超导技术在军事装备中的应用

超导技术在军事装备中的应用

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摘要：本文对高温超导技术发展现状进行了简要介绍，并且对于高温超导技术在军事装备中的应用情况进行了概述。列出了国外超导军事应用的具体事例。 关键词：超导应用，高温超导材料，超导弱电应用，超导强电应用

1. 概述 八十年代后期高温超导发现，在世界范围内掀起“超导热”。经过约20 年的研究开发，高温超导技术在超导材料、超导弱电和超导强电等方面取得了重大进展和突破。超导技术在众多领域中的应用具有极为突出的优点或具有不可取代的作用。随着高温超导材料和低温制冷技术的迅速发展，特别是生产成本较低的第二代高温超导材料的出现，使其应用步伐加快。高温超导材料出现，使得超导设备结构更为简单、热力学特性更佳、成本降低和运行可靠性提高，大大拓宽了其应用领域。 尤其是在海军装备应用上，如在超导电机、弹射装置、扫雷具、储能等武器系统应用中，可以减少武器系统的体积、重量和噪声，提高效率和容量密度，突破了一些能源、精度等方面的障碍，实现在装备上、舰船上有限空间，复杂环境条件下，武器装备性能的大幅度提高，它在军事上的重要性尤其令人向往，具有重要的战略意义。 概括地说，高温超导技术的主要应用有： (1) 超导材料应用: 超导薄膜、超导磁体、超导带材和线材等。 (2) 弱电应用：高温超导器件（信道化多路器、滤波器等）在军事领域的应用，如用在预警飞机、雷达、电子战设备、导弹制导部件等现代信息战武器装备中；计算机应用，使用超导A / D 转换器、超导高速数据开关后，可大大提高性能；磁特种传感器（超导量子干涉仪SQUID）主要

用于潜艇探测、反潜和潜艇导航、红外成

像、仪器仪表、医学系统应用等。

(3) 超导强电应用：限流器、变压器、

磁储能系统、电动机等应用。高温超导发

电机可作为舰船的电力推进系统；将高温

超导限流器用于舰船电力系统的过电流保

护：高温超导磁体可以制造磁悬浮列车：高温超导磁储能器（SMES）可用于新犁高能脉冲（激光、微波、粒子束）武器及电磁发射器的储能器，并且可用于舰船电力调节系统，具有重要军事应用价值。 2. 超导材料与超导器件的应用 高温超导材料是超导技术应用发展的基础，而超导应用技术的发展将带动高温超导材料迅速走向产业化。高温超导材料潜在的巨大应用需求推动超导材料迅速发

展，使得超导材料的产业化已成为世界范围内关注的重要高新技术材料之一。 高温超导薄膜除了应用于超导滤波器子系统外，在其他许多电子学器件，如谐振器、传输线、延迟线、移相器、耦合器、天线等中都有广泛的应用。这些器件可以降低超导器件在微波和更高频率下的应用 低通讯的信号损耗，提高接收机的灵敏度，对军事应用具有重要价值，因此，高温超

导薄膜应用前景广阔。 另外，高温超导限流器的开发是发展

舰船大容量电力系统的关键技术，而超导磁储能器是很有潜力的大功率脉冲电源，

可用于微波武器及舰船电力系统调节。其他应用还包括：航天方面的磁窗（用高场超导永磁体解决航天器再入大气层时的通讯中断问题）、陀螺仪、高速离心分离（如，对U235的分离）、超导磁性扫雷技术、超导卫星传感技术等。 3. 超导技术弱电应用 从目前国际上高温超导产业化应用的

趋势来看，其弱电技术应用范围主要有： ARGOS 卫星已在空间正式运行，证明了(1) 通信领域中，高温超导在移动电话基站中的应用；(2) 超导技术在精密检测领域的应用是基于超导量子干涉仪（SQUID ）应用，它主要应用在潜艇探测、反潜艇和潜艇导航、心磁测量、无损检测和大地电磁测量等方面；(3) 超导技术在军事领域的应用，用在现代信息战武器装备（如预警飞机、雷达、电子战设备、导弹制导部件等）中。 3.1 国外超导技术应用情况

超导技术在电子技术领域里应用的研究，在国际上先后启动了一系列重大研究声发计划，如美国海军实验室(NRL)的高温超导空间开发计划（HTSSE ) ，美国国防部高级计划局（DARPA ) HTS 电子学与雷达应用计划，欧洲的高级通信技术服务计划（ACTS ) 中的HTS 通信系统（SUCOM）研究，德国用于未来通信技术的超导体与陶瓷应用研究计划，美国和加拿大联合组织的HTS 在卫星通信中的应用研究等。已证明HTS 器件可以与低温制冷器集成构成各种子系统，既可在地面上使用，也可在空间系统中使用。 超导与低温电子技术一直受到美国政府和军方的高度重视，早在上世纪八十年代美国将超导电子学列为五大军事电子学之一。九十年代，美国又将超导列为二十一世纪国防关键技术，其中，超导技术为其研究开发的主要方向，有关研究始终在政府和场军方的支持下进行。 九十年代初针对未来空间应用，在DARPA 的支持下，海军实验室(NRL）启动了高温超导空间试验（HTSSE）计划I ，有20个以上公司和研究所参加了第一阶段，即HTSSE-I 的工作，其目标是为首次空间实验提供所需的各种高温超导部件，所有部件在1991 年提交到美国海军实验室（NRL ) ，并在那里进行测试。HTSSE –Ⅱ 阶段开始于1991 年，将集中精力于高温超导系统和一些高级部件。第二期计划( HTSSE–Ⅱ）目标已经实现，装有超导接收机等多个超导组件与子系统的高温超导器件与系统在未来空间应用中的诱人前景。第三期空间试验计划（HTSSE-Ⅲ） 正在进行之中。 九十年代中期针对电子战应用，在DARPA的支持下启动了超导在数字电子战系统中的应用研究，将超导器件与先进的低温半导体技术结合，形成崭新概念的电子战系统。本世纪初在DARPA 支持下，又启动了基于超导与低温电子器件的“全

敏捷探测器系统”研究开发。在军美方的

有关实验室里，一些涉及武器装备的具体

应用研究开发合同正在秘密地进行着。超导电子器件和相关装备已被军方考虑列入其订货清单中。 最有代表性的工作是在美国防部（DARPA）的支持下由美国海军研究实验室（NRL ) 组织实施的高温超导空间实验计划（HTSSE) ，参加的研究机构有NASA 、NRL 、TRW 等。提供HTSSE 实验的超导子系统有8个，而高温超导微波信道化组件就有4个。携带高温超导组件和高温超导子系统的ARGOS卫星已发射升空，在空间运行两年，性能稳定，达到预期的实验目的。

美国防部（DARPA）启动了多项电子战高温超导（HTS）研究开发计划，其中重要的一项是怀特实验室（WL）和海军研究局（ONR）提出的由西门电子公司承担的高温超导信道化接收机，研究HTS 技术在寻的系统中的应用。此后超导信道化应用成为军方重点支持的研究开发项

目。美国加州的超导技术公司（STI）根据空军机载电子战雷达报警接收机的需要，．研制了高温超导滤波器库用于系统试验，大大提高了系统的抗干扰能力和接收灵敏度。 随着超导技术的发展，高温超导器件（如滤波器、延时线等）、超导组件（8路、20路信道化组件）和超导子系统（信道化组件与低温放大器等的组合）的应用研究获得极大突破，目前国外已将高温超导微波接收机广泛应用于雷达、军事通信和导弹制导等方面，使现代武器装备的性能提

高到了一个全新水平。

高温超导窄带微波器件及其子系统在军事上的应用研究，已经进入武器装备实用阶段，已经出现了商业产品。据权威估计，高温超导滤波器系统，全世界超导滤波器的市场规模约在数百亿美元。尽管由于初期成本较高，进入市场需要有一个过程，但在国外已进入规模商业应用，超导滤波器系统的年销售额已达到数亿人民币。美国已有四千多个移动通信基站的接收机改用高温超导滤波器系统。 3.2 高温超导射频滤波器在军事上的应用实例

高温超导材料发现后，超导在军事和商业领域的应用前景十分诱人。目前约有6000 多台高温超导信号滤波器已在商业领域的蜂窝电话基站上工作。在军事领域也已经被试验过，在美国海军的战舰上、空军的SIGINT 飞机上使用。据美国圣迭戈太空与海战( SPAWAR）系统中心的高温超导科学家A .M.利斯.德艾丝科巴认为，美国海军正试图在几种海上系统之中试用高温超导滤波器，其中最重要的要数SPAWAR 信号情报(SIGINT）办公室，他们正在寻求使用可调谐型的滤波器。其他重要的潜在应用领域包括软件编程无线电和潜艇通信。她透露说：海军鉴定过一些滤波器，舰载试验对许多预期的性能进行了验证。SIGINT 应用的试验结果达到了预期的性能，结果令人欣慰，这就是海军为什么盯住这项技术不放的原因所在。

由于超导滤波器能滤出极其微弱或特殊的信号，在军事上有两大基本应用。一方面，信号强度可能会受地形、气候、后勤限制、敌对行动或战场环境诸多方面的影响而降低，另一方面，接收机可能需要从极端复杂的射频环境中，特别是从正在进行收发作业的多用途平台和车辆当中检测出信号。美国海军研究办公室有个用于软件编程无线电的低温超导数字相关接收机计划，软件编程无线电具有可重组性和同时多信号处理能力。数字相关接收机概念旨在通过更快更好的信号相关来排除站

间干扰，其中也要用高温超导滤波器件。

潜艇通信方面的应用土要集中在几个问题上，特别是利用高温超导芯片小的物理特性。德艾丝科巴认为，空间、重量和功率，统统都是潜艇应用要关注的中心问题。研制的用于接收机系统的高温超导器件有多种类型，包括混频器、分路器和另外一些无源射频元器件。并且对可调超导滤波器进行了研究，器件的工作频率可调对扫描应用特别好，如SIGINT 应用。传导公司能够制造工作频率偏移20％-30％的滤波器件，西蒙说这个数字还在增加，估计将增加一倍甚至更多。传统技术作不出高性能可调谐滤波器，任何的可调谐性都是以大的损耗换来的。可调谐超导滤波器的关键目标是在技术上保持固有的优势。可调谐超导滤波器技术的性能将会在以下方面逐步提高：调谐带宽、调谐速度、对滤波器类型施加的诸如复杂性和狭窄度之类的限制、滤波器的形状。德艾丝科巴认为，对灵敏度和选择性都有高要求的系统应用，可使用可调谐滤波器与低噪声放大器相结合，二者共享冷却单元。下一步将是A / D 滤波器。 3.3 超导探测器

超导技术在精密检测领域的应用前景广阔，在军事领域中，器件对精密电磁测量一直有很强的需求。超导量子干涉仪(S QUID)已有相当市场，而使用液氮的高温SQUID 一般用于应用研究，用于无损检测的研究最多，包括飞机部件、涡轮发动机叶片、材料微铁颗粒杂质的检测等。在军事上应用于水雷和潜艇探测等。弱电磁信号检测应用是基于超导量子干涉仪（SQUID）。这是目前人类所掌握的能测量弱磁场的手段中最灵敏的磁测量传感器，它的灵敏度比现有其他任何方法都要好2 ～3 个数量级，在弱电磁检测领域具有不可被替代的优越性。

用超导体检测红外辐射，已设计制造了各种样式的高TC超导红外探测器。由于对磁场和电磁辐射极其敏感，其灵敏度比常规探测器件高上千倍，是军事遥感侦

察的理想设备。主要有天基凝视红外焦面阵列探测器、微波和毫米波探测器、磁探测器等。与传统的半导体探测比较，高TC 超导探测器在大于20 微米的长波探测中将为优良的接收器件，填补了电磁波谱中远红外至毫来波段的空白。此外，它还具高集成密度、低功率、探测灵敏度、作用距离远等优越性。而且具备一般可见光和红外探测系统所不具备的全天候以及穿透烟云的探测能力，并能提供对低特征目标的探测能力，可广泛应用于天文探测、光谱研究、远红外激光接收、军事光学、航天器的相控阵天线、反潜武器和水雷探测等领域。

特别要注意的是，高温超导SQUID 在军事上的应用，如远距离探潜等方面，与低温超导SQUID 相比，抛弃了液态氮带来的诸多不便，操作上更加灵活，利于实现军队装备的实战配备，但目前这方面国际上的公开报道还不多，同时在0.1 -10THz 频段的小信号检测和接收技术中，占据了无可竟争的地位。

3.4 超导技术在军事侦察、通信、电子对抗和指挥等方面的应用

利用超导材料“约瑟夫森效应”制成的仪器设备，具有灵敏度高、噪声低、响应速度快和能耗小等特点，在军事侦察、通信、电子对抗和指挥等方面，都大有用武之地．军事超导有线电通信利用超导电线可以实现远距离、大容量通信。研究试验表明，超导电线传输信息的速度，比光纤系统快得多，可以传输几万亿分之一秒的脉冲。科学家们预言，未来高温超导的远距离通信的容量将比光缆大几百倍，能够每秒传输相当于1000 部大英百科全书的信息量。同时，超导电线因为无损耗，可以省去每3 ～4 千米就要设置的放大器。

军用超导无线电通信，利用超导材料制作无线电发射机和接收机，不仅灵敏度高、频带宽，而且可减小天线的尺寸和重量，提高系统的生存（适应）能力。英国伯明翰大学制成的世界上第一台超导无线

电发射机，其发射距离比常规发射机增大10倍。超导材料也是制造通信卫星的理想材料，它可以提高信息处理速度，并可使频率响应时间缩短一半。利用超导材料制造卫星天线，其效率可提高90％。

据悉，新一代超导雷达也正在研制之中。其大线、发射机、接收机、稳频源、信号模拟器、滤波器等电子器件全部是采用高温超导材料制作而成的，具有低功耗、低噪声、宽频带、高灵敏度、高可靠性以及体积小、重量轻等优点。用于雷达系统的超导电子器件，可使雷达频谱扩展166倍，作用距离提高一个数量级，而且可探测到微弱的信号。 3.5 超导计算机

超导器件在计算机中运用，器件的开关速度比现存半导体器件快2～3 个数量级，军事指挥和控制现代军事指挥和武器控制，需要高速地处理人量信息。采用具有零电阻特性的超导材料制作计算机，由于功耗减小，电路产生的热量可以忽略不计，运算速度大大提高，而且体积和重量可大幅减小。

日本富士通公司研制成功的4 位超导微处理机，与采用砷化稼技术的同类处理机相比，速度快10倍，功耗只有后者的l / 500 。据称，若采用超导材料制作计算机，目前的亿次巨型计算机可制成只有微型个人计算机那么大。这种微型高速计算机的应用，必将大大提高军事指挥效率，同时也可提高武器制导系统的性能。 4. 超导强电应用

4.1 高温超导在工业和军事上的应用 超导磁体技术可应用于超导变压器、储能器、限流器、电机等.世界各国和相关公司都投入了大量的资金和力量。在电力应用方面，小型的超导磁储能装置、超导磁体、高温超导电流引线已经实用化或达到了商业应用水平，高温超导电缆、高温超导限流器和高温超导变压器已经进入示范试验运行阶段；单极高温超导电动机、

磁悬浮系统（包括磁悬浮车和磁悬浮飞轮储能系统）以及高温超导磁储能系统也有相应的试验模型问世。

强电应用技术的另一重要发展方向是高温超导磁体技术及其应用，主要包括高温超导磁悬浮技术（包括磁悬浮车和磁悬浮飞轮储能技术）、高温超导强磁场磁体技术及其在科学研究、NMR 、MRI 、磁性扫雷技术和磁分离技术等方面的应用研究。

高温超导在工业和军事上的应用包括：高能物理方面的加速磁体、托克马克磁体，科研方面应用的各类强磁场磁体，工业上的磁分离、单晶生长用磁体、核磁共振成像( MRI）磁体、航天技术方面的磁窗及磁流体推进、磁流体发电磁体等等。低温超导磁体在MRI 上的应用是当前超导应用市场的最大部分，在我国的市场需求很大。

4.2 潜艇舰船电力推进用高温超导电机 用千米级高性能Bi 系高温超导块材制造的舰船推进同步电机具有高功率／体积比、尺寸紧凑、重量轻、坚固性好、噪音低、调速操控简便、耗油少等特征，最适合开发外船舱。其转矩无齿槽效应在定子故障时允许激励磁场、更小的和非用户驱动系统，续航能力强；并能为激光电磁粒子束等新武器提供强脉冲电力，生命力强。主要应用于高速舰船（潜艇、驱逐艇、护航艇、水翼艇）、容积型舰船（大型破冰船、油轮、集装箱船）。

高温超导电机可应用于新一代驱逐舰、航母和潜艇。美国海军经过论证计算后认为，高温超导电机比常规电机质量减少80% ，体积减少65% ，而且效率更高。高温超导技术已经开始走向军事领域的实用化。

5. 高温超导技术在系统中的应用 由于高温超导材料具有较高的使用温度，制冷方式相对简单，磁体工作稳定，运行成本低，可满足舰船武器安全、可靠性的需要。随着被美国海军作战部誉为“海

上革命的基础”的综合全电力推进系统发

展计划的实施和全电船设计的引入，高温超导材料在舰船上的应用将得以迅速发展。

早在1989 年，美国海军就把舰船电力推进作为21 世纪美军主力战舰的推进方式，并已提出超导电力推进的方案。十多年来，美、英等国就已将性能优越的超导电机作为舰船电力推进的理想动力设备，投入大量人力、物力进行开发和研究。美、英两国早已分别成功地进行2200kW 和1000kw 超导单极电机组成的超导直流电力推进系统的实船实验，同时还分别进行过30MW和50MW大容量超导单极电机的研究和试制以及为分别应用在大型驱逐舰和破冰船等舰船上做出详细的总体设计。近几年高温超导技术得到进一步发展，大功率电力电子器件和电机交流调速技术的成熟，使得超导交流电力推进也得到人们的青睐。

5.1 高温超导体在舰船中的应用

将高速高温超导发电机与涡轮发动机直接对接、组成高效紧凑的发电模块；将高温超导低转速人扭矩电动机直接与螺旋桨连接作为舰船的电力推进系统；将高温超导限流器用于舰船电力系统的过电流保护；将高温超导磁储能器（SMES）用于新型高能脉冲（激光、微波、粒子束）武器及电磁发射器的储能器，或者用于舰船电力调节系统等方面。由此大大地提高海军舰船的机动性、攻防能力和信息战能力。

目前，超导在军事上的应用主要考虑的次序为：性能（战斗力）、可靠性（剩余度）、质量和体积、成本及其他如抗冲击、振动性能、声学特征等。一般应用于1kV ～10kV 范围。其主要表现在两个方面：

(1) 与电力驱动技术相关方面，包括高温超导(HTS）电动机和发电机（20MW ～40MW）、HTS 变压器、故障电流限制器（FCL）和电缆、电力电子学和扫雷艇用直接制冷LTS ( HTS）磁体、传感器电磁测量（如SQUID 磁强计）、

HTS 空间实验站、船用防弹系统用无电子激光器、舰船集成动力系统、导弹用高精度超导陀螺仪、超导电磁炮等。

(2) 其他方面，包括电磁武器、飞机着陆用超导磁性储能系统（SMES）和HTS 空间实验站．其中用Bi 系高温超导块材制造的舰船推进同步电机具有高功率／体积比、尺寸紧凑、重量轻、坚固性好、噪音低、调速操控简便、耗油少等特征，主要应用于高速舰船（潜艇、驱逐艇、护航艇、水翼艇）、容积型舰船（大型破冰船、油轮、集装箱船）等，美国海军已完成该电机高功率试验。

5.2 国外超导电力推进系统概况

美、英、德、法等国的海军水面舰艇综合全电力推进系统的研制已取得重大进展。美国海军自1988 年开始进行研制以来，已经取得阶段性成果，已完成小尺寸的预研。全尺寸预研的第一阶段已于1999 年7 月完成，第二阶段也已开始，还发展了许多适应于诸多水面舰艇的各种综合电力推进系统模块。美国海军于2003 年开始了一个全尺寸的高温超导技术舰船应用目次，其目标是在下一代舰船上建立起以下高温超导系统、军舰控制系统、武器系统（舰控系统的一部分）、推进系统和军舰控制系统、进攻激光武器／电磁炮、于防空激光武器、反弹道导弹预警雷达、舰船防卫微波武器／激光武器等。它们将用于小型军舰攻击潜艇、大型两栖舰、大型军舰和全电力军舰中。

2001 年7 月，美国超导公司和Rock -Well Automation 公司宣布：世界上第一台735kw 高温超导交流同步电动机运行试验获得成功。2002 年7 月，美国超导公司又宣布世界上第一台3 .7MW , 1800r / min 高温超导同步电动机已完成研究开发和试制，其应用对象是海军舰船和商业船舶。2002 年2 月美国海军ONR (US Navy ' s office of Naval Research）与超导公司签订合同，研制低转速、高转矩的5 MW、230r / min 高温超导舰船推进电动机，该电机是更大实际船用的万kW 级超

导电动机模型机。

2002 年，美国超导公司与美国海军签订研制36.5 MW实用全尺寸高温超导舰船推进电动机，包括线路的断路器、开关装置等总价额为7000 万美元。这是一种标志，它意味着大容量高温超导舰船推进电动机即将走向实用化。 5.3 集成动力系统

超导应用于舰船电力动力系统（IPS ) ，可以将动力发电机、电力推进、舰船公共设施配置、实战系统支持和动力管理汇集于一体，可提高给养能力和军事能力。通过电力驱动，可以减少原动力的配置、节省燃料、减少维护；采用自动化、去除辅助系统，便于引入舰船电气再配置新技术，提高战斗能力。 5.4 超导技术在飞机方面的应用 采用超导技术设计制造的大功率、小体积的发动机，对提高飞机的作战性能起着至关重要的作用。磁流体发电是一种高效发电方式，随着超导技术的不断突破，为大容量、小型化磁流体发电机的研制提供了条件。这种超导发电机实用化后，一吃机可用它作能源，为空中指挥所和预警飞机的大型雷达、大型计算机、各种通信设备等非常耗电的装备提供动力。预计这种机载大功率超导发电机将是超导技术在军事上最先得到应用的项目之一。 5.5 超导技术在电磁船上的应用

20 世纪70 年代以来，美、英、日等国积极开展超导技术在海军舰艇方面应用的研究，并已初见成效。美国试制了5.5 MW的超导驱动系统，英国研制了480 KW的超导电磁力推进装置，日本已制成了超导船。现在国际上已有3 艘超导电磁推进船试验成功。超导电磁力推进装置是按照电磁原理设计的。在舰艇上安装电磁铁，在磁场和电流的相互作用卜，海水向后运动。在海水的反作用力下．舰艇将获得向前的推力。超导舰艇既不需要发动机，也不需螺旋桨，能有效地消除噪音、降低红外辐射，从而大大提高生存能力和快速机

动的突防能力。

5.6 军事导航系统的高精度超导陀螺仪

将球形超导转子放入高真空的球腔内，在外界磁场的作用下，超导转子悬浮在空中与支撑装置脱离接触，成为真正的自由转子，实现较理想的惯性导航功能。

超导陀螺仪主要应用于大型舰船、核潜艇、现代吃机、惯性导航及制导关键核心部件。其优点是精度高；结构简单；稳定性好；可完全排除温度不均匀与热的干扰；极低温下残余气体对转子阻力矩减小；超导磁悬浮是自稳定磁悬浮，抗故障能力强；磁场高，可降低转子的非球性，衰减小，减少偏转；超导磁屏蔽可完全排除外磁场干扰。 6. 总结

超导技术在众多领域中的应用具有极为突出的优点和不可取代的作用。超导技术是21 世纪的十大关键发展技术之一。它在军事上的重要性令人向往，因此，各土要发达国家都非常重视超导技术的研究和发展，发达国家投入大量的人力、物力和资金，进行超导的商业和军事应用研究，尤其是军事应用研究。

正是这样，各国对发展超导技术都极为重视，日本认为超导技术是21 世纪全球竞争中保持尖端优势的关键所在，美国认为超导技术是21 世纪电力工业唯一的高技术储备。因此，他们既重视超导技术的民用研究，更重视超导技术的军事应用研究。

高温超导技术具有重要的军事用途，将超导器件与先进的低温半导体技术结合，形成新概念电子战系统。高温超导组件在军事装备，如高灵敏度、高选择性接收机、通信、电子、侦察、反潜、导航和红外探测等中，也得到了极好应用。它具有常规器件无法取代的优异特性。

高温超导技术的军事应用，关系到一个国家的军事力量强弱，关系到国家的安危，必须引起我国政府和军方高度重视，加快我国超导技术军事应用的研究步伐。

参考文献

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