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摘要:高超聲速流動(dòng)中普遍存在轉(zhuǎn)捩、分離與激波–邊界層干擾等復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象,會(huì)導(dǎo)致飛行器表面壓力分布復(fù)雜且變化劇烈。壓敏涂料PSP具有非接觸、高空間分辨率以及全場(chǎng)測(cè)量等顯著優(yōu)勢(shì),是高超聲速氣動(dòng)測(cè)試亟需的精細(xì)化測(cè)量技術(shù)。近年來,隨著PSP響應(yīng)速度的提升與測(cè)量方法的發(fā)展,其應(yīng)用已逐漸由常規(guī)低速/高速風(fēng)洞測(cè)試拓展至高超聲速領(lǐng)域,在高速運(yùn)動(dòng)模型測(cè)試方面也取得了突破。本文介紹了快響應(yīng)PSP測(cè)量技術(shù)的最新研究進(jìn)展,結(jié)合兩類典型的高超聲速風(fēng)洞以及一種相對(duì)特殊的自由飛彈道靶設(shè)備,分別探討了PSP測(cè)量技術(shù)的挑戰(zhàn)與對(duì)策,并展示了相關(guān)應(yīng)用實(shí)例,最后對(duì)高超聲速快響應(yīng)PSP測(cè)量技術(shù)研究進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞:高超聲速;壓敏涂料;快響應(yīng);風(fēng)洞測(cè)試
0引 言
高超聲速飛行器表面壓力載荷是飛行器氣動(dòng)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。由于高超聲速流動(dòng)中普遍存在轉(zhuǎn)捩、分離與激波–邊界層干擾等復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象,會(huì)導(dǎo)致飛行器表面壓力分布復(fù)雜且變化劇烈;而當(dāng)前高超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)中,模型表面壓力測(cè)量仍依賴傳統(tǒng)單點(diǎn)式壓力傳感器,空間分辨率低,難以滿足日益增長(zhǎng)的精細(xì)化測(cè)量需求。此外,傳感器還面臨諸如在復(fù)雜模型中安裝困難、高沖擊載荷影響信號(hào)質(zhì)量等問題。與之相比,壓敏涂料(Pressure-SensitivePaint,PSP)是一種更為先進(jìn)的光學(xué)測(cè)壓技術(shù),具有非接觸、高空間分辨率以及全場(chǎng)測(cè)量等顯著優(yōu)勢(shì),已廣泛應(yīng)用于流體力學(xué)與航空航天領(lǐng)域[1-2]。
近年來,壓敏涂料PSP的性能與測(cè)量方法發(fā)展迅速,其應(yīng)用已逐漸由常規(guī)低速/高速風(fēng)洞測(cè)試拓展至高超聲速領(lǐng)域[3-5]。PSP中含有對(duì)壓力敏感的發(fā)光材料。當(dāng)其受到特定波長(zhǎng)的激發(fā)光照射時(shí),會(huì)吸收激發(fā)光的能量并發(fā)射出與激發(fā)光波長(zhǎng)不同的發(fā)射光,該過程即為PSP的“光致發(fā)光”。PSP的測(cè)量原理是基于光致發(fā)光過程中的氧猝滅效應(yīng),即PSP信號(hào)受到周圍環(huán)境中空氣壓力(即氧分壓)的影響,導(dǎo)致光強(qiáng)與表面壓力成反比。
早在20世紀(jì)90年代,美國、俄羅斯、德國等航空航天強(qiáng)國已分別針對(duì)高速風(fēng)洞測(cè)試需求開發(fā)了壓敏涂料PSP測(cè)量系統(tǒng)[6-8],此后英國和日本也開展了PSP技術(shù)研發(fā)并將其應(yīng)用于風(fēng)洞試驗(yàn)[9-10]。
2000年以來,我國在引進(jìn)國外技術(shù)的基礎(chǔ)上,開始自主開發(fā)PSP及其測(cè)量系統(tǒng),并成功應(yīng)用于多項(xiàng)基礎(chǔ)研究和型號(hào)測(cè)試[11-15]。目前,應(yīng)用于常規(guī)風(fēng)洞穩(wěn)態(tài)測(cè)試的壓敏涂層技術(shù)已相當(dāng)成熟[16]。該技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展方向,一是針對(duì)非定常流動(dòng)發(fā)展基于快響應(yīng)PSP的高時(shí)空分辨測(cè)量技術(shù),二是拓展PSP的應(yīng)用范圍,針對(duì)高流速、高速運(yùn)動(dòng)、高溫等極端測(cè)試條件發(fā)展有效的測(cè)量方法[17]。
本文聚焦于快響應(yīng)PSP技術(shù)的研究進(jìn)展及其在高超聲速氣動(dòng)測(cè)試中的應(yīng)用。首先介紹兩種廣泛使用的快響應(yīng)PSP以及相應(yīng)的測(cè)量方法,然后針對(duì)兩類典型的高超聲速風(fēng)洞以及一種相對(duì)特殊的自由飛彈道靶設(shè)備,結(jié)合應(yīng)用實(shí)例探討PSP技術(shù)應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)與對(duì)策,最后對(duì)PSP技術(shù)研究進(jìn)行展望。
1快響應(yīng)壓敏涂料
PSP壓敏涂料PSP通常由對(duì)氧濃度/壓力敏感的發(fā)光材料與可透氧的高分子基層材料組成,發(fā)光材料與基層材料充分混合后涂覆于模型表面。氧氣需要在基層材料中擴(kuò)散,才能與發(fā)光分子充分接觸并產(chǎn)生氧猝滅效應(yīng)。早期采用的基層材料的氧擴(kuò)散率普遍較低,導(dǎo)致PSP響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)(通常在1s以上),無法滿足非定常氣動(dòng)測(cè)試的需求[1]。
為提高響應(yīng)速度,一種可行的方法是減小涂料厚度,例如,俄羅斯中央空氣流體力學(xué)研究院(TsAGI)制備的PSP厚度僅2µm、響應(yīng)時(shí)間為5ms左右[18];美國佛羅里達(dá)大學(xué)開發(fā)的PSP厚度為5µm,響應(yīng)時(shí)間為3.5ms[19]。但是,減小厚度會(huì)使PSP的信號(hào)強(qiáng)度降低,導(dǎo)致高頻采樣下信噪比不足[20]。與減小厚度的方法相比,一種更為有效的方法是采用多孔結(jié)構(gòu)基層制備PSP。可以看出,多孔結(jié)構(gòu)的基層使氧氣能夠迅速在PSP中擴(kuò)散并與發(fā)光分子產(chǎn)生作用,最終實(shí)現(xiàn)kHz級(jí)以上的頻率響應(yīng)[21]。快響應(yīng)PSP主要有兩種制備方法:
1)將納米級(jí)陶瓷微粒(氧化硅、氧化鈦等)與適量聚合物粘結(jié)劑混合后噴涂于模型表面,形成不規(guī)則的表面多孔結(jié)構(gòu),即PolymerCeramic(PC)PSP[22];2)直接對(duì)鋁制模型進(jìn)行電解處理,通過電化學(xué)腐蝕在模型表面形成納米尺度的小孔,即AnodizedAluminum(AA)PSP[23]。與直接噴涂的PC-PSP相比,AA-PSP的電解制備過程可控程度較高,性能重復(fù)性更好;但AAPSP僅能用于尺寸有限、形狀較簡(jiǎn)單的鋁制模型,應(yīng)用范圍受限。下面,結(jié)合高超聲速氣動(dòng)測(cè)試的需求,對(duì)上述兩種快響應(yīng)PSP以及相應(yīng)的測(cè)量方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。
1.1聚合體陶瓷壓敏涂料
PC-PSPPC-PSP的基層材料主要由大量陶瓷微粒、少量粘結(jié)劑以及適當(dāng)?shù)娜軇┗旌隙伞V苽溥^程中,首先以噴槍將混合均勻的基層材料均勻噴涂于待測(cè)模型表面,待其凝固后就形成了多孔的PSP基層;隨后,將發(fā)光材料溶于適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)溶劑中,再將溶液均勻噴涂于基層上,溶劑揮發(fā)后即完成制備;也可將噴涂好PSP基層涂料的模型在發(fā)光材料溶液中直接浸染進(jìn)行制備。PC-PSP的厚度一般為幾十µm,表面粗糙度一般不超過5µm,其基層結(jié)構(gòu)和掃描電子顯微鏡(SEM)結(jié)果。
由于發(fā)光分子主要分布于多孔基層的表面,其與氧分子的作用速度很快,階躍響應(yīng)時(shí)間低于100µs[24-25],頻率響應(yīng)可達(dá)10kHz。在高超聲速氣流的強(qiáng)沖刷效應(yīng)下,PC-PSP表面的發(fā)光材料層容易受到破壞,導(dǎo)致PSP信號(hào)急劇下降,造成PSP失效。針對(duì)該問題,可采用將發(fā)光材料與基層材料充分混合后噴涂的方法,使發(fā)光分子相對(duì)均勻地分布于PSP中,提升其耐沖刷能力。
但此類混合噴涂的PC-PSP響應(yīng)速度相對(duì)較慢,階躍響應(yīng)時(shí)間一般在ms量級(jí)[26]。為解決涂料耐沖刷性與響應(yīng)速度之間的矛盾,彭迪等[27]開發(fā)了一種基于介孔陶瓷微粒(MesoporousParticle,MP)的新型PSP。這種MP-PSP的基層陶瓷微粒本身具有多孔中空的特殊結(jié)構(gòu),為氧擴(kuò)散提供了便捷途徑,可以顯著提升響應(yīng)速度,階躍響應(yīng)時(shí)間在100µs以內(nèi)。與常規(guī)PC-PSP相比,MP-PSP抗沖刷能力大幅提高,光衰減效應(yīng)顯著下降;同時(shí),MP-PSP的適用溫度上限超過100℃,能夠滿足大部分暫沖式高超聲速風(fēng)洞的測(cè)試需求[28]。
1.2電解鋁壓敏涂料
AA-PSPAA-PSP通過對(duì)鋁制模型進(jìn)行表面處理,直接在模型表面形成多孔結(jié)構(gòu)。首先,將鋁制模型作為陽極浸入電解液中,進(jìn)行陽極化處理,在模型表面形成一層規(guī)整排列的小孔,作為吸附PSP發(fā)光材料的基層;然后,將模型在發(fā)光材料(通常選用Ru(dpp))溶液中進(jìn)行浸染、附著。AA-PSP的基層結(jié)構(gòu)及表面掃描電鏡結(jié)果。
由于模型表面小孔的孔徑、深度等參數(shù)均可通過陽極化處理的各個(gè)參數(shù)(陽極化處理時(shí)間、電源電壓等)進(jìn)行精確控制,因此AAPSP具有性能重復(fù)性好的優(yōu)勢(shì);同時(shí),其響應(yīng)速度可通過增大孔徑與減小孔深進(jìn)行提升,階躍響應(yīng)時(shí)間可低至2~3µs[29]。如前所述,AA-PSP的使用局限于鋁制模型,溫度上限一般不超過50℃,其表層附著的發(fā)光材料層也較易被氣流沖刷所破壞,因此,在高超聲速氣動(dòng)測(cè)試中,AA-PSP主要應(yīng)用于測(cè)試時(shí)間較短的激波風(fēng)洞[30]或總溫較低的暫沖式風(fēng)洞[31]。
1.3測(cè)量方法及系統(tǒng)
快響應(yīng)PSP的測(cè)量方法主要分為光強(qiáng)法和壽命法兩類。光強(qiáng)法主要應(yīng)用于固定模型表面的動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量,測(cè)量系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單;壽命法能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)葉片等運(yùn)動(dòng)模型表面的瞬態(tài)壓力測(cè)量,測(cè)量系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜。
光強(qiáng)法是基于式(1)中PSP發(fā)光光強(qiáng)與壓力關(guān)系的測(cè)量方法。在實(shí)際應(yīng)用中,除表面壓力外,PSP發(fā)光材料噴涂濃度、模型當(dāng)?shù)丶ぐl(fā)光光強(qiáng)等因素都會(huì)影響PSP的發(fā)光光強(qiáng)。因此,采用光強(qiáng)法進(jìn)行測(cè)量時(shí),需在已知壓力與溫度的參考狀態(tài)下(一般為常溫常壓環(huán)境)采集參考圖像,利用參考圖像對(duì)實(shí)驗(yàn)圖像進(jìn)行歸一化,以消除上述因素的影響。
典型的光強(qiáng)法測(cè)量系統(tǒng)包括LED光源、高速相機(jī)和信號(hào)同步器等。實(shí)驗(yàn)時(shí),光源連續(xù)照射噴涂有PSP的模型,以高速相機(jī)高頻采集圖像(光源和相機(jī)通過信號(hào)同步器觸發(fā)),最終獲得時(shí)間解析的全場(chǎng)壓力分布。該方法已廣泛應(yīng)用于跨聲速及超聲速氣動(dòng)測(cè)試,為研究激波振蕩、激波–邊界層干擾等復(fù)雜流動(dòng)問題提供了重要的高時(shí)空分辨壓力數(shù)據(jù)[32-34]。由于高超聲速氣動(dòng)測(cè)試一般采用固定模型,且風(fēng)洞運(yùn)行時(shí)間較短,因此可實(shí)現(xiàn)高頻采樣的光強(qiáng)法已成為PSP測(cè)量的主要方法。
PSP的發(fā)光壽命一般不隨激發(fā)光強(qiáng)度變化,因此該方法具有“自參考”特性,能夠解決光強(qiáng)法中由于模型運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致激發(fā)光光場(chǎng)分布改變的問題。需要指出的是,PSP噴涂的不均勻性仍會(huì)導(dǎo)致發(fā)光壽命的不均勻性。這種發(fā)光壽命的不均勻性主要來源于PSP微觀結(jié)構(gòu)的各向異性,僅改進(jìn)噴涂工藝難以完全消除。因此,與光強(qiáng)法類似,壽命法也需在參考狀態(tài)下采集參考信號(hào),并進(jìn)行歸一化處理[35]。基于壽命法的PSP測(cè)量技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于各類旋轉(zhuǎn)葉片(包括直升機(jī)旋翼與壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片等[36])的壓力測(cè)試。該技術(shù)在彈道靶自由飛測(cè)試中也取得了突破,成功獲得了高速飛行模型表面的瞬態(tài)壓力分布。
2高超聲速PSP測(cè)試的挑戰(zhàn)與對(duì)策
2.1激波風(fēng)洞測(cè)試
激波風(fēng)洞的運(yùn)行時(shí)間較短,一般為幾ms到幾十ms,對(duì)PSP的響應(yīng)速度要求較高,傳統(tǒng)PSP無法滿足測(cè)試需求。如前所述,美國、俄羅斯等早期采用的解決方法是減小PSP厚度,使響應(yīng)時(shí)間達(dá)到ms級(jí),并將其成功應(yīng)用于激波風(fēng)洞測(cè)試[18-19]。隨著快響應(yīng)PSP與高速攝像技術(shù)的發(fā)展,當(dāng)前PSP的采樣頻率已達(dá)kHz級(jí),響應(yīng)頻率方面的障礙已基本消除。同時(shí),由于PSP具有一定溫度敏感性,高速氣流氣動(dòng)加熱效應(yīng)所導(dǎo)致的溫度誤差是高超聲速測(cè)試面臨的主要挑戰(zhàn)。
與噴涂式的PC-PSP相比,AA-PSP直接在鋁制模型上生成,材料導(dǎo)熱快,在風(fēng)洞短暫運(yùn)行過程中的溫升較小,尤其是在來流總溫不高時(shí),AAPSP的溫度誤差有限,基于傳感器數(shù)據(jù)對(duì)PSP進(jìn)行在線標(biāo)定即可基本消除誤差,因此在總溫較低的激波風(fēng)洞中得到了廣泛應(yīng)用[37-38]。其中,PSP參考圖像應(yīng)在風(fēng)洞運(yùn)行結(jié)束后立即采集,以減小溫度誤差[39]。
此外,還需對(duì)某些在沖刷效應(yīng)下數(shù)據(jù)缺失的區(qū)域進(jìn)行修復(fù)。 隨著來流總溫和密度的升高,模型表面溫升顯著增大,且氣流的沖刷效應(yīng)顯著增強(qiáng),大大增加了PSP測(cè)量的難度。根據(jù)德國宇航中心DLR在高焓激波風(fēng)洞中應(yīng)用PSP的經(jīng)驗(yàn),除溫度誤差外,面臨的主要挑戰(zhàn)還包括強(qiáng)沖刷下的涂料損壞與高總溫下的強(qiáng)烈背景輻射干擾[40]。如何在極端測(cè)試條件下實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的PSP測(cè)量是當(dāng)前研究的難點(diǎn)。
本文作者所在課題組在中國科學(xué)院力學(xué)研究所JF-12風(fēng)洞中開展了PSP測(cè)量技術(shù)的初步研究。JF12風(fēng)洞是一座高超聲速飛行復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞,能夠模擬馬赫數(shù)5~9、高度25~50km的飛行環(huán)境,運(yùn)行時(shí)間可達(dá)130ms以上[41-42]。較長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間有利于獲得更多的流場(chǎng)數(shù)據(jù),但同時(shí)也帶來了大溫升與強(qiáng)沖刷等挑戰(zhàn),對(duì)PSP的溫度范圍與粘結(jié)強(qiáng)度提出了較高要求。
采用前述MP-PSP成功獲得了馬赫數(shù)7、總溫3600K來流條件下平板–圓柱干擾的表面壓力分布。實(shí)驗(yàn)中,針對(duì)高總溫下的強(qiáng)烈背景輻射干擾問題。相機(jī)采集頻率為2000Hz,用于激發(fā)的LED光源頻率為250Hz,即在光源打開的情況下相機(jī)連續(xù)采集4幀PSP圖像,之后光源關(guān)閉,相機(jī)繼續(xù)采集4幀背景圖像,如此循環(huán)。通過一系列背景圖像重構(gòu)得到PSP圖像中的背景輻射分布,從而將PSP信號(hào)分離,消除了背景輻射的干擾。
2.2暫沖式風(fēng)洞測(cè)試
與激波風(fēng)洞相比,暫沖式風(fēng)洞總溫不高,但風(fēng)洞運(yùn)行時(shí)間顯著增加,一般在數(shù)秒到數(shù)百秒之間。此類風(fēng)洞測(cè)試對(duì)PSP的響應(yīng)速度要求并不苛刻,但PSP的快響應(yīng)特性仍是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量的關(guān)鍵。例如,向星居等[43]采用響應(yīng)時(shí)間為0.2ms的PCPSP獲得了馬赫數(shù)5來流下平板圓柱模型的非定常壓力分布。但是,較長(zhǎng)時(shí)間的氣動(dòng)加熱效應(yīng)會(huì)在模型表面形成較為明顯的溫度梯度與較為復(fù)雜的溫度分布,所造成的測(cè)量誤差難以通過在線標(biāo)定完全消除,此時(shí)PSP測(cè)量面臨的主要挑戰(zhàn)是顯著的溫度誤差,通常需要測(cè)量模型表面溫度場(chǎng),再結(jié)合PSP的溫度響應(yīng)特性對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。
例如,Running等[44]采用紅外熱像方法獲得了馬赫數(shù)6來流下的鈍錐模型表面溫度分布,進(jìn)而對(duì)AA-PSP測(cè)得的動(dòng)態(tài)壓力結(jié)果進(jìn)行了修正。另一種有效方法是采用壓敏涂料PSP與溫敏涂料TSP進(jìn)行同步測(cè)量,不僅可以利用TSP結(jié)果對(duì)PSP的溫度誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)修正,還能夠同步獲得溫度場(chǎng)與熱流場(chǎng)等重要數(shù)據(jù)[45]。該方法主要適用于對(duì)稱模型。對(duì)于如圖9所示的HB-2模型,可將PSP與TSP對(duì)稱噴涂,通過400nm左右的UV-LED同步激發(fā),再通過高速相機(jī)同步采集PSP與TSP信號(hào)。
2.3彈道靶自由飛測(cè)試
彈道靶是一種較為特殊的氣動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備。在彈道靶試驗(yàn)中,模型通過加速器達(dá)到試驗(yàn)所需速度并在測(cè)試段自由飛行。與常規(guī)風(fēng)洞試驗(yàn)相比,彈道靶試驗(yàn)不存在支架或來流背景噪聲的干擾,因此在邊界層轉(zhuǎn)捩研究與動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力測(cè)試方面具有優(yōu)勢(shì)[47-48]。但是,彈道靶模型尺寸小、飛行速度高,在加速過程中承受很高的過載,并且無法重復(fù)使用,因此,傳統(tǒng)的接觸式傳感器應(yīng)用難度很大,模型表面氣動(dòng)參數(shù)的獲取主要依賴PSP、TSP和紅外熱像等光學(xué)手段。
采用PSP獲取模型高速飛行狀態(tài)下的表面壓力分布,不僅要求涂料本身具有快響應(yīng)、耐沖刷等性能,還需要解決高速運(yùn)動(dòng)帶來的激發(fā)光場(chǎng)變化、圖像模糊與溫度誤差等問題。 在更高的飛行速度下(Ma≥5),PSP與TSP測(cè)量面臨的條件更為惡劣,后續(xù)研究需進(jìn)一步提升涂料的耐沖刷能力與耐溫上限,同時(shí)需克服較為嚴(yán)重的圖像模糊問題。
3結(jié)論及展望
隨著壓敏涂料PSP響應(yīng)速度的提升與測(cè)量方法的發(fā)展,PSP技術(shù)在高超聲速氣動(dòng)測(cè)試中已得到成功應(yīng)用。基于多孔基層開發(fā)的兩種快響應(yīng)PSP(AAPSP和PC-PSP),響應(yīng)頻率已達(dá)kHz級(jí)甚至更高,能夠滿足高超聲速風(fēng)洞短時(shí)與非定常測(cè)試需求。當(dāng)前高超聲速PSP測(cè)試主要采用光強(qiáng)法,利用高速相機(jī)連續(xù)采集可獲得高時(shí)空分辨率的壓力分布。在較為特殊的彈道靶自由飛測(cè)試中,采用壽命法可獲得高速飛行模型表面的瞬態(tài)壓力與溫度分布。高超聲速測(cè)試環(huán)境較為惡劣,PSP技術(shù)應(yīng)用面臨的主要挑戰(zhàn)包括涂料受沖刷損壞與受熱失效、溫度誤差以及高焓條件下的背景輻射干擾等。
近年來在涂料開發(fā)與測(cè)量方法上所取得的進(jìn)展已能夠較好地應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)。在高超聲速領(lǐng)域,PSP技術(shù)已展現(xiàn)出良好的工程應(yīng)用前景。在涂料開發(fā)方面,應(yīng)繼續(xù)提升PSP的靈敏度、響應(yīng)速度、耐沖刷能力與溫度范圍,研發(fā)自動(dòng)化的噴涂工藝與設(shè)備,使其能夠覆蓋各類模型與測(cè)試條件;在測(cè)量方法方面,應(yīng)發(fā)展高精度的溫度修正與背景輻射修正算法,提升壓力測(cè)量精度。在此基礎(chǔ)上,建立PSP測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與工程化測(cè)試系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)在高超聲速領(lǐng)域的工程應(yīng)用。
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作者:彭迪1,2,*,李永增1,2,劉旭1,2,焦靈睿1,2,劉應(yīng)征1,2
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