深海光電傳輸有了“避水訣”
①海試布放。
②吳國俊（左二）和團隊在工作中。
③海底實時照片。課題組供圖
■本報記者 嚴濤 ■張行勇
我國四大名著之一的《西游記》中，孫悟空有一種神奇法術叫“避水訣”。書中第43回寫道：“（行者）捻了避水訣，分開波浪。”孫悟空口念此訣進入水中即可暢通無阻。
如今，《西游記》中的情節正在變為現實。中國科學院西安光學精密機械研究所（以下簡稱西安光機所）聯合中國科學院聲學研究所、沈陽自動化研究所、長春應用化學研究所，以及嶗山實驗室等多家單位研發的我國首套深海光電復合型水下濕插拔連接器近日通過驗收，并已在1620米的深海中正常試運行超過70天。這套濕插拔連接器可以根據要求實現“水密”，不懼海水的高壓和腐蝕干擾，念起“避水訣”，在深海中實現光電傳輸。
在深海中“裸奔”還能滴水不漏
為什么叫“濕插拔連接器”？設備研制負責人、西安光機所海洋光學技術研究室主任吳國俊介紹，這套水下濕插拔連接器分為兩部分，相當于家庭使用的電器插頭和插座。在進行水下工程建設時，不采取任何防水措施，通過接駁站等設施在水下將其中一頭固定，再將另外一頭插入，進行結合。
“在對接過程中，要保證光和電的導通，并要保持‘水密’，也就是不能漏水。連接成功后，在這種狀態下長期工作同樣要一直保持‘水密’。”吳國俊說，因此如何確保連接器在深海“裸奔”的情況下還能做到滴水不漏很重要。
由于連接器中光纖的芯徑很小，只有9微米，因此任何水中懸浮顆粒物都可能干擾光纖連接。哪怕誤差只有1微米，也會導致不小的光纖通信損耗，從而無法正常運行。怎樣保證多個光纖通道在深海實現同步高精度對接，是團隊要解決的核心問題。
吳國俊和團隊的做法是在整個對接過程中，建立一個通道，以起到完全“水密”的作用，保證光纖可以從其中一側順利通過，與另外一側的光纖對接。
西安光機所海洋光學技術研究室副主任吳亞風介紹，團隊采用充油方式解決該問題。“我們首先在密封箱內充滿特殊的硅油，確保外界壓力和內部硅油壓力平衡，避免直接承受深海高壓。密封腔體充滿硅油還有助于保護光纖和電插芯不與海水直接接觸。”吳亞風說。
研究人員介紹，一般水下大型工程，不能整體建造，需要一塊一塊“丟”下水去組建。比如鋪設海底光電纜時，由于很多時候不只鋪設一條纜線，光纜上會連接很多接駁站、主機站、接駁盒和潛標等裝置，所以只能分開布放。
“我們可以將帶有濕插拔連接器一端插頭的部分先布放，然后再放另一端，最后通過濕插拔連接器連接通電來提供能源和信號的采集傳輸。如果沒有它，我們很多大的深海工程就無法實現。”吳國俊告訴《中國科學報》。
在人的指甲蓋上放一輛摩托車
相關資料顯示，人類在有裝備的情況下潛水最深記錄是332米。而濕插拔連接器在1000多米的深海工作，遠超人力實地接觸范圍，因此只能靠ROV機械手來操作。連接器進行濕插拔工作時，機械手可以通過在連接器一端預留的把手，將其推進連接器另一端，從而實現連接。
深海水下操作難度比陸地上大得多。在連接過程中，除了要求“水密”，還要使機械手的插拔力不過大。然而，困難不止于此，確保精度才是深海水下連接面臨的最大難題。
光纖實現的是9微米的連接精度，但操作手的精度沒有這么高，這就要求操作中有較大的冗余度，實現多級導引，通過簡單的操作實現精確對接。
團隊一開始在淺水中觀察漏水情況，相對壓力小，風險比較低。但隨著壓力增大，摩擦力會增加。連接器在水下是“動密封”，要同時解決壓力和摩擦力的問題。這是吳國俊和團隊都比較“撓頭”的地方。
淺水中無法模仿這個狀態，為了完成實驗，團隊開發了一套不同于機械手的插拔裝置。這套裝置將連接器固定在直線導軌上，保證了更高的對接精度，并可放在打壓罐中，模擬在一定壓力下的插拔過程。
吳國俊回憶說，連接器在加壓罐中各方面的狀態與在淺水中完全不同。有一次測試時由于限位裝置出了問題，連接器在導軌上走過了頭，直接頂壞了，監測的所有信號都出了問題，“不是連接器出了問題，而是輔助設備出了問題，出現這樣的狀況讓人很郁悶”。于是在隨后的模擬實驗中，研究團隊“精雕細琢”，不斷解決問題，最終連接器的海試進展順利，實現了深海1620米的成功插拔及電能和數據的傳輸，這個深度的壓力相當于人的指甲蓋承受一輛中型摩托車的重量。
目前連接器已經正常運行近3個月，吳國俊和他的團隊終于做到了。
大幅降低我國深海工程建造成本
據了解，目前我國的深海連接器及相關產品幾乎全部依賴進口，國外公司一個光電復合型水下濕插拔連接器售價達80萬元，而一項大型深海工程需要數百個連接器。
我國在電連接方面已有一些研究基礎，但光連接方面幾乎是空白。這次吳國俊團隊研發的光電復合型連接器，同時解決了光和電兩方面的問題，實現大數據量光電信號的傳輸，完全能夠滿足深海工作需要。
既然一次性解決了光電傳輸的問題，這套濕插拔連接器是否處于國際領先地位？吳國俊坦言，國際上在濕插拔連接器領域已經研究了幾十年，很多問題是在使用過程中才逐漸暴露的，然后不斷解決。
“我們研發的這套濕插拔連接器雖然目前為止運行正常，技術原理也算走通了，一些核心指標達到了國際先進產品的水平，但這不代表徹底解決了可靠性方面的問題。”吳國俊告訴《中國科學報》，這套濕插拔連接器可以滿足深海環境下的使用要求，但一般連接器的工作時間達20年，由于深海和陸地環境不同，高壓和鹽腐環境時刻都在考驗連接器的材料和結構，它的長期可靠性還需要進一步檢驗和完善，團隊會在這方面持續開展研究。
吳國俊介紹，有了這套連接器，我國才有可能采用自主設備完成一些水下大型工程。
“此次我們成功研制出國內首套光電復合型水下濕插拔連接器，將為我國大型深海工程提供關鍵基礎部件支撐，化解該類產品長期嚴重依賴國外的風險，同時大幅降低我國深海工程建造成本。”西安光機所所長馬彩文說。
“目前該項目已通過驗收，評審會上幾乎所有專家都表示要加快其產業化。產生的成果只放在實驗室是沒有意義的，存在的不足可以在產業化和產品化過程中完善。”吳國俊說。
《中國科學報》 (2024-01-30 第1版 要聞)本文鏈接：http://knowith.com/news-2-192.html深海光電傳輸有了“避水訣”
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