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Hohlladung

Typ einer Explosionsvorrichtung
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Die Hohlladung ist eine spezielle Anordnung von brisantem Sprengstoff, (oft auf Nitropenta- oder Hexogen/Oktogenbasis) um eine kegel- oder halbkugelförmige Metalleinlage, die sich besonders zum Durchschlagen von Panzerungen eignet. Sie wird dementsprechend in Panzermunition, Panzerabwehrwaffen und Streubomben eingesetzt.

Hohlladung aufgeschnitten.

Funktionsweise

Eine kegelförmige Metalleinlage mit nach vorn gerichteter Öffnung wird mit möglichst brisantem Sprengstoff umgeben. Der Zünder sitzt an der Rückseite der Ladung. Wird die Ladung gezündet, so bildet sich – von der Spitze des Metallkegels ausgehend – ein Stachel aus kalt verformtem Metall, der mit sehr hoher Geschwindigkeit das Ziel durchdringt, gefolgt von einem langsameren "Stößel", der die Hauptmasse bildet. Entgegen der landläufigen Ansicht erreicht das Material nicht den Schmelzpunkt. Es handelt sich um eine reine Kaltverformung bei sehr hohen Drücken. Dem steht nicht die Beobachtung aus der Praxis entgegen, dass der Einsatz von Hohlladungen häufig mit Feuer und Bränden einhergeht. Dies ist ein Sekundäreffekt durch druckverflüssigtes Zielmaterial, welches sich an der Luft pyrophor verteilt und verbrennt. Auch Stahl kann unter diesen extremen Umständen verbrennen.

 
Animation der Detonation einer Hohlladung
Datei:Hohlladung 3.JPG
Die Aufnahme eines Hohlladungstests mit einer Hochgeschwindigkeitskamera zeigt das fluidartige Verhalten von Metallen, wenn sie extrem hohen Drücken ausgesetzt werden. Der Kupferstachel schießt mit 8000 m/s nach rechts.

Die Einlage (englisch: Liner) wird aus einem gut formbarem Metall mit möglichst hoher Dichte gefertigt. Kupfer bietet diese Eigenschaften und wird deshalb gerne eingesetzt. Noch bessere Ergebnisse ließen sich mit Gold erzielen, was in der benötigten Menge aber zu teuer ist. Die russische 3BK-21B benutzt eine Auskleidung aus Uran. Uran ist pyrophor und verstärkt durch Brandwirkung den Schaden hinter der Panzerung. Bei der TOW2B kommt Tantal zum Einsatz. Tantal ist ebenfalls ein Metall mit hoher Dichte und pyrophoren Eigenschaften.

Die Erzeugung dieses Metallstrahls wird durch eine geometrisch-dynamische Eigenheit bei Detonationen von Hohlladungen möglich, gemäß der sich die Detonationsfront als Stoßwelle mit Überschallgeschwindigkeit ausbreitet und die Metalleinlage quasi in einem Brennpunkt – genauer: auf einer Achse – zur Wechselwirkung gebracht wird (Zeichnung B). Dabei lösen sich vom entstandenen Stachel einzelne, "Spindeln" genannte Partikel, die dann nach und nach auf das Ziel hoch energetisch einwirken. So entsteht bei hinreichender Präzision der Anordnung ein Kanal von kleinen Lunkern. Die mit Unterschallgeschwindigkeit nachströmenden Explosionsgase sind für den Effekt irrelevant.

Die Geschwindigkeit des Stachels ist abhängig von der Brisanz des Sprengstoffs und vom Kegelwinkel der Metalleinlage. Je spitzer, desto höher die Geschwindigkeit des Stachels, aber desto geringer seine Masse im Verhältnis zum Stößel, sodass in der Praxis ein Kompromiss erforderlich ist. Nach Pokrowski (siehe Literaturverzeichnis) wurden unter Laborbedingungen Geschwindigkeiten um 100 km/s erreicht, was aber wegen des Aufwandes (u. a. Expansion in Vakuumkammern) für gewerbliche und militärische Zwecke keine Bedeutung hat.

 
Zeichnung B: Bildung des kumulativen Metallstrahls bei der Detonation einer Hohlladung

Da die Detonationsfront allein keine große Penetrationskraft hätte, wird die Oberfläche der Hohlladung, wie oben geschildert, mit einer Metalllage versehen. Das Metall wird bei der Detonation durch den Druck kalt verformt und zur Längsachse des Kegels geschleudert. Dort trifft das Metall aufeinander und bildet einen kumulativen Metallstrahl.

 
Wirkung einer Hohlladung

Die Spitze dieses Strahls bewegt sich mit sehr hoher Geschwindigkeit. Bei militärischen Systemen liegt diese Geschwindigkeit im Bereich von etwa 7 km/s bis 10 km/s. Trifft dieser Strahl auf ein Hindernis, entsteht ein extrem hoher Druck. Bei einer Strahlgeschwindigkeit um 10 km/s liegt der Druck in der Größenordnung von 200 GPa (ca. 2 Mio. Atmosphären). Bei diesem Druck verhalten sich Festkörper wie Flüssigkeiten, sodass der Metallstrahl nach Gesetzmäßigkeiten der Hydrodynamik das Hindernis wie eine Flüssigkeit durchdringt, was die Durchschlagsleistung von Hohlladungen begründet. Durchschlägt eine Hohlladung die Panzerung eines Fahrzeuges, können der explosionsartig eindringende Metallstrahl und Splitter der Panzerung den Treibstoff oder die Munition entzünden und die Besatzung töten. Die Öffnung, die ein solcher Strahl hinterlässt, ist wesentlich kleiner als das Kaliber des ursprünglichen Geschosses.

Datei:Hohlladung 2.jpg
Hohlladung aus PBX mit Kupfereinlage
Datei:Hohlladung 4.jpg
Der Stachel einer Hohlladung hat sich 360 mm tief durch 7 Panzerstahlplatten gebohrt.

Da der kumulative Strahl etwas Raum benötigt, um sich zu entwickeln, besitzen Hohlladungen oft eine lang gestreckte ballistische Haube, durch welche die Ladung in ausreichendem Abstand durch Aufschlagzündung gezündet werden kann. Wegen der hohen Geschwindigkeit des kumulativen Strahls ist die Fluggeschwindigkeit des mit der Hohlladung bestückten Geschosses zweitrangig. Daher werden hauptsächlich relativ langsame, teils reaktive (rückstoßfreie) Geschosse mit Hohlladungen versehen, wodurch das Gewicht des Abschussgerätes gering gehalten werden kann (z. B. Bazooka oder auch Panzerfaust). Wird das Geschoss mittels Drall stabilisiert, so nimmt die Durchschlagsleistung stark ab. Der Grund ist, dass durch die Zentrifugalkraft der Strahl aufgeweitet wird und daraus eine größere Auftrefffläche mit niedrigerem spezifischen Druck resultiert. Aus diesem Grund werden die meisten Hohlladungsgeschosse flügelstabilisiert. Eine andere Möglichkeit ist, das Geschoss mit einem die Führungsringe tragenden Drallmantel zu versehen. In diesem ist der Ladungsträger auf Kugellagern platziert, sodass auf die Ladung ein viel geringerer Drall übertragen wird.

Durchschlagsleistung einiger ausgewählter Systeme mit Hohlladung:

  • Panzerabwehrlenkflugkörper MILAN (Deutschland/Frankreich): 1000 mm Panzerstahl
  • RPG-7 (Panzerfaust, ungelenkt, ehemalige Sowjetunion/GUS): 330 mm Panzerstahl
  • Panzerfaust 3 (ungelenkt, Deutschland): 700 mm Panzerstahl
  • APILAS Waffensystem (gelenkt, Frankreich): 710 mm Panzerstahl, 2000 mm Stahlbeton
  • AT-14 Kornet Waffensystem (gelenkt, Russland): 1200 mm Panzerstahl

Weitere speziell geformte Sprengladungen

 
Plane-Wave-Generator

Nach dem Hohlladungsprinzip werden auch so genannte Schneidladungen gefertigt, die nicht kegelförmig, sondern v-förmig über eine gewisse Länge ausgebildet sind. Bei ihnen entsteht kein punktförmiger Strahl, sondern über die ganze Länge einer Art "Faden" aus Metall, der durch das Material dringt. Damit ist es möglich, z. B. Stahlträger mit relativ geringem Aufwand an Sprengstoff über die gesamte Breite zu zerschneiden. Schneidladungen kommen in erster Linie bei zivilen Abbruchprojekten zum Einsatz.

Ein Plane-Wave-Generator ist eine kegelförmige Ladung aus zwei verschiedenen Sprengstoffen, die als Kontaktladung zur Erzeugung eines planen Schlags bei Belastungsversuchen verwendet wird. Die Detonationsgeschwindigkeit des Kegelmantels (1) (z. B. Composition B, gegossen, 39 % TNT + 60 % RDX + 1 % wax), v1 = 7980 m/s) ist größer als die des Innenkegels (2) (z. B. TNT, gegossen, v2 = 6930 m/s). Der Öffnungswinkel des Kegels ergibt sich aus   .

Anwendung

 
Panzerfaust 60 und Faustpatrone 30
 
Schnittbild von Panzerfaust 60 und Faustpatrone 30

Die Panzerfaust und die Faustpatrone der deutschen Wehrmacht waren rückstoßfrei aus einem Einwegrohr abzufeuernde Hohlladungsgranaten, die im Zweiten Weltkrieg ab 1942 zur Panzerbekämpfung eingesetzt wurden.

Die RPG-7 (Ruchnoy Protivotankoviy Granatomet-7), in den 1950er Jahren entwickelt und erstmals 1961 von den sowjetischen Streitkräften eingesetzt, ist eine von der Schulter abgefeuerte, raketengetriebene Hohlladungsgranate mit einer Einsatzreichweite bis 500 m und einer Durchschlagleistung von bis zu 600 mm Panzerstahl. Die Granaten wiegen je nach Type zwischen 1,8 kg bis 4,7 kg bei Kalibern von 70 – 105 mm. Neuere Entwicklungen mit Tandemgefechtskopf sind auch gegen Reaktiv- und Schichtpanzerung wirksam. Die RPG-7 ist heute in Asien, Afrika, Lateinamerika, in den arabischen Ländern sowie in Ost- und Südosteuropa bei Streitkräften, Milizen und Terrorgruppen verbreitet, wird in vielen Ländern auch ohne Lizenz gefertigt und ist bei internationalen Waffenhändlern zum Stückpreis von ein paar hundert Dollar erhältlich. Sie ist eine Gefahr auch für modernste Panzer und Hubschrauber in Bodennähe.

Die momentan vermutlich stärkste Hohlladung ist in der russischen Panzerabwehrlenkwaffe AT-14 / 9K135 Kornet eingebaut. Diese Lenkwaffe hat eine maximale Schussweite von 5,5 km. Der Sprengkopf hat ein Kaliber von 152 mm und besitzt eine Durchschlagsleistung von 1200 mm Panzerstahl.

Geschichte

 
Zeichnung einer Hohlladung.

Seit Ende des 19. Jahrhunderts wusste man, dass die geometrische Form einer Sprengladung entscheidenden Einfluss auf die Wucht der Detonation hat. Unabhängig voneinander hatten ein deutscher und ein amerikanischer Produzent von Schießbaumwolle herausgefunden, dass ein ausgehöhlter Sprengkörper eine besonders hohe Durchschlagskraft besitzt. [1] Eine Untersuchung dieses Phänomens war damals noch nicht möglich. Bis zum Zweiten Weltkrieg wurde nichts Wesentliches mehr zur Hohlladungsforschung publiziert. Insgeheim hatte die Reichswehr aber schon in den 30er Jahren eine Reihe von Entwicklungsarbeiten auf diesem Gebiet in Auftrag gegeben. So wurden am II. Physikalischen Institut der Berliner Universität unter Prof. Dr. Erich Schumann eine Reihe von Dissertationen zu theoretischen Problemen der Hohlladung verfasst.

Erste Entwicklungen

Ein Durchbruch gelang Franz Thomanek von der Luftfahrtforschungsanstalt in Braunschweig 1935. Er entwickelte die erste Hohlladungswaffe der Welt, ein 7-cm-Tankgewehr[2] Entscheidend für die weitere Forschung war der 1938 ebenfalls von Thomanek entdeckte Auskleidungseffekt. Die Durchschlagskraft wurde dadurch mehr als verdoppelt. Abgeschlossen wurde die Entwicklung der »Panzerfaust« dann ab Sommer 1942 von einer Entwicklungsgruppe unter der Leitung von Dr. Langweiler bei der Leipziger Hugo Schneider AG (HASAG). Thomanek wechselte kurz nach seiner zweiten Erfindung zu Hubert Schardin an das Institut für Technische Physik und Ballistik an der Technischen Akademie der Luftwaffe in Berlin-Gatow.

Kurz nachdem Thomanek der Hohlladungsforschung eine neue Richtung gegeben hatte, schlug der Siemens-Wissenschaftler Max Steenbeck eine röntgenspektroskopische Untersuchung der Gasentladung bei Hohlladungen vor.[3] In der Folgezeit entwickelten das Ballistische Institut und das Siemens-Forschungslabor Röntgenblitzröhren, mit denen mehr als 45 000 Bilder pro Sekunde aufgenommen wurden. Damit konnte erstmals die Strahlbildung bei einer Hohlladung und die Wirkung auf eine Panzerplatte beobachtet und analysiert werden.[4][5] In der Folge werden im Heereswaffenamt (HWA) und bei der Luftwaffenakademie (Schardin) umfangreiche Optimierungen vorgenommen, die unmittelbar in der Waffenentwicklung Anwendung finden, wovon vor allem die Panzerfaust bekannt wurde.[6]

Einer der ersten Einsätze der Hohlladung war am 10. Mai 1940 bei der Erstürmung des belgischen Fort Eben-Emael durch deutsche Fallschirmjäger , bei dem zur Zerstörung der Panzerkuppeln Ladungen von bis zu 50kg verwendet wurden.

Nachdem Erich Schumann die Leitung der Heeresforschung im Heereswaffenamt (HWA) übernommen hatte, stieg Walter Trinks 1940 zum Leiter des Referats Wa FI b ‚Sprengphysik und Hohlladungen’ auf. Bis Kriegsende erarbeitete die Wissenschaftlergruppe um Trinks mindestens vierzig Geheimpatente zum Thema Hohlladung.[7]

Atomare Hohlladungen

Den Anstoß für eine völlig neue Arbeitsrichtung der Kernphysik gaben die theoretischen Arbeiten der Strömungsforscher Adolf Busemann und Gottfried Guderley aus dem Jahr 1942. Beide arbeiteten an der Luftfahrtforschungsanstalt in Braunschweig und beschäftigten sich mit der Fokussierung von Stoßwellen. Sie zeigten, wie mit energiereichen, stoßartigen Wellen Druck- und Temperatursprünge in einem kleinen Bereich um das Konvergenzzentrum herum zu erzielen waren. [8] Ihre Forschungen gaben den Anstoß für Experimente, mittels höchster Drücke und Temperaturen Fusionsreaktionen einzuleiten.

Auf Anregung Carl Ramsauers (Leiter der Forschungsabteilung der AEG) begannen ab Herbst Versuche mit deuteriumgefüllten Hohlkörpern beim HWA (Dr. Trinks, Dr. Kurt Diebner) und Marinewaffenamt (MWA, Dr.Otto Haxel). Im Oktober 1943 begann Trinks in der Heeresversuchsanstalt Kummersdorf mit einer Versuchsreihe ‚Freisetzung von Atomenergie durch Reaktionen zwischen leichten Elementen’.[9] Die Versuche schlugen nach eigener Aussage fehl [10][11], wurden aber offensichtlich geheim fortgeführt.[9] [12] [13] In dem Buch „Hitlers Bombe“ des Historikers Rainer Karlsch wurde die These aufgestellt, dass im Deutschen Reich Hybridbomben (thermonukleare Bomben, Fission-Fusion-Fission), bestehend aus konventionellem Sprengstoff und einer kleinen Menge an Spalt- und Fusionsstoff auf Hohlladungsbasis entwickelt und getestet worden seien. Dies wurde in der deutschen und internationalen Presse kontrovers diskutiert. Die Äußerungen der Experten auf den Gebieten Geschichte und Kernphysik lassen jedoch keinen Zweifel daran, dass das Deutsche Reich weder Kernspaltungs- noch Kernfusionsbomben erfolgreich entwickelte.

Schumann, Trinks und Diebner erläuterten in Patenten und Publikationen nach dem Krieg den wissenschaftlichen und technischen Weg zur Herstellung von Atomhohlladungen.[9][14][15][16] Allerdings geht nur Diebner auf die Notwendigkeit eines Zusatzes von Spaltstoffen (U-235, U-233, Plutonium) ein.[15] Der Autor H. J. Hajek publizierte 1956 offensichtlich unter Pseudonym in der Zeitschrift "Explosivstoffe" 5/6 1955, S. 65 ff einen Artikel über Atom-Hohlladungen. Darin weist er außerdem auf eine Arbeit des französischen Atomministeriums über Atomhohlladungen hin, die bis heute gesperrt ist.[17]

In den USA und Russland wurden sofort nach dem Krieg Forschungen zu atomaren Hohlladungen begonnen (USA – Alarm Clock [18], UdSSR/Russland – Layer Cake[19]). Die Details werden bis heute geheim gehalten. Moderne Kernwaffen sind überwiegend nach dem Prinzip der Hohlladung gebaut. (siehe auch Mininuke, boosted weapon)

Fußnoten

  1. ↑ Vgl. Heinz Freiwald, Zur Geschichte der Hohlraumwirkung bei Sprengladungen, in: Schriften der Deutschen Akademie der Luftfahrtforschung, Berlin 1941; Hubert Schardin, Über die Entwicklung der Hohlladung, Wehrtechnische Hefte 1954, Heft 4, S. 97ff
  2. ↑ Vgl. Franz Rudolf Thomanek, Die Hohlladung, Jahrbuch der Wehrtechnik, Nr. 3, S. 76.
  3. ↑ Vgl. Max Steenbeck, Wissenschaftliche Veröffentlichungen der Siemenswerke, Bd. XVIII, S. 363 (1938)
  4. ↑ Vgl. Rudi Schall, Röntgenblitzer in Betrieb und Anwendung, Mai 1953
  5. ↑ Vgl. Hubert Schardin, Über die Entwicklung der Hohlladung, in: Wehrtechnische Hefte 1954, Heft 4, S. 119
  6. ↑ Interview mit Professor Hauke Trinks am 29.04.2004, aufgezeichnet von Heiko Petermann. Zur Gruppe um Trinks gehörten u. a. die promovierten Physiker Rudi Schall, Gerd Hinrichs, Werner Holtz, Ortwin Schulze, Werner Schwietzke und Günter Sachsse
  7. ↑ Vgl. z. B.: Erich Schumann, Gerd Hinrichs, Vorläufige Mitteilung zum Bericht 43/2 über die Wirkungssteigerung bei Hohlsprengkörpern durch Zündführung (Linsen); Erich Schumann, Über Sprengwaffen, Sprengstoffphysikbericht 44/9, 16.11.1944, Nachlass Erich Schumann
  8. ↑ Vgl. Gottfried Guderley, Starke kugelige und zylindrische Verdichtungsstöße in der Nähe des Kugelmittelpunktes bzw. der Zylinderachse, in: Zeitschrift für Luftfahrtforschung, 1942, Bd. 19, Lfg. 9, S. 302–312; Adolf Busemann, Die achsensymmetrische kugelige Überschallströmung, in: ebd., Bd. 19, Lfg. 4, S. 137 –145
  9. ↑ a b c 1948/49 – Erich Schumann "Die Wahrheit über die deutschen Arbeiten und Vorschläge zum Atomkernenergie-Problem (1939 – 45)". Das Manuskript enthält im Kapitel II Hinweise und Konstruktionsvorschläge zur Zündung von Fusionsreaktionen. Bundesarchiv, Bundesarchiv-Militärarchiv
  10. ↑ Vgl. Walter Trinks, Über das Wesen der Detonation und die Wirkungsweise von Hohlsprengladungen, in: Soldat und Technik 1958/11; Rudi Schall, Fortschritte der militärischen Sprengstoffforschung, in: Wehrtechnische Monatshefte, 54. Jg. 1957, S. 386–394
  11. ↑ Vgl. Walter Herrmann, Georg Hartwig, Heinz Rackwitz, Walter Trinks, H. Schaub, Versuche über die Einleitung von Kernreaktionen durch die Wirkung explodierender Stoffe, G-303, Deutsches Museum München.
  12. ↑ Berichte von Zeitzeugen über Kugelexperimente (gekühlte Schalenanordnungen und starke Explosionen im Raum Friedland (Mecklenburg), erwähnt in Rainer Karlsch „Hitlers Bombe“
  13. ↑ Schriftliche Mitteilung von Walter Gerlach an Hermann Göring über Fusionsexperimente
  14. ↑ Vgl. Patent „Vorrichtung, um Material zur Einleitung von mechanischen, thermischen oder nuklearen Prozessen auf extrem hohe Drücke und Temperaturen zu bringen“; Nr. 977.825, Erfinder Schumann, Trinks; Anmelder: Bundesverteidigungsministerium 13. August 1952, Veröffentlichung 8. April 1971, vgl. auch Patent Nr. 977863; „Verfahren zur Zündung thermonuklearer Reaktionen mittels konvergenter Detonationsverdichtungsstöße“; Patent Nr. D 23685, Anmelder Kurt Diebner, Friedwardt Winterberg, Anmeldetag 28. August 1956; „Verfahren zur elektromagnetischen Zündung thermonuklearer Kernbrennstoffe“; Patent Nr. D 24361, Anmelder Kurt Diebner, Friedwardt Winterberg, Anmeldetag 30. November 1956
  15. ↑ a b Vgl. Kurt Diebner, Fusionsprozesse mit Hilfe konvergenter Stoßwellen – einige ältere und neuere Versuche und Überlegungen, in: Kerntechnik, März 1962, S. 90.
  16. ↑ Vgl. Walter Trinks, Über ein Verfahren zur Erzeugung höchster Drucke und Temperaturen (Unveröffentlichtes Manuskript 1943), zitiert nach: H. von Falser, Über die sprengstoffgetriebene Implosion gasgefüllter metallischer Hohlkörper, August 1972.(unveröffentlichtes Manuskript)
  17. ↑ Vgl. 1960 folgt ein ausführlicher Artikel "Die Möglichkeit von Kernreaktionen mittels Hohlladungen" publiziert in "Wehrtechnische Monatshefte" 1960, S. 8 ff. . Hajek erklärt ausführlich unter Bezug auf erfolgreiche Versuche mit gegeneinander gerichteten Hohlladungs-Kaskadenzündung die Funktionsweise der Atom-Hohlladung.
  18. ↑ 1958 – Thomas Poulter – Forschungsarbeit über "Thermal fusion by opposing Mach 10 detonation fronts." Tech. Report GU-960 (1958), Erwähnung in "By Thomas C. Poulter and Co-Workers. Covering Fifty Yerars of Research and Explorations." Der Bericht ist bis heute klassifiziert.
  19. ↑ 1947 November 3. – Bericht von Zeldovich "Utilization of the Subatomic Energy of the Light Elements" (sehr positive Einschätzung über die Möglichkeit mit chem. Sprengstoff in einer Hohlladungsanordnung mit Schockwellen LiD zu zünden) In Folge wird das Projekt KB-11 angeordnet.
    • Sacharow schlägt das Projekt Sloika (Layer Cake) vor (Schockwellen auf ein Deuterium-U238-Gemisch)
    • 1949 August 23. - Ginzburg schreibt seinen überarbeiteten Bericht an die sowjetische Führung "Detonation Wave in the System (Li-6 D)- Uranium" und weist auf die vielfach höhere cross section des Li6D gegenüber reinem Deuterium hin. Einsatz von Schnellspaltung von U238 unter Beschuss von 14,1 MeV Neutronen. Diese Projekte werden gegen Ende der 40er Jahre gestoppt, da sie zu dieser Zeit militärisch nicht relevant sind.

Siehe auch

Monroe-Effekt, Panzermunition, Waffen, Durchschlagskraft

Literatur

  • MRJK, The chemistry and geometry of shaped charges - including numerical modelling
  • Ian Hogg, Waffen und Gerät Band 4: Infanterieunterstützungswaffen, Motorbuchverlag
  • G.I. Pokrowski, Explosion und Sprengung, BSB B.G. Teubner Verlagsgesellschaft
  • Rainer Karlsch "Hitlers Bombe", DVA München 2005, ISBN 3-421-05809-1
  • Günter Nagel "Atomversuche in Deutschland", Heinrich-Jung-Verlag Zella-Mehlis 2002 ISBN 3-930588-59-5
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