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(yán)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(shù)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(jié)正在變?yōu)楝F(xiàn)實。中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所（以下簡稱西安光機所）聯(lián)合中國科學(xué)院聲學(xué)研究所、沈陽自動化研究所、長春應(yīng)用化學(xué)研究所，以及嶗山實驗室等多家單位研發(fā)的我國首套深海光電復(fù)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(jù)要求實現(xiàn)“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(xiàn)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(shè)備研制負責(zé)人、西安光機所海洋光學(xué)技術(shù)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(dāng)于家庭使用的電器插頭和插座。在進行水下工程建設(shè)時，不采取任何防水措施，通過接駁站等設(shè)施在水下將其中一頭固定，再將另外一頭插入，進行結(jié)合。
“在對接過程中，要保證光和電的導(dǎo)通，并要保持‘水密’，也就是不能漏水。連接成功后，在這種狀態(tài)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(dǎo)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(xiàn)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(cè)順利通過，與另外一側(cè)的光纖對接。
西安光機所海洋光學(xué)技術(shù)研究室副主任吳亞風(fēng)介紹，團隊采用充油方式解決該問題。“我們首先在密封箱內(nèi)充滿特殊的硅油，確保外界壓力和內(nèi)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(fēng)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(shè)海底光電纜時，由于很多時候不只鋪設(shè)一條纜線，光纜上會連接很多接駁站、主機站、接駁盒和潛標(biāo)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(xiàn)。”吳國俊告訴《中國科學(xué)報》。
在人的指甲蓋上放一輛摩托車
相關(guān)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(yù)留的把手，將其推進連接器另一端，從而實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)多級導(dǎo)引，通過簡單的操作實現(xiàn)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(fēng)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(tài)，為了完成實驗，團隊開發(fā)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(dǎo)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(tài)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(dǎo)軌上走過了頭，直接頂壞了，監(jiān)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(shè)備出了問題，出現(xiàn)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(xiàn)了深海1620米的成功插拔及電能和數(shù)據(jù)的傳輸，這個深度的壓力相當(dāng)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(jīng)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(jù)了解，目前我國的深海連接器及相關(guān)產(chǎn)品幾乎全部依賴進口，國外公司一個光電復(fù)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(shù)百個連接器。
我國在電連接方面已有一些研究基礎(chǔ)，但光連接方面幾乎是空白。這次吳國俊團隊研發(fā)的光電復(fù)合型連接器，同時解決了光和電兩方面的問題，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)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?shù)膯栴}，這套濕插拔連接器是否處于國際領(lǐng)先地位？吳國俊坦言，國際上在濕插拔連接器領(lǐng)域已經(jīng)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(fā)的這套濕插拔連接器雖然目前為止運行正常，技術(shù)原理也算走通了，一些核心指標(biāo)達到了國際先進產(chǎn)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(xué)報》，這套濕插拔連接器可以滿足深海環(huán)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(huán)境不同，高壓和鹽腐環(huán)境時刻都在考驗連接器的材料和結(jié)構(gòu)，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(xù)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(shè)備完成一些水下大型工程。
“此次我們成功研制出國內(nèi)首套光電復(fù)合型水下濕插拔連接器，將為我國大型深海工程提供關(guān)鍵基礎(chǔ)部件支撐，化解該類產(chǎn)品長期嚴(yán)重依賴國外的風(fēng)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(chǎn)業(yè)化。產(chǎn)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(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)品化過程中完善。”吳國俊說。
《中國科學(xué)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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