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發現計劃
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發現計劃（英語：Discovery Program）是由美國國家航空暨太空總署（NASA）通過其行星任務計劃辦公室資助的一系列太陽系探索任務，其目的是以「低廉的成本、公眾的智慧，完成眾多的太空探索任務」。每項發現級任務都有一個成本上限，其水平低於美國宇航局的新疆界計劃或旗艦任務。因此，發現級任務更側重於特定的科學目標，而非服務於一般目的。
「發現計劃」設立於1990年，旨在落實時任美國宇航局局長丹尼爾·戈爾丁提出的「更快、更好、更經濟」[2]的行星探索任務政策。傳統的美國宇航局計劃都是先確定任務目標，然後尋找投標者來建造和運行它們。與此不同，發現級任務是通過徵集所有科研方案建議，並通過競爭性同行評審來進行選擇。選定的任務由一位被稱為「首席研究員」(PI)的科學家領導，提案團隊可包括來自工業界、小企業、大學或政府實驗室等各類人員。
「發現」計劃還包括「機會」任務，即為美國參與其他太空機構運營的太空飛行器提供資金(如捐贈探測設備等)，還可重新利用現有的美國宇航局太空飛行器進行新的任務。
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歷史
1989年，美國航天局太陽系探索部門開始為2000年前的太陽系探索制定新的戰略，包括成立一個小型任務規劃小組，由該小組對潛在的任務進行快速研究，優選出符合成本較低，比現有計劃能更快解決重點科學問題的任務[3]，並在1990年由美國宇航局作出資金安排，這種新的計劃被稱作「發現」級任務。
該小組評估了一些可通過低成本來實施的任務概念，選擇「會合-舒梅克號」作為第一個任務[3]。
會合舒梅克號成為於1996年2月17日發射的首個發現計劃任務[3]， 第二個任務則為搭載了「旅居者號」火星車前往火星的火星探路者號，於1996年12月4日發射[3]。
任務
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通過捐贈科學儀器或設備硬體資金，或為太空飛行器的任務擴展出資，提供了參與非美國宇航局任務的機會。
- 阿斯佩拉3號(ASPERA-3)是一台研究太陽風與火星大氣層相互作用的儀器，正在歐洲太空總署火星快車號軌道器上飛行。2003年6月發射升空，自2003年12月以來一直環繞火星運行。首席研究員是美國西南研究院的「大衛·溫寧漢」(David Winningham)。
- 月球礦物測繪儀(M3)是美國宇航局設計的一台儀器，搭載在2005年2月選擇的印度空間研究組織(ISRO)錢德拉揚1號軌道器上[48]。2008年發射升空，旨在以高解析度探測月球礦物成分。2009年9月，也就是任務結束後一個月宣布，M3在月球上探測到了水。主要研究者是布朗大學的「卡爾· 麥格欽·皮特斯」(Carle McGetchin Pieters)。
- 太陽系外行星觀測和深度撞擊擴展調查，簡稱埃波西(EPOXI)於2007年7月被選中[49][50]，這是深度撞擊探測器在成功探訪坦普爾1號後進一步開展的兩項新任務：
- 太陽系外行星觀測與特徵描述(EPOCh)任務在2008年使用了深度撞擊高解析度相機，以便更好地描述圍繞其他恆星運行的系外巨行星，並在同一恆星系統中尋找其他行星。首席研究員是美國宇航局戈達德太空飛行中心的「德雷克·德明」(L.Drake Deming)。
哈特利2號彗星的彗核 - 彗星深度撞擊擴展調查(DIXI)任務是利用深度撞擊任務探測器飛越第二顆彗星哈特利2號，其目的是拍攝它的慧核，以增加對彗星多樣性的理解。2010年11月4日成功飛掠哈特利2號，並抵達最接近距離。該任務首席研究員是馬里蘭大學學院市分校的「邁克·阿赫恩」(Michael A'hern)。
- 太陽系外行星觀測與特徵描述(EPOCh)任務在2008年使用了深度撞擊高解析度相機，以便更好地描述圍繞其他恆星運行的系外巨行星，並在同一恆星系統中尋找其他行星。首席研究員是美國宇航局戈達德太空飛行中心的「德雷克·德明」(L.Drake Deming)。
- 坦普爾1號彗星新探索 (NExT)與埃波西號擴展任務於2007年7月被一起選中[50]。它是星塵號探測器的一項新任務，具體為在2011年飛越坦普爾1號彗星以觀察自2005年7月深度撞擊任務到訪後的變化。2005年晚，坦普爾1號距離太陽最近，彗星表面可能有所改變，此次飛越於2011年2月15日成功完成。康奈爾大學的「約瑟夫·維弗卡」(Joseph Veverka)為首席研究員。
- 斯特羅菲奧(Strofio) [51]是一台獨特的質譜儀，為歐空局貝皮可倫坡號/水星行星軌道飛行器上「塞麗娜」(SERENA)儀器套件的一部分。斯特羅菲奧將研究構成水星大氣層的原子和分子，以揭示水星表面的組成。美國西南研究院的「斯特凡諾·利維」(Stefano Livi)為首席研究員。
- 梅根(MEGANE)[52][53](利用伽馬射線和中子探測火星的衛星)是一台計劃搭載在火星衛星探測器(MMX)上的儀器，該探測器是日本宇宙航空研究開發機構於2024年發射的火衛一和火衛二探測器。梅根包括一台伽馬射線光譜儀和一台中子光譜儀。約翰霍普金斯大學的「大衛·勞倫斯」(David J. Lawrence)為首席研究員。
- 此外，自從月球先驅機器人計劃終止後，月球勘測軌道飛行器就一直歸屬在發現計劃下管理。
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提案和概念
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無論資金何時到位，都有一個甄選過程，其中可能有多達二十多項概念任務參與競選。這些任務有時會進一步成熟，並在另一次評選或計劃中重新提出[54]，這方面的典型案例是「聚斯-尤里」任務，它曾被勝出的星塵號任務取代，但最終作為起源號發射[54]，而在新疆界計劃中，一項類似「木星內部探測」(INSIDE)但內容更廣泛的任務被作為朱諾號入選。因此，一些設想後來成為實際執行的任務，或者以類似概念最終在另一類任務中得以實現。下表結合了以前和當前的提案。
發現級任務建議的其他示例包括：
- 惠普爾探測器(Whipple)，使用凌日法探測奧爾特星雲中天體的太空觀測台。
- 木衛一火山觀測者。
- 彗星跳躍者(Comet Hopper)。
- 泰坦海洋探測器(Titan Mare Explorer)，探測土衛六上的海洋和湖泊。
- 聚斯-尤里(Suess-Urey)，類似於後來的起源號任務[54]。
- 赫爾墨斯(Hermes)，水星軌道器[55] (類似信使號水星軌道器)。
- 木星內部探測器，一艘測繪木星磁場和重力場圖以研究木星內部結構的軌道飛行器[56]，這一任務概念後來進一步成熟，最終在新疆界計劃中作為朱諾號任務實施[57]。
- 塵埃望遠鏡是一台測量宇宙塵埃各種性質的太空望遠鏡[58]，塵埃望遠鏡結合軌道傳感器和質譜儀，能對元素甚至同位素構成作出分析[58]。
- 奧西里斯(「OSIRIS」-起源光譜解釋，資源識別及安全的英文縮寫)是一艘小行星觀測和取樣返回任務的概念，2006年被選作進一步的研究[59]，2016年9月8日作為新疆界計劃第三次任務-奧西里斯發射升空[60]。
- 小天體大巡遊(Small Body Grand Tour)，小行星交會任務[61]。這一1993年的任務設想評估了可能的目標，即接近小行星4660涅柔斯和2019范·阿爾巴達。任務延長期間考慮探訪的其他目標包括恩克彗星(2P)、愛神星(433厄洛斯)、1036伽倪墨得、灶神星和威爾遜哈靈頓彗星(1979 VA)。
- 彗星彗發交會取樣返回是一艘設計用來與彗星交會的太空飛行器，在彗星彗發內進行延伸觀測(並不登陸彗星)，並採集少許彗發樣本帶回地球研究[62] (另見星塵號)。
- 微型埃克索探測器將使用一種新型微電子推進方式，稱為「微電子霧化射流推進」，前往近地天體並收集重要數據[63]。
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- 帕斯卡(Pascal)，一項火星氣候網任務[64]。
- 穆迪 (MUADEE-「火星高層大氣層動力、能量及演化」英文首字母縮寫)[65] (類型於火星偵察計劃的馬文號任務)。
- 火衛一探測器(Phobos Surveyo)為探索火星的衛星—火衛一的軌道器任務概念，它還將釋放一輛適用於火衛一低重力環境的特殊漫遊車。
- 帕克羅斯(PCROSS)，基於洛克羅斯，但是探索火衛一福玻斯的任務[66]。
- 梅林號(Merlin)的任務是要在火星的衛星得摩斯上釋放一台著陸器[67]。
- 火星衛星多次登陸任務(M4)，將在火衛一和火衛二上進行多次登陸[68]。
- 霍爾(Hall)是火衛一和火衛二取樣返回任務[69]。
- 阿拉丁(Aladdin)是一項發現級火衛一和火衛二取樣返回任務[70]，為1999年「發現計劃」評選的最終入圍者，計劃於2001年發射，2006年之前取回樣品[71]。樣本採集方法是向衛星發射一顆彈丸，然後由飛過的太空飛行器收集噴出物[71]。
- 火星間歇泉跳躍者(Mars Geyser Hopper)是一艘著陸器，它將研究火星春季期間在南極附近地區發現的二氧化碳間歇泉[72][73]。
- 魔術(MAGIC-「厘米級火星地質科學成像」英文首字母縮寫)是一艘軌道飛行器，它能提供5–10厘米/像素的火星表面圖像，使特徵的解析度達到20–40厘米[74]。
- 紅龍號是一艘著陸器並取樣返回[75]。
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- 月升號，從月球南極-艾托肯盆地取樣返回，目前尚沒有任何地質模型能充分解釋該地區的所有特徵和重大分歧[76]。
- 埃科蒙(EXOMOON)，登月「實地」調查[77]
- 普索略(PSOLHO)，利用月球掩星來尋找系外行星[78]。
- 露內特(Lunette)，月球著陸器[79]
- 月球雙著陸器(Twin Lunar Lander)，一項探索月球地質物理的任務[80]。
- 金星聯合探測器(Venus Multiprobe)計劃於1999年發射，它將向金星投放16台大氣層探測器，然後緩慢降落到金星表面，測量壓力和溫度[54]。
- 維斯珀(Vesper)是一艘專注於研究金星大氣層的金星軌道器概念[82][83][84]，這是2006年發現計劃篩選中收到研究撥款的三個提案之一[83]，其它二個是奧西里斯和聖杯號，最終，聖杯號被選中並發射升空[59]。
- V-星 (V-STAR-「金星樣本目標、獲取和返回」的英文首字母縮寫)，是一項金星大氣層取樣返回任務[85][86]，雖然注意到從金星表面取樣返回很困難，但現在所提的是從高層大氣中取樣返回的發現級任務[85]，它將沿著星塵任務的線路，但使用的是自由返回軌道(不會進入金星軌道)[85]。
- 維瓦號(VEVA-「金星火山和大氣層探索」英文首字母縮寫)，一艘金星大氣層內探測器[87]。其核心是一次為期7天的大氣層氣球漂浮飛行，同時釋放各類微型探測器進入該行星的稠密大氣中[87]。
- 金星探路者(Venus Pathfinder)，一艘長壽型金星著陸器[88]。
- 雷文號(RAVEN)，金星軌道飛行器雷達測繪任務[89]。
- 勇氣號(VALOR)，一項用氣球研究大氣層的金星任務[90]，兩隻氣球將環金星飛行8天[90]。
- 金星飛行器(Venus Aircraft)，一種利用太陽能在金星大氣層中長時間自動飛行的航空器[91]，它將攜帶1.5千克的科學有效載荷，必須與強風、高溫和腐蝕性大氣相抗衡[91]。
- 西風號漫遊車，由垂直翼帆上的風力驅動的漫遊車概念，該項目設想產生於2012年，此後在電子元件開發方面取得了進展，這些電子元件可使探測器在沒有冷卻系統的情況下在金星表面運行50天[92]。
選擇過程
前兩次發現任務分別為近地小行星交會(後來稱為會合-舒梅克號)和火星探路者，這兩個最初的任務並沒遵循發現計劃開始時的相同選擇過程[93]。
「火星探路者」是從「火星環境調查」(Mars Environmental Survey)計劃的技術和工程發展實驗演示想法中挽救回來的[93]，此外，「探路者」的目標之一是支持火星探測器計劃[93]，後來任務的選擇則是通過一個更為漸進的過程，包括宣布的機會任務[93]。
而就會合-舒梅克號任務而言，該方案的工作小組建議，第一次飛行任務應是前往一顆近地小行星[94]。1991年在審查了一系列僅限於近地小行星飛行任務的提案後[94]，於1993年12月正式選定會合-舒梅克號飛行任務，此後在發射前，進行了為期2年的研製[94]。會合-舒梅克號於1996年2月15日發射升空，並在2000年2月14日抵達了小行星厄洛斯軌道[94]。火星探路者於1996年12月4日發射，1997年7月4日登陸火星，帶去了美國宇航局首輛火星探測車-「探路者號」[95]。
1994年8月，美國宇航局宣布下一次擬議的發現計劃任務機會[96]，1994年10月，有28項提案提交給美國宇航局：[96]
- 紫苑(ASTER)-小行星地球返回；
- 彗核穿透器；
- 彗核之旅(CONTOUR)；
- 彗發化學成分探測(C4)；
- 黛安娜(Diana)，月球和彗星任務；
- 弗雷西普(FRESIP)-尋找地球般大小的內行星概率的任務；
- 赫爾墨斯全球軌道器(水星軌道器)；
- 冰月任務 (月球軌道器)；
- 月際1號 (月球漫遊車)[97]；
- 木星綜合天文望遠鏡 (木衛一軌道環觀測)；
- 月球探索軌道飛行器[98]；
- 月球探勘者(月球軌道飛行器) – 1995年2月被選擇為第三次發現計劃任務；
- 主帶小行星探測/交會；
- 火星航空平台(大氣層)；
- 火星極地探路者(極地著陸器)；
- 火星上層大氣層動態、能量與演化；
- 水星極地飛越
- 近地小行星取樣返回
- 小行星、彗星和地球生命的起源；
- 佩爾(PELE)：研究行星火山作用的月球任務；
- 行星研究望遠鏡；
- 偵測號(RECON)，與慧核交會；
- 聚斯-尤里 (太陽風採樣返回) –入圍第四次發現計劃；
- 探訪小行星和彗星的小型任務；
- 星塵號 (彗星/星際塵埃取樣返回) –入圍第四次發現計劃；
- 金星成分探測器(大氣層)；
- 金星環境衛星(大氣層)；
- 金星聯合探測任務(大氣層)[99] –入圍第四次發現計劃。
1995年2月，月球探勘者，一項月球軌道飛行器任務被選中發射；1995年晚些時候，第四次發現任務的另三項任務被進一步挑選出來：「星塵號」、「聚斯-尤里號」和「金星聯合探測器」 [96]。「星塵號」是一項彗星採樣返回任務，於1995年11月從其它兩項入圍提案中脫穎而出[100]。
1997年10月，美國航天局在1996年12月提交的34項建議中，選擇了起源號和輪廓號作為下一次的發現任務[101]
以下是五項入圍最終選撥的提案:[102]
1999年7月，美國宇航局選擇了信使號和深度撞擊號作為下一次發現計劃任務[103]。「信使號」是自水手10號以來首艘環水星的軌道器及探測任務[103]。兩項任務的目標都是於2004年底發射，每項費用限制在3億美元左右[103]。
1998年，五項獲選的入圍提案都獲得了375萬美元，以進一步完善他們的設計概念[104]這五項提案從約三十項提案中精選而出，以求實現最佳的科學目標[104]。這些任務是：[104]
阿拉丁和信使號也曾入圍1997年的提案評選[104]。
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2000年發現計劃招標中共收到26份提案，最初預算定為3億美元 [105]，其中黎明號、克卜勒空間望遠鏡和「木星內部探測器」[106]三項候選方案於2001年1月入圍A期設計研究。「木星內部探測器」類似於後來新疆界計劃中的「朱諾號」任務；而「黎明號」是一項探訪小行星灶神星和穀神星的任務；「克卜勒」則是一台專門探尋系外行星的太空望遠鏡。三項入圍提案各獲得45萬美元，以進一步完善和開發任務概念[107]。
2001年12月，「克卜勒號」和「黎明號」獲選發射[108]。當時，僅發現了80顆系外行星，而「克卜勒號」的主要任務之一，就是尋找更多，特別是類似地球大小的系外行星[108][109]。「克卜勒太空望遠鏡」和「黎明號」最初都計劃於2006年發射[105]。
但在此之後，有數項任務出現了成本超支，且「慧核之旅」任務在軌道上也遭遇到發動機故障，發現計劃陷入困難期。儘管「黎明號」和「克卜勒太空望遠鏡」任務都將成為廣受讚譽的成功案例，但它們都沒能實現2006年雄心勃勃的發射目標，分別被推延至2007年和2009年發射。「克卜勒號」還將繼續接受幾次任務擴展，而「黎明號」也成功地實現了環灶神星和穀神星繞飛。儘管如此，新任務項目的選擇還是變得更緩慢，下一次的選擇將比上一次需要更長的時間。但隨著新任務的成功，發現計劃的形象得到提升，困難開始從聚光燈下消失。此外，隨著項目的推進，開發或執行中的任務數也開始增加。
2004年4月16日發布了最初的發現任務招標公告[110]，唯一入選A階段概念研究的是JASSI方案。這是一項基於新疆界計劃中朱諾號項目的木星探測任務，而當時朱諾號正被考慮挑選為第二次新疆界任務的最終方案(最後於2005年選定，並於2011年發射)。在概念研究中，並沒考慮對其他投標提案進行概念研究，因此，也沒為這次招標選擇發現級任務(儘管在2004年選擇了機會任務-「月球礦物測繪儀器」作為招標公告的一部分）[111]。
2006年1月3日發布了下一次發現任務招標公告[112]，本次共有三項提案入圍發現任務評選：聖杯號(最終獲勝者)、歐西里斯和維斯珀[113]。「奧西里斯」(OSIRIS)與後來的奧西里斯-雷克斯任務非常相似，這是一項到101955本努小行星採樣返還任務，而「維斯珀」(Vesper)則是一次金星軌道器任務[113]，曾在1998年入圍發現計劃決賽評選[113]。三項入圍方案於2006年10月公布，並獲得120萬美元的獎金，以進一步發展和完善他們的最後一輪提案[114]。
2007年11月，美國宇航局選擇了「聖杯號」方案作為下一個發現任務，目標是繪製月球引力圖，並於2011年發射[115]，此外，還有23項其他提案也在審議之中[115]。該任務預算為3.75億美元，包含建造和發射費用[115]。
2010年6月7日發布發現任務招標公告，這一期共收到28份提案，其中涉及探月的3份、火星探測4份、金星7份、木星和木星特洛伊小行星各1份、土星2份、小行星7份、彗星3份[116][117]。在28項提案中，有三項入圍方案在2011年5月收到了300萬美元，以進行更詳細的概念研究：[118]
2012年8月，「洞察號」被選中進行開發和發射[119]。該任務於2018年5月發射，並於2018年11月26日成功登陸火星。
2014年2月，美國航天局發布了一項發現計劃「招標公告草案」，發布日期為2021年12月31日[121]。2014年11月5日發布正式招標公告，2015年9月30日，美國宇航局選擇了五個任務概念作為最終入圍者[122][123]，每個獲得300萬美元，以用於為期一年進一步的研究和概念完善[124][125]。
- 金星深層大氣層稀有氣體、化學成分調查和成像 (DAVINCI)；
- 金星輻射率、射電科學、干涉雷達地形測繪和光譜研究 (VERITAS)；
- 近地天體照相機 (NEOCam)；
- 露西號；
- 靈神星號。
2017年1月4日，露西和靈神星號分別入選第13和第14次發現任務[126][127]。「露西號」將飛越五顆木星特洛伊小行星，它們都位於木星環繞太陽的軌道，或位於木星的前方或在它的後方運行[128][127]；而「靈神星號」將通過環繞和研究金屬小行星靈神星來探究行星內核的起源[128]。
2018年12月22日，美國航天局發布了發現計劃2019年招標公告草案，其中概述了美國航天局打算選擇兩個分別準備於2025年7月1日至2026年12月31日和/或2028年7月1日至2029年12月31日發射的「發現15號」和「發現16號」任務[129][130]。正式招標公告將於2019年4月1日發布，並在2019年7月1日前接受提案提交[131]。
入圍決賽提案於2020年2月13日揭曉。入圍提案包括：[132]
- 達文西+(金星深層大氣層稀有氣體、化學成分調查和成像+)是一艘金星大氣層探測器[133]。
- 木衛一火山觀測者將是一艘飛往木星的軌道飛行器，它將至少九次飛越木星的衛星艾娥，以觀察該衛星上的火山活動[134]。
- 三叉戟號(Trident)將飛越海王星和它的衛星海衛一[135]
- 維塔斯號 (金星輻射率、射電科學、干涉雷達地形測繪和光譜測量，一項高解析度測繪金星表面地圖的金星軌道器概念)[136]。
2021年6月，維塔斯號及達文西+入選成為發現計劃第15及第16號任務。
其他為發現15號和16號任務提交的提案還包括:
- 小行星、彗星、半人馬小天體和行星際塵埃
- 半人馬號(Centaurus)，一項偵測任務，通過飛掠方式探索多顆半人馬小行星，以了解太陽系和行星的形成[137][138]。
- 客邁拉號(Chimera)，環繞高度活躍的半人馬小行星29P/施瓦斯曼–瓦赫曼1號運行的任務概念，以研究海王星外天體(TNO)和木星系彗星之間中間地帶的演化[139]。
- 化石號(FOSSIL-「來自太陽系起源及我們的星際區域的碎片」英文首字母縮寫)，發射到地球尾隨軌道上的探測器，以測定本地和行星際塵雲的組成[140]。
- 螳螂號(MANTIS-「主帶小行星和近地天體成像和光譜之旅」的英文首字母縮寫)，這是一項飛越14顆類型和質量不同的小行星任務概念[141]。
- 金星
- 月球
- 月球潛水員(Moon Diver)將釋放一輛月球車，沿著一深坑猛衝下去，以分析暴露的地質層，並調查該深坑是否與某一熔岩管相連[143]。
- 月球羅盤探測車(Lunar Compass Rover)是一個探索月球正面磁場和漩渦的任務設想，將回答行星科學中一些突出的問題，包括行星磁學、太空電漿體物理學、空間風化、行星地質學和月球水循環。月球羅盤探測車的提案沒有提交給本輪的發現計劃[144]。
- 等時線號(ISOCHRON-「內太陽系年表」的英文首字母縮寫)將執行一項月海玄武岩自動採樣返回任務[145]。
- NanoSWARM，該概念提出使用一艘月球軌道器來研究月球漩渦、空間風化、月球水、月球磁場和小尺度磁層[146]。
- 火星
- 指南針(COMPASS-「火星極地大氣和地下科考氣候軌道探測器」英文首字母縮寫)是一項火星軌道器任務概念，它通過研究火星冰床以及它們與當前氣候的相互作用來研究火星的氣候記錄[147]。這項任務由亞利桑那大學的月球和行星實驗室以及科羅拉多大學博爾德分校的大氣和空間物理實驗室主導。
- 破冰生命(Icebreaker Life)是由戈達德太空飛行中心主導的用一架著陸器來尋找火星生命直接跡象的任務概念。通過生物標記物檢測，重點對冰膠結地面進行採樣，了解其保存和保護生物分子或生物跡象的潛力。
- 木星
圖集
本節包括探索任務的標識或徽標圖片以及發射年份。
本節包括發現任務的運載火箭圖像以及發射年份。
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參考文獻
外部連結
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