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深海光电传输有了“避水诀”

作者:严涛 张行勇   发布时间:2024年01月31日    浏览量:496   字体大小:  A+   A- 

深海光电传输有了“避水诀”
图片来自网络,版权属于原作者

我国四大名著之一的《西游记》中,孙悟空有一种神奇法术叫“避水诀”。书中第43回写道:“(行者)捻了避水诀,分开波浪。”孙悟空口念此诀进入水中即可畅通无阻。

如今,《西游记》中的情节正在变为现实。中国科学院西安光学精密机械研究所(以下简称西安光机所)联合中国科学院声学研究所、沈阳自动化研究所、长春应用化学研究所,以及崂山实验室等多家单位研发的我国首套深海光电复合型水下湿插拔连接器近日通过验收,并已在1620米的深海中正常试运行超过70天。这套湿插拔连接器可以根据要求实现“水密”,不惧海水的高压和腐蚀干扰,念起“避水诀”,在深海中实现光电传输。

在深海中“裸奔”还能滴水不漏

为什么叫“湿插拔连接器”?设备研制负责人、西安光机所海洋光学技术研究室主任吴国俊介绍,这套水下湿插拔连接器分为两部分,相当于家庭使用的电器插头和插座。在进行水下工程建设时,不采取任何防水措施,通过接驳站等设施在水下将其中一头固定,再将另外一头插入,进行结合。

“在对接过程中,要保证光和电的导通,并要保持‘水密’,也就是不能漏水。连接成功后,在这种状态下长期工作同样要一直保持‘水密’。”吴国俊说,因此如何确保连接器在深海“裸奔”的情况下还能做到滴水不漏很重要。

由于连接器中光纤的芯径很小,只有9微米,因此任何水中悬浮颗粒物都可能干扰光纤连接。哪怕误差只有1微米,也会导致不小的光纤通信损耗,从而无法正常运行。怎样保证多个光纤通道在深海实现同步高精度对接,是团队要解决的核心问题。

吴国俊和团队的做法是在整个对接过程中,建立一个通道,以起到完全“水密”的作用,保证光纤可以从其中一侧顺利通过,与另外一侧的光纤对接。

西安光机所海洋光学技术研究室副主任吴亚风介绍,团队采用充油方式解决该问题。“我们首先在密封箱内充满特殊的硅油,确保外界压力和内部硅油压力平衡,避免直接承受深海高压。密封腔体充满硅油还有助于保护光纤和电插芯不与海水直接接触。”吴亚风说。

研究人员介绍,一般水下大型工程,不能整体建造,需要一块一块“丢”下水去组建。比如铺设海底光电缆时,由于很多时候不只铺设一条缆线,光缆上会连接很多接驳站、主机站、接驳盒和潜标等装置,所以只能分开布放。

“我们可以将带有湿插拔连接器一端插头的部分先布放,然后再放另一端,最后通过湿插拔连接器连接通电来提供能源和信号的采集传输。如果没有它,我们很多大的深海工程就无法实现。”吴国俊告诉《中国科学报》。

在人的指甲盖上放一辆摩托车

相关资料显示,人类在有装备的情况下潜水最深记录是332米。而湿插拔连接器在1000多米的深海工作,远超人力实地接触范围,因此只能靠ROV机械手来操作。连接器进行湿插拔工作时,机械手可以通过在连接器一端预留的把手,将其推进连接器另一端,从而实现连接。

深海水下操作难度比陆地上大得多。在连接过程中,除了要求“水密”,还要使机械手的插拔力不过大。然而,困难不止于此,确保精度才是深海水下连接面临的最大难题。

光纤实现的是9微米的连接精度,但操作手的精度没有这么高,这就要求操作中有较大的冗余度,实现多级导引,通过简单的操作实现精确对接。

团队一开始在浅水中观察漏水情况,相对压力小,风险比较低。但随着压力增大,摩擦力会增加。连接器在水下是“动密封”,要同时解决压力和摩擦力的问题。这是吴国俊和团队都比较“挠头”的地方。

浅水中无法模仿这个状态,为了完成实验,团队开发了一套不同于机械手的插拔装置。这套装置将连接器固定在直线导轨上,保证了更高的对接精度,并可放在打压罐中,模拟在一定压力下的插拔过程。

吴国俊回忆说,连接器在加压罐中各方面的状态与在浅水中完全不同。有一次测试时由于限位装置出了问题,连接器在导轨上走过了头,直接顶坏了,监测的所有信号都出了问题,“不是连接器出了问题,而是辅助设备出了问题,出现这样的状况让人很郁闷”。于是在随后的模拟实验中,研究团队“精雕细琢”,不断解决问题,最终连接器的海试进展顺利,实现了深海1620米的成功插拔及电能和数据的传输,这个深度的压力相当于人的指甲盖承受一辆中型摩托车的重量。

目前连接器已经正常运行近3个月,吴国俊和他的团队终于做到了。

大幅降低我国深海工程建造成本

据了解,目前我国的深海连接器及相关产品几乎全部依赖进口,国外公司一个光电复合型水下湿插拔连接器售价达80万元,而一项大型深海工程需要数百个连接器。

我国在电连接方面已有一些研究基础,但光连接方面几乎是空白。这次吴国俊团队研发的光电复合型连接器,同时解决了光和电两方面的问题,实现大数据量光电信号的传输,完全能够满足深海工作需要。

既然一次性解决了光电传输的问题,这套湿插拔连接器是否处于国际领先地位?吴国俊坦言,国际上在湿插拔连接器领域已经研究了几十年,很多问题是在使用过程中才逐渐暴露的,然后不断解决。

“我们研发的这套湿插拔连接器虽然目前为止运行正常,技术原理也算走通了,一些核心指标达到了国际先进产品的水平,但这不代表彻底解决了可靠性方面的问题。”吴国俊告诉《中国科学报》,这套湿插拔连接器可以满足深海环境下的使用要求,但一般连接器的工作时间达20年,由于深海和陆地环境不同,高压和盐腐环境时刻都在考验连接器的材料和结构,它的长期可靠性还需要进一步检验和完善,团队会在这方面持续开展研究。

吴国俊介绍,有了这套连接器,我国才有可能采用自主设备完成一些水下大型工程。

“此次我们成功研制出国内首套光电复合型水下湿插拔连接器,将为我国大型深海工程提供关键基础部件支撑,化解该类产品长期严重依赖国外的风险,同时大幅降低我国深海工程建造成本。”西安光机所所长马彩文说。

“目前该项目已通过验收,评审会上几乎所有专家都表示要加快其产业化。产生的成果只放在实验室是没有意义的,存在的不足可以在产业化和产品化过程中完善。”吴国俊说。

 

来源:中国科学报