用所帶來的降本所產(chǎn)生的降本效果并未帶來成本在量級上的變化,而未來如果Starship的全部可復用以及更高的復用次數(shù)實現(xiàn),那么火箭發(fā)射成本將進一步實現(xiàn)量級上的降低。

圖:全回收火箭發(fā)射和回收過程示意


資料來源:Space AI Leveraging Artificial Intelligence for Space to Improve Life on Earth,Ziyang Wang,Dolphin Research

火箭發(fā)射的下游需求有什么?對于SpaceX而言,可以簡單劃分為幾類:SpaceX自己的Starlink、商業(yè)衛(wèi)星訂單、以及美國政府和軍方訂單,這是目前SpaceX訂單的主要構(gòu)成部分;除此之外,還有未來可能會有的,比如市場熱議的太空算力。

PART.02

SpaceX上市動機的探討

這里我們不對上述提到的這些需求做全景式的掃描,但我們想尋著一條主線,把事情的前因后果想清楚。

近期SpaceX即將上市的消息使得資本市場對商業(yè)航天尤為關(guān)注。

這里會讓人產(chǎn)生疑問,此前馬斯克多次講過,他并不想讓SpaceX上市,因為資本市場對短期盈利的追逐會迫使SpaceX放棄自己的長期使命,那么這些風險在當前未曾變化,但馬斯克卻著急想讓SpaceX上市,那么大概率是某些其他的現(xiàn)實因素發(fā)生了變化。

想搞清楚這一點,最重要的是看一下馬斯克本人是怎么想的。

通過馬斯克最近在公開場合的一些表述,我們基本可以理解馬斯克的邏輯:

1

最大變化來自于算力瓶頸

(1)技術(shù)的融合:太空探索需要AI

在馬斯克的未來技術(shù)藍圖之中,包括AI在內(nèi)的信息技術(shù)可以提升人類的“軟件”效率,而人形機器人等技術(shù)可以提升物質(zhì)生產(chǎn)的“硬件”效率,他認為這兩者在不久的將來會融合,然后能夠?qū)⑷祟愇拿魍葡蛞粋全新的階段。

在馬斯克的商業(yè)版圖當中,他布局了智能駕駛,此后把重心轉(zhuǎn)向人形機器人;布局了腦機接口;曾參與創(chuàng)立OpenAI,后來又創(chuàng)立xAI;收購了Twitter;再者就是在太空領域創(chuàng)立了SpaceX,等等。馬斯克在這些關(guān)鍵領域下注之后,未來的主要目標就是嘗試將他們?nèi)诤掀饋怼?/p>

最近SpaceX宣布合并xAI,正是體現(xiàn)了這樣的融合。

(2)如何理解這種融合?舉個簡單的例子——

受到科幻作品的啟發(fā),馬斯克的宏偉目標是使人類成為跨星球物種。這樣的概念啟發(fā)自蘇聯(lián)天文學家卡爾達舍夫,他提出“Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型文明”的概念,其中“Ⅰ型文明”能夠掌控行星能源,“Ⅱ型文明”能夠掌控恒星能源,跨行星生存意味著人類有機會實現(xiàn)“Ⅱ型文明”(盡管現(xiàn)在“Ⅰ型文明”都還沒有實現(xiàn))。

為什么馬斯克希望人類盡早成為跨星球物種呢?他認為這能夠使得人類的文明能夠更長地延展下去。這很容易理解,一個長期困在一顆行星上的文明,脆弱性自然很高,一旦地球遭遇毀滅性的災難,人類文明就將煙消云散。

同時,科幻作品也賦予了馬斯克深刻的求知欲,他想要搞清楚宇宙的秘密,那么如果人類困在一顆小小的星球上,自然也更難以實現(xiàn)科技的跨越,距離世界的真相可能始終保持遙遠。

那么也就能理解,為什么馬斯克如此重視火星探索。上文談到,SpaceX開發(fā)Starship的主要任務之一就是前往火星。在他的構(gòu)想里,要實現(xiàn)“火星移民”,需要Starship的能力。

與此同時,在他的構(gòu)想里,讓人形機器人先行前往火星,相比于讓人類直接前往,是一個更可行的方案,當然,這樣的人形機器人必須具備AI能力。

圖:SpaceX計劃打造的“火星文明”


資料來源:SpaceX,Dolphin Research

由此,SpaceX,人形機器人,AI就緊密地聯(lián)系起來了。

(3)AI的快速發(fā)展和遭遇的電力瓶頸

近幾年人類世界的顯著變化之一就是AI技術(shù)的快速發(fā)展,而從以上描述我們可以看到,AI對馬斯克而言是如何重要。

馬斯克在不同場合多次強調(diào)過AI以超出他想象的速度快速進化,那么他志在贏得這場AI戰(zhàn)爭,同時他很清楚,贏的關(guān)鍵要素之一,是要比競爭對手更高效地布局算力資產(chǎn)。

那么這就涉及到美國AI算力設施的投資和建設了,這不是本篇文章的分析重點,但需要了解的一點是:

目前美國數(shù)據(jù)中心建設的最大瓶頸是能源,包括黃仁勛在內(nèi)也在多個場合,多次談過目前美國的能源瓶頸。簡單來說,算力中心是用電大戶,但美國從輸電網(wǎng)、配電設施到發(fā)電端建設都嚴重滯后且短期內(nèi)難以彌補。

(4)于是,能夠率先破解能源瓶頸的,自然有機會彎道超車

那么馬斯克提出了這樣的構(gòu)想:在太空布局數(shù)據(jù)中心。因為太空數(shù)據(jù)中心可以有效破除能源瓶頸。

太空光伏的利用效率遠高于地球,理論上將光伏組件布局在地球同步軌道上,可以實現(xiàn)24小時持續(xù)發(fā)電,與之相對應,地面光伏的每日有效發(fā)電時間可能不到4個小時,同時,在太空中由于無大氣削弱,可獲得的太陽輻照強度也相對更強,并且,很重要的一點,太空數(shù)據(jù)中心不會受到美國電網(wǎng)建設的掣肘。

想象一下,如果能夠在太空布設大量光伏面板,看起來是不是有點像美國物理學家弗里曼·戴森所假想的,通向卡爾達舍夫Ⅱ型文明的“戴森球”!


圖片來自Gemini

SpaceX也已經(jīng)開始快速行動起來,馬斯克計劃SpaceX在未來2-3年內(nèi)開始發(fā)射人工智能衛(wèi)星,近期SpaceX向美國FCC提交的申請文件,透露出它正在規(guī)劃涵蓋100萬顆衛(wèi)星的“軌道數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)”。與此同時,SpaceX也在大力布局大規(guī)模太陽能產(chǎn)業(yè),產(chǎn)能瞄準100GW。

這需要極大規(guī)模的資本開支,我們認為這是SpaceX當前急于融資的最主要原因。

當然,原因可能并不僅限于此。

2

從外部環(huán)境來說,SpaceX自身也面臨諸多壓力

(1)先看Starlink項目:資本開支繼續(xù)擴張

根據(jù)市場信息,Starlink貢獻了SpaceX約50-80%的收入。

Starlink項目的基本內(nèi)容是,依靠布局在地球近地軌道的大量衛(wèi)星,來建立一個覆蓋全球的衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡。那么這些Starlink衛(wèi)星的作用,就類似于傳統(tǒng)地面通訊網(wǎng)絡的中繼節(jié)點、交換節(jié)點以及基站。

它的優(yōu)勢是不受地面的地理條件制約,在地球的任意位置都可以使用這個通訊服務,因為衛(wèi)星可以在地面任意位置上方的近地軌道飛行。

這對于沒有普及地面寬帶的偏遠地區(qū)、航行在海面上的船舶、各類飛行器等,都具備地面寬帶所沒有的獨特優(yōu)勢。

那么Starlink與傳統(tǒng)的衛(wèi)星通訊模式有什么不同呢?

典型的一點就是數(shù)量眾多,V1版本有幾千顆,V2要幾萬顆,那么如果采用傳統(tǒng)的火箭發(fā)射模式,發(fā)射成本太高,算不過來經(jīng)濟賬,而SpaceX這樣的可復用火箭可大幅降低火箭發(fā)射成本,就使得Starlink的商業(yè)模式得以跑通。

從現(xiàn)實情況來看,美國的通訊網(wǎng)絡滯后,一方面地廣人稀區(qū)域缺乏基礎設施建設,一方面光纖等通訊設施基建成本高,幾大運營商的壟斷導致寬帶費用較為高昂,這也就是為什么相對于中國,衛(wèi)星通訊網(wǎng)絡在美國顯得更有價值。

太空算力還遠,所以Starlink是目前實實在在的現(xiàn)金流來源,并且Starlink的成熟也是一種背書,更有助于SpaceX未來去拿美國政府和軍方的訂單。

這里我們做個測算:


目前Starlink項目在役衛(wèi)星主要為V1版本(主要是V1.5和V2 mini),正在面臨大量用戶涌入之后帶寬下降,體驗變差的問題,從而抑制用戶增長。

未來SpaceX將發(fā)射V2衛(wèi)星。從以上測算來看,V2可使Starlink容量大幅提升,但同時也需要巨額投入,例如V1.5版本的衛(wèi)星造價15億美元,但V2版本可能將飆升到600億美元以上。

以上測算基于理論假設,但現(xiàn)實情況是,Starlink未來將面臨競爭,并不會維持一家獨大的局面,那么上述V2的盈利預期可能偏樂觀。

(2)從競爭角度,SpaceX并非沒有競爭壓力

SpaceX全球互聯(lián)業(yè)務正受到貝索斯挑戰(zhàn),同時中國也在加快進度;同時公司在布局的D2D手機直連(通訊衛(wèi)星直連手機)業(yè)務則受到AST SpaceMobile等的挑戰(zhàn)。

而頻譜資源和軌道資源都是有限的,且在俄烏沖突中,Starlink已經(jīng)展現(xiàn)了商業(yè)價值背后巨大的軍事價值,所以軌道和頻譜資源的爭奪不止關(guān)乎商業(yè)價值,還關(guān)系到各國的國家安全。因此當前爭奪頻譜資源和軌道資源具有緊迫性。

關(guān)于行業(yè)的競爭狀態(tài)和競爭對手的布局與進展,我們放在下篇進行討論。

(3)政府訂單的不穩(wěn)定性,以及潛在的政治因素

與NASA的合作存在不穩(wěn)定性:此前美國總統(tǒng)特朗普與馬斯克發(fā)生矛盾后,特朗普曾威脅終止SpaceX價值數(shù)十億美元的“政府補貼與合同”,并撤回馬斯克提交的NASA局長提名。此后Starship多次測試失敗導致NASA的Artemis計劃推遲,于是NASA代理局長重新向Blue Origin等競爭對手開放月球著陸器合同。

另外,SpaceX在推進Starship項目時,持續(xù)面臨著來自FAA和其他監(jiān)管機構(gòu)的嚴格審查。而SpaceX上市之后能夠強化敘事,更加大而不能倒,也許也是其考量之一。

PART.03

那么太空算力真的能夠?qū)崿F(xiàn)嗎?

1

美國和中國從實驗角度已經(jīng)取得一些進展

目前有部分企業(yè)和主體已經(jīng)進行了前期布局,基本上都是在實驗階段和技術(shù)驗證階段,主要集中在美國和中國:


2

如果要實現(xiàn)太空算力,會面臨什么瓶頸呢?

主要有以下幾個難點:

(1)發(fā)射成本問題

這是SpaceX正在著力解決的問題。

按照Google論文的計算,如果將衛(wèi)星運送到LEO(近地軌道)的火箭發(fā)射成本降低到200美元/公斤以下,那么太空數(shù)據(jù)中心在經(jīng)濟上將可行。根據(jù)其測算,如果發(fā)射成本在200美元/公斤以下,那么通過Starlink V2衛(wèi)星的整體成本在810-7500美元/kW/年,與之相對應,美國地面數(shù)據(jù)中心能源成本在570-3000美元/kW/年,兩者在量級上相當。

(2)輻射防護問題

太空中有大量的宇宙射線和高能粒子,會產(chǎn)生TID總劑量效應和SEEs單粒子效應,導致數(shù)據(jù)錯誤。

如果想要解決以上問題,就需要給芯片增加抗輻射配置,那么這會增加成本。另外,過去為了減小輻射影響,衛(wèi)星通常只采用較為傳統(tǒng)的芯片制程(制程越大,受輻射影響越小),算力遠不能滿足需求,而如果采用先進制程芯片,必須配備嚴格的容錯架構(gòu),那么這又會影響計算效率。

圖:現(xiàn)有抗輻射處理器與成熟的地面COTS的性能表現(xiàn)對比


資料來源:Computing over Space: Status, Challenges, and Opportunities,Yaoqi Liu and others,Dolphin Research

圖:芯片及散熱器布局在光伏面板的背陰側(cè)以減少太陽輻射的影響


資料來源:Tether-Based Architecture for Solar-Powered Orbital AI Data Centers,Igor Bargatin and others,Dolphin Research

不過,根據(jù)Google論文,他們使用其V6e Trillium cloud TPU搭配AMD服務器主機進行TID測試,僅HBM表現(xiàn)出了較高的TID敏感性,在2 krad(Si)的劑量下表現(xiàn)出失序,但這個數(shù)字也達到了所要求的劑量下限的3倍。

除此之外,端到端計算始終能夠保持正常工作。

而在SEEs測試中,HBM以及計算機整體的表現(xiàn)也與TID測試類似。總之,根據(jù)測試,搭配其TPU的服務器在太空環(huán)境中能夠經(jīng)受得住輻射沖擊。

(3)真空散熱問題

我們知道太空中是沒有空氣的,只能靠熱輻射散熱,這個散熱效率極低,目前看相對可行的解決方案是配置流體回路和輻射散熱器。

輻射散熱器通過巨大面積可以補償輻射散熱的低效率,但這會增加成本。同時流體回路相關(guān)相關(guān)技術(shù)也有諸多瓶頸需要進一步攻克。

圖:太空數(shù)據(jù)中心熱管理系統(tǒng)示意


資料來源:Computing over Space: Status, Challenges, and Opportunities,Yaoqi Liu and others,Dolphin Research

(4)能源供給問題

雖然在地球同步軌道配置太空光伏,理論上可實現(xiàn)24小時不間斷發(fā)電,且發(fā)電效率高于地面,但在太空中部署大規(guī)模的光伏陣列難度很大,且太空中所需的光伏組件與地面完全不同,需要能夠適應太空環(huán)境,目前主流方案是采用GaAs,因為其適用高溫、真空、輻射強的環(huán)境,未來可能采用p型HJT或者鈣鈦礦,但成本顯然仍會高于普通地面光伏組件。

(5)數(shù)據(jù)傳輸問題

目前Starlink衛(wèi)星已經(jīng)能夠配置達100Gbps傳輸速率的激光鏈路,中國也在推進100Gbps激光通訊鏈路技術(shù),但仍無法滿足算力集群所需帶寬(可能需要10Tbps甚至100Tbps),如果大幅增加激光終端又會增加衛(wèi)星重量和成本。

不過,根據(jù)Google論文,通過使用COTS DWDM收發(fā)器技術(shù),是能夠?qū)崿F(xiàn)每條鏈路聚合帶寬達到10Tbps的,但它不適合長距離,于是一個可行的方案是利用衛(wèi)星近距離編隊的方式(衛(wèi)星之間距離數(shù)百公里或更短),以降低成本。

圖:Google論文中關(guān)于提升衛(wèi)星間傳輸帶寬方案的帶寬與距離的關(guān)系


資料來源:Google,Dolphin Research

(6)在軌維護問題

目前太空機器人維護技術(shù)還在實驗階段,所以對于故障,主要只能依靠衛(wèi)星配備自我診斷和修復能力,否則就要頻繁替換;另外衛(wèi)星部署后也不能像在地面那樣更換算力芯片,只能替換整個衛(wèi)星,這又會增加成本。

總結(jié)來說,對于目前面臨的問題,在理論上基本都有可能實現(xiàn)的解決方案,但一方面如果要實際應用,有大量具體的技術(shù)問題需要解決,另一方面,或者說最大瓶頸,還是成本問題,也就是說能不能算得過來經(jīng)濟賬。

PART.04

總 結(jié)

從需求角度,對于商業(yè)航天及衛(wèi)星產(chǎn)業(yè),Starlink實現(xiàn)了一個可行的盈利模型,而太空資源的搶奪和占位賦予了行業(yè)增長的確定性;在此基礎上,太空算力具備可行性,從而在電力供應短缺背景下賦予了商業(yè)航天一個實值期權(quán)。因此,我們整體對行業(yè)需求增長保持樂觀預期。

從產(chǎn)業(yè)內(nèi)參與者的角度,我們認為SpaceX為可回收火箭模式趟出了一條可行的路線:通過可回收的方式大幅降低成本,從技術(shù)和商業(yè)模式上是能夠?qū)崿F(xiàn)的。

那么,這一方面為行業(yè)帶來了增長的確定性,另一方面也代表其他企業(yè)有機會循著這條道路,依靠后發(fā)優(yōu)勢快速取得進展。在下篇中,我們將重點梳理行業(yè)玩家和競爭格局。

>End

本文轉(zhuǎn)載自“海豚研究”,原標題《馬斯克再甩“王炸”:SpaceX真能重塑“太空經(jīng)濟學”?》。

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