海軍導彈環境試驗的風險源辨識分析

洪亮，張福光，邱立軍

（海軍航空大學，山東 煙臺 264001）

隨著海軍艦艇執行出訪、演習、打擊海盜、人道主義救援等行動任務日益頻繁，遠海長航趨于常態化，海軍導彈歷經“三高”（高溫、高濕、高鹽霧）、甚至超出設計使用環境條件的時間更長[1]，不僅要求導彈裝備的可靠性高，而且對導彈在極限環境條件下正常工作的能力（即環境適應性）提出了更高的要求。環境試驗作為海軍導彈設計定型試驗的重要組成部分，是海軍導彈環境工程的主要任務[2]，是確保海軍導彈環境適應性達到研制總要求和研制合同規定要求的重要手段之一。目前，在海軍導彈裝備環境試驗的風險控制方面，還缺乏系統的理論研究，缺少對導彈裝備環境試驗風險辨識研究，因此，開展海軍導彈環境試驗風險源辨識分析具有非常重要的理論意義，可為裝備環境試驗風險管理理論與實踐提供有益的探索。

1 海軍導彈環境試驗及應用

海軍導彈環境試驗的流程一般可以分為試驗設計、試驗實施和試驗結果分析三個階段[3]。

1.1 試驗設計

試驗設計是根據導彈研制要求確定的環境試驗方法，包括導彈產品試驗對象、技術狀態、試驗目的、試驗項目、試驗工況、環境條件、試驗內容、測試數據等內容，最終形成試驗方案、試驗大綱、試驗實施方案。試驗設計的正確性、合理性是決定試驗充分性和數據覆蓋性的根本因素，是重要的風險源。通過控制試驗方案、試驗大綱、試驗實施方案等的技術風險，能有效地規避試驗設計技術風險。

1.2 試驗實施

試驗實施是按照試驗大綱、試驗方案獲取試驗數據的整個過程和活動，涉及試驗系統、試驗邊界、產品測試、數據記錄、試驗人員、試驗環境等多種因素。試驗中模擬的邊界、試驗系統產生的環境應力等決定了與導彈飛行及服役等環境的接近程度，具有非常強的專業性和技術性。導彈測試項目和數據的記錄決定了是否能獲取需要的數據，試驗環境的偏差、試驗人員的操作熟練程度對試驗結果影響非常大，最終形成的試驗數據包要求準確、完整、正確、有效，且滿足精度要求。試驗實施的全過程應接受監督控制，可有效保證試驗質量，增加試驗數據有效性，降低試驗實施過程的技術風險。

1.3 試驗結果評估

試驗結果評估是對通過試臉獲取的一系列數據進行分析評估的過程，主要是在試驗報告中進行試驗結果評估。試驗方在試驗報告中，應詳細描述試驗過程，分析試驗數據包的完整性、有效性，給出不確定度分析結果。任務提出方在試驗總結報告中應分析試驗是否達到研制目的，還應對試驗與任務書的符合性、試驗充分性、測試覆蓋性等進行分析評價，給出試驗是否成功的結論。盡量降低試驗數據的測量不確定度、采用正確的試驗數據處理方法，能有效降低試驗結果評估的技術風險。

2 海軍導彈環境試驗風險源辨識

風險源，又稱風險因子或風險事件，是促使或引起風險事件發生的條件，以及風險事件發生時，致使損失增加、擴大的條件。風險源是風險事件發生的潛在因素，是造成損失的間接和內在原因?；趯棴h境試驗流程，以“環境試驗結果不能達到預定目標要求”為頂事件將環境試驗風險分解為 3個階段的技術風險[4]，建立海軍導彈環境試驗的風險樹。對每個風險事件進行分析、討論、細化，識別出導彈環境試驗每個階段可能的風險源，如圖1所示。根據海軍導彈環境試驗的風險源分析，結合對海軍導彈的主要承研承制單位的調研情況，對海軍導彈環境試驗的各個風險源進行辨識分析。

圖1 海軍導彈環境試驗的風險源

3 試驗設計風險源分析

3.1 試驗項目設計不合理

試驗項目主要是根據試驗目的確定需要開展的項目，試驗項目設計不合理主要表現為試驗項目不充分和試驗順序不合理兩種情況。

3.1.1 試驗項目不充分

試驗項目不充分主要包括缺少試驗項目，或是對試驗標準方法剪裁不當，從而導致試驗考核不充分。海軍導彈各分系統、各部組件的試驗項目大多以型號研制經驗為基礎，試驗選取、考核目的缺乏依據[5]。具體表現在：

1）自然環境試驗方面，缺乏可依據的國軍標，在環境試驗項目的選取方面缺乏有效性和科學性[6]。海軍導彈型號中有部分進行了自然環境試驗，試驗項目不盡相同。部分型號進行了海洋環境自然環境試驗，部分型號進行了寒區、高原的自然環境試驗。參試產品包括材料試片、器件、發動機、發控設備（含發射箱）等，各個型號也不盡相同。

2）使用環境試驗方面，同樣缺乏可依據的國軍標。海軍導彈型號開展的使用環境專門試驗較少，主要是結合導彈交付部隊，在實際使用環境中進行性能測試和環境測量，或結合鑒定試驗項目的運輸試驗，進行全彈的跑車試驗和分系統的運輸試驗。貯存試驗作為可靠性試驗項目，試驗件多為整彈。一般不進行整個武器系統的環境適應性試驗（使用環境）。

3）實驗室環境試驗方面，主要是依據GJB 150A。GJB 150A是一個剪裁式標準，不再明確規定試驗條件等，除試驗方法外基本上不能直接引用，因此在使用中易出現試驗標準方法剪裁不當的風險。海軍導彈實驗室環境試驗中，由于缺乏能夠指導全過程研制的試驗項目、試驗條件、試驗方法的剪裁指南[7]，不具備充足的自然和平臺環境數據。因此在環境條件制定、環境項目的選取方面有較大的不確定性，存在一定的風險。

3.1.2 試驗順序不合理

在項目順序的選擇上，試驗樣品的使用環境是能夠為人們所預知的，其試驗的順序應與產品在生產、貯存、運輸、使用中的環境條件出現的順序保持一致，以實現產品的最佳考核。試驗樣品的使用環境不能為人們所預知，其試驗的順序應首先從影響力最大的試驗項目開始。在試驗過程中，要考慮前一個試驗項目對后一個試驗項目的影響。

海軍導彈環境試驗中試驗順序不合理的風險一般是因為試驗設計時沒有考慮產品全壽命任務歷程所致，沒有按照產品全壽命周期內經歷的環境、事件的順序設計試驗項目順序，試驗順序不合理可能導致試驗結果不真實，不能真實反映產品的特性，影響到后續各種決策。當前導彈環境鑒定試驗的一般做法是：按照慣例先開展損傷低的試驗項目溫度試驗，后開展損傷高的振動、沖擊試驗，最后開展濕熱、鹽霧、霉菌等試驗項目，這種順序不一定與產品真實歷程一致。

3.2 試驗邊界模擬不真實

試驗設計時，應確保試驗邊界盡量模擬實際的狀態。試驗邊界主要與產品狀態有關，由試驗設備、試驗工裝、懸掛支撐系統、載荷模擬等構成。在海軍導彈研制階段，一方面因為真實飛行的環境數據不完善，在有限的環境數據基礎上制定的試驗環境條件存在不準確的可能；另一方面實測數據不可能涵蓋所有產品，根據艙段或典型部位測得的數據來制定所有產品的環境條件，需要借助計算、外推等手段，與真實環境條件有差異；而試驗環境條件的制定方法也決定了試驗環境條件與真實環境的不同。目前各型導彈環境條件要求不盡相同，部分型號對于環境的部分指標如風速、噪聲、降雨強度、電場強度等沒有明確規定，給后續的環境試驗帶來風險。

對海軍導彈來說，試驗中存在全彈飛行狀態、產品+振動臺試驗狀態、產品+運動邊界狀態，需要對同樣的控制條件、不同的邊界條件下產品的隨機振動響應進行分析。由于全彈振動試驗難度大、成本高，因此往往只針對關鍵部段如儀器艙等進行振動環境試驗[8]。在相同的界面加速度控制條件下、相同位置處的點在不同的邊界條件下會在不同頻率處出現大小不同的共振峰。每個共振峰都是由該系統的動態特性所決定的，地面振動試驗狀態、基礎激勵狀態均不能復現值班、運輸、發射飛行狀態時的響應，出現了地面振動試驗“過試驗”和“欠試驗”現象。

3.3 試驗環境條件不準確

環境試驗反映的是產品在規定試驗條件下的功能、性能和特性，試驗設計時提出的試驗環境條件對試驗結果有巨大影響，不同的環境條件會產生不同的試驗結果[9]。環境條件過高導致過試驗，環境條件過低導致欠試驗，在不合理的試驗條件下得到的試驗結果不能真實反映產品的特性。以鹽霧環境試驗為例，目前海軍導彈研制時采用鹽霧試驗都是采用模擬大氣鹽霧環境的實驗室環境試驗方法，目的在于考核確定材料保護層和裝飾層的有效性，確定產品物理和電氣性能抗鹽霧大氣影響的能力。目前型號鹽霧試驗多在材料級進行，鮮有設備級或系統級的鹽霧試驗，還不能充分考核海軍導彈裝備對鹽霧環境的環境適應性。標準鹽霧試驗條件與實際服役鹽霧環境條件的等效關系未知，上述試驗時間可能不滿足長期貯存、值班的需求。鹽霧濃度受包裝、遮擋等的影響較大，導彈裝備設備的位置不同，其服役的鹽霧環境也不同，試驗環境條件與實際服役環境相差較大。

3.4 技術狀態要求不明確

導彈裝備的整個研制階段中，產品設計方案不斷完善，導彈試驗對象的技術狀態是不斷改變的過程，改變的可能是產品的功能、性能、接口、元器件、原材料和工藝狀態等。試驗目的不同，對產品技術狀態的要求也不同。研制試驗只要求試驗考核的對象真實即可，如艙段級力學摸底試驗中可以采用艙段為真實件、儀器設備為模擬件的技術狀態開展試驗；鑒定試驗要求產品的技術狀態與最終定型的技術狀態一致，如可靠性鑒定試驗要求產品為基本定型的狀態；驗收試驗則要求產品為最終交付的產品狀態。如果試驗設計時沒有明確提出產品技術狀態要求，就可能出現不符合技術狀態要求的產品參加了試驗，大大降低了試驗效果，甚至可能達不到試驗驗證目的。例如，技術狀態要求不明確時，可能出現沒有通過力學環境試驗的產品去參加可靠性增長試驗的情況。這種情況一方面可能在可靠性增長試驗中暴露產品在結構力學布局方面的缺陷，從而改進設計延長了試驗周期和增加了故障樣本，影響可靠性評估結果；另一方面可能將環境適應性方面的缺陷留在飛行階段、使用階段中暴露，增加了飛行風險。

3.5 試驗方法不成熟

試驗方法是指在環境試驗過程中應用的試驗技術。海軍導彈型號研制階段需要攻克多項關鍵技術研究，這些關鍵技術不僅需要深入的理論分析，也需要百分之百進行地面試驗驗證。這些關鍵技術中可能涉及新材料、新工藝、新技術、新產品，對應的環境試驗一部分可采用傳統試驗方法開展，還有相當一部分需要研發新試驗方法[10]。這部分新試驗方法的技術成熟度較低，存在較大的技術風險。目前海軍導彈部分型號環境試驗中開始采用多維振動的試驗方法。與普通的單維振動試驗結果比較表明，多維同時激振確實比傳統的單維順序激振更能找出產品的薄弱環節，但在高精度多維振動控制算法、非線性控制算法、多維振動試驗條件制定方法等方面還存在不確定性因素，在試驗方法上存在潛在的風險。

3.6 產品測試不覆蓋

導彈進行環境試驗的目的是獲得在給定的試驗條件下各項特性的數據，從而分析判斷試驗對象的設計方案等是否滿足要求。因此試驗設計時應明確規定產品的測試內容和要求，確保數據能覆蓋所有參數，可充分反映技術狀態及變化趨勢。造成產品測試不覆蓋的原因，一方面是認知缺陷，受技術水平限制，產品的某些關鍵特性缺少測試手段，無法做到百分之百完全測試；另一方面是對試驗目的理解不透徹，對產品測試項目剪裁不當造成的。產品測試覆蓋性不完整可能帶來較大的技術風險，比如關鍵參數沒有監測會導致故障不能及時發現，甚至將故障帶入下一環節，擴大故障后果。如在可靠性試驗初期，只考慮到可靠性增長的目的，選擇了基本的測試項口，未能完全覆蓋研制技術要求，導致后期提出代替可靠性鑒定試驗時，由于測試項目覆蓋性差，達不到鑒定試驗的要求，只能重新開展可靠性鑒定試驗。

4 試驗實施風險源分析

4.1 試驗設備能力不足

試驗設備能力是決定能否實現試驗方案各項要求的關鍵環節。由于技術水平和設備能力的限制，部分試驗設備難以滿足產品研制需要，尤其是綜合環境應力試驗設備，如全天候自然環境模擬設備、熱+振動復合環境試驗設備、熱+噪聲復合環境試驗設備等存在嚴重不足。當試驗設備能力不能實現試驗提出的高量級環境條件時，一般采用預計、數據外推等方法獲得要求環境條件下的數據，會給試驗結果評價帶來一定的技術風險。當試驗測量設備在精度、容量等方面難以滿足試驗要求時，往往按照確保關鍵點測量數據的原則，舍棄部分測點，導致獲取的試驗數據不全面，給試驗結果分析帶來技術風險。另外當試驗設備的工作可靠性不能滿足試驗要求時，試驗設備的故障可能導致嚴重過試驗，甚至導致產品損傷、人員受傷等意外發生。

4.2 試驗人員操作失誤

試驗人員作為試驗實施的主體，負責操作試驗設備、記錄試驗數據、控制狀態轉換、處理試驗異常等工作，其技術水平、熟練程度、責任心等對試驗結果影響較大。參加試驗的人員中如果有新人，對試驗方案理解不透徹，在試驗過程中容易出現操作失誤，如試驗參數裝訂不正確，試驗數據記錄不完整、不及時或者不正確，試驗異常處理不及時、不正確，可能導致不可逆轉的錯誤，帶來較大的技術風險。目前海軍導彈裝備在定型鑒定時采用第三方實驗室質量管理和質量控制方法，在嚴格的中立第三方質量控制可以保證環境試驗的有效開展。因此在海軍導彈實驗室環境試驗實施方面，目前對試驗的控制和管理都有較為齊全的規定、規章，保證試驗的開展。

4.3 試驗控制技術不完善

試驗過程中，會隨著試驗的進展，經常出現試驗狀態、試驗條件、試驗程序、試驗數據處理規程等內容的變更，這些變更如果不涉及試驗基線的變更，就屬于現場技術問題處理的范疇。典型的一種情況是試驗能力不足，需要降低試驗條件開展試驗；另一種常見的情況是試驗完成階段性的工作后，試驗各方對試驗數據、產品狀態等進行檢查分析。如果試驗數據表明存在過試驗或欠試驗的情況，就需要調整后續試驗的狀態或條件。如果此時不能及時發現存在的技術問題，或者提出的改進方案不合理，就會給試驗帶來技術風險。例如濕熱試驗后，自然恢復1 h，就認為已經恢復至正常大氣條件；低溫試驗后跳過試后恢復過程，直接進行高溫試驗，主觀認為這樣做省時省力，高溫試驗中就對試件進行了烘干。這些做法對試件產生了過應力，對試件的組件造成嚴重影響，為試件測試結果的準確性造成風險。

5 試驗結果評估風險源分析

5.1 試驗數據測量方法不完善

試驗中一般采用測量不確定度來定量說明試驗數據的可信性和有效性。試驗數據的測量不確定度主要由試驗測量方法、試驗環境、試驗儀器設備存在的不確定因素引起，如小樣本量、試驗環境控制不嚴、儀器設備精度不夠、模擬儀器設備讀數誤差、引用常量參量不準、測量方法假定性、測量重復觀察值變化等。試驗數據的準確性、正確性在很大程度上取決于不確定度的大小，不確定度越小，測量準確度越高，測量結果的使用價值越高，反之亦然。試驗數據存在的測量不確定度給試驗結果分析評價帶來一定的技術風險。

5.2 試驗數據處理方法不完善

試驗數據處理方法對試驗結果有重大影響，不同的處理方法會給出不同的結果，不合理的數據處理方法甚至可能導致顛覆性的試驗結果。工程上經常借用軟件工具進行數據處理，但在處理過程中也有不少地方需要設計人員進行辨識和干預，如果對數據處理原理方法掌握不到位，就可能選擇不合理的計算公式。另外，工程上經常采用工程簡化方法進行數據處理，簡化可能導致分析結果偏差。因此在給出試驗數據分析結果時，一般同時要給出評價結果的置信度水平。

5.3 試驗結果判斷標準不明確

海軍導彈環境試驗是為了分析判斷在一定的試驗條件下，試驗對象的設計方案等是否滿足規定的環境要求，因此需要根據試驗環境因素的作用機理，建立合理、科學的判斷標準來對試驗結果進行分析研究。如果試驗結果判斷標準不明確，將不能分析給出試驗得出的試驗現象與試驗條件之間的關系，不能判斷試驗對象的設計方案等是否滿足規定的環境要求。對溫度環境而言，需要分析溫度及其變化導致了何種物理過程變化，最終導致損壞。如溫度引起結構變形和應力、材料成分變化等。根據上述分析的表征，建立產品性能基線和相應的容差范圍，在產品試驗中根據測量結果、趨勢得出結論。

6 海軍導彈典型環境試驗風險源分析

根據前述對海軍導彈環境試驗風險源的辨識分析，文中針對海軍導彈高溫、低溫、濕熱、鹽霧等典型環境試驗進行具體分析。

6.1 高溫試驗

高溫環境是海軍導彈在全壽命周期內各任務階段經受的主要環境因素之一，對導彈武器裝備的性能具有重要影響[11]。因而，高溫環境試驗也是考核海軍導彈環境適應性必須開展的試驗。810G及最新的GJB 150A中給出了世界范圍內基本熱和熱兩種氣候類型的高溫循環數據，可以看出，對于熱氣候類型，其日最高誘發環境溫度達到71 ℃，可見海軍導彈裝備在運輸狀態下可能暴露于71 ℃的高溫下。美國捕鯨叉導彈電子設備的高溫度試驗條件最高達到77 ℃，而美國對服役期間的捕鯨叉導彈的溫度測量研究表明，該導彈在艦艇上溫度高達83 ℃，MIL-STD-810D也指出，對于日常溫度到極高溫度的各種氣候條件下產生的溫度是60～85 ℃。

目前的環境條件沒有真實地給出試驗邊界，不能滿足導彈裝備在熱帶地區長期值班、運輸的要求。如果都按此溫度進行高溫環境試驗，則對于不需在熱帶地區運輸的導彈可能存在過試驗的風險。

6.2 低溫試驗

低溫試驗分為低溫貯存和低溫工作兩種試驗程序。低溫貯存環境試驗的試驗條件應覆蓋海軍導彈裝備在非工作狀態可能遇到的低溫環境條件。低溫工作環境試驗的試驗條件應覆蓋海軍導彈裝備工作時（主要是射前準備和發射飛行階段）可能遇到的低溫環境條件。

目前在設計試驗時一般應根據相關的標準規范或型號技術要求進行設計。GJB 150A—2009未規定低溫貯存、工作試驗溫度，需根據裝備貯存使用情況剪裁確定，這就使得試驗條件的確定存在隨意剪裁的風險。810G及最新的GJB 150A中給出了世界范圍內低溫統計數據，低溫極值-54 ℃的出現概率為10%，20%概率下的低溫極值為－51 ℃，5%概率下的低溫極值為-557 ℃，1%概率下的低溫極值為-561 ℃。從這些數據看，低溫貯存采用-555 ℃，滿足或高于GJB 150A建議的低溫條件，但上述標準低溫工作的條件部分偏低，存在欠試驗的風險。應按照最新的GJB 150A根據導彈裝備的使用區域確定低溫工作條件，并制定相關標準，避免欠試驗和隨意剪裁的風險。

6.3 濕熱試驗

濕熱是海洋氣候環境的重要特點之一，因此，充分有效的濕熱環境試驗對于驗證海軍導彈武器裝備的環境適應性十分必要。與其他環境試驗一樣，濕熱試驗也是根據相關標準規范或型號技術要求進行設計的。常用的濕熱試驗方式有兩種：恒定濕熱和交變濕熱。恒定濕熱是指溫濕度條件在整個試驗期間恒定不變，試驗樣品的受潮主要由于吸附、吸收和擴散三種作用。因此當產品在使用中如果不考慮表面凝露和呼吸作用所引起潮濕時，可以用恒定濕熱試驗來考核，較適合于考核電介質材料在潮濕大氣中是否能保持所需的電氣性能。交變濕熱試驗是指溫濕度在一個周期中交替地作高溫高濕和低溫高濕條件的變化，它除了和恒定濕熱試驗一樣具有吸附、吸收和擴散作用外，還有呼吸作用和升溫階段的凝露。適用于以凝露為主要受潮機理或呼吸作用能加速水汽進入的試驗樣品進行試驗。交變濕熱對濕熱效應的考核更全面。

GJB 150.9A—2009規定的濕熱試驗條件為：RH為95%下60 ℃和30 ℃交變濕熱試驗，每個循環24 h，至少10個周期。實際型號試驗中，有的按此執行，有的則按照型號系統要求執行，如進行40 ℃、RH為95%，96 h的恒定濕熱試驗。根據世界范圍內熱區大氣溫度統計，最高為49 ℃。GJB 150A規定的試驗條件中，60 ℃、RH為95%的組合在實際自然環境中不可能出現，但這一組合可發現裝備存在的潛在問題，雖然相對于導彈長期值班試驗來說，該試驗的試驗時間仍不足以反映期間可能出現的問題，但滿足極值考核的要求。40 ℃、RH為95%，96 h的試驗設計則可能不能覆蓋裝備可能遇到的濕熱極值條件，存在欠試驗的風險。對于值班濕熱環境的長期適應性可在值班可靠性驗證試驗中考核，但應充分調研世界范圍內的濕熱環境，明確規定型號產品濕熱試驗環境條件要求，避免隨意剪裁和欠試驗。

6.4 鹽霧試驗

鹽霧是海洋氣候環境的重要特點之一，鹽霧的形成主要是由于風引起海水掀起的波浪，以及浪擊浪或浪拍擊船體而騰起的浪花水沫，在氣流的作用下被粉碎為細微的液滴，向海域上空飄散而形成。風力越大，鹽霧含量會越高。如南海的西沙群島海域多有 3～6級風，空氣中鹽霧的質量濃度高達0.3～1.5 mg/m3，我國渤海、黃海、東海和南海海域年平均鹽霧質量濃度分別為 0.0389，0.1381，0.118，0.1275 mg/m3。我國南海、東海和北海海面上空氣中鹽霧質量濃度在0.33～23.6 mg/m3之間。

目前海軍導彈研制時采用鹽霧試驗都是采用標準中規定的模擬大氣鹽霧環境的實驗室環境試驗方法。標準中鹽霧試驗的目的在于考核確定材料保護層和裝飾層的有效性，確定裝備產品物理和電氣性能抗鹽霧大氣影響的能力。各個國家、行業的鹽霧試驗標準在試驗標準參數（鹽溶液濃度、pH值、鹽霧沉降量、試驗溫度等）的選擇上基本一致（（35±2）℃，5%±1%氯化鈉溶液噴霧），但在試驗時間和連續噴霧時間上存在差異。GJB 150.11鹽霧試驗至少進行連續的48 h噴霧暴露試驗，之后在空氣中暴露48 h。美軍標810F指出交替進行的24 h的鹽霧暴露和24 h的干燥條件，比連續暴露于鹽霧大氣中更真實，且具有更高的破壞潛力。標準鹽霧試驗條件與實際服役鹽霧環境條件的等效關系未知，上述試驗時間可能不滿足長期貯存、值班的需求。目前型號鹽霧試驗多在材料級進行，鮮有設備級或系統級的鹽霧試驗，且鹽霧濃度受包裝、遮擋等的影響較大，導彈裝備設備的位置不同，其服役的鹽霧環境也不同，因此鹽霧試驗不能充分考核海軍導彈裝備對鹽霧環境的環境適應性。

7 結語

根據海軍導彈裝備環境試驗流程，針對海軍導彈裝備環境試驗的試驗設計、試驗實施和試驗結果評估等進行風險辨識分析，分析得出了“試驗設計—試驗實施—試驗結果評估”的風險源，并重點針對高溫、低溫、濕熱、鹽霧等海軍導彈典型環境試驗類型進行了風險辨識分析，可為海軍導彈裝備環境試驗風險管理提供技術基礎支撐。

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