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深海光电传输的“避水神器”
原文地址：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2024/1/516881.shtm
在我国四大名著之一《西游记》里，孙悟空有一种神奇的法术叫“避水诀”，第43回写到“（行者）捻了避水诀，分开波浪。”口念此诀进入水中可以畅通无阻。
如今，神话中的情节正在变为现实。由中国科学院西安光学精密机械研究所（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、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说，这套水下湿插拔连接器分为两部分，相当于我们家里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。
“在对接的过程中，要保证光和电的导通，并要保持‘水密’，也就是不能漏水，尤其在深海中。连接成功后，在这种状态下要长期工作，同样要一直保持‘水密’。”吴国俊说。
如何确保连接器在深海中“裸奔”的情况下还能做到滴水不漏？由于连接器中光纤的芯径很小，只有9微米，任何一个水中的悬浮颗粒物都可能会干扰光连接。哪怕误差只有1微米，也会导致光纤的通信损耗很大，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，起到完全“水密”的作用，保证光纤可以从其中一侧顺利通过来，与另外一侧的光纤形成对接。
西安光机所海洋光学技术研究室副主任吴亚风介绍，团队采用了一种充油的方式。“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产生压力平衡，可以避开直接去承受深海的高压。密封腔体充满了硅油也有助于保护光纤和电插芯，不会跟海水直接接触。”吴亚风说。
据介绍，一般水下的大型工程，不像我们平时盖房子可以整体盖起来。水下工程是一块一块“丢”下去。比如铺设海底光电缆时，由于很多时候不只是铺设一条缆，光缆上还会连接很多接驳站、主机站、接驳盒和潜标等装置设备，所以只能分开布放。吴国俊告诉记者：“在布放的过程中，我们可以将带上湿插拔连接器一端插头的部分先布放，另一端后面再放，然后通过湿插拔连接器连接，就能通电来提供能源和信号的采集和传输。如果没有它，我们很多大的深海工程就无法实现。”
在人的指甲盖上放一辆摩托车
相关资料显示，人类在有装备情况下可潜水的最深记录是332米。湿插拔连接器在一千多米深海工作，已远超人力实地接触范围，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，通过简单的动作实现连接。
深海水下操作，难度比在陆地上要大得多。在连接过程中，除了要求“水密”，还需考虑到机械手的插拔力，不能过大。
困难不止于此，确保精度才是深海水下连接要面临的最大难题。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，这就要求操作中要有较大的容余度，可以实现多级的导引，通过简单的操作实现非常精确的对接过程。吴国俊介绍说：“目前实现的过程看起来很简单，机械手只需要抓住连接器，直接‘怼’进去就可以了。实际上在插的过程中有多个动作，只不过通过一个简单的‘推’的过程就全部实现了。”
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，摩擦力也会增加。连接器在水下是个“动密封”的过程，在深海中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，在加压罐中连接器的各方面状态与浅水中完全不同。有一次在做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’。”
得益于之前在模拟实验阶段的“精雕细琢”，连接器在海试中进展顺利，实现了深海1620米的成功插拔及电能、数据传输，目前已经正常运行近三个月。这个深度的压力已经相当于在人的指甲盖上承受一辆中型摩托车的重量，吴国俊和他的团队做到了。
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1个光电复合型水下湿插拔连接器售价达80万元人民币，一项大型深海工程就需要数百个连接器。
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问题，完全能够满足深海工作的需要，实现大数据量光电信号的传输。
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已经处于国际领先地位？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，然后再不断地去完善。
“我们研发的这套湿插拔连接器虽然到目前为止运行一切正常，技术原理也算走通了，一些核心指标也达到了国际先进产品的水平，但不代表可靠性问题就得到了彻底解决。”吴国俊告诉《中国科学报》。
吴国俊团队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要达到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，团队也会在这方面持续研究。
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的大型工程，这其实就是一项“卡脖子”技术。“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。
未来我国海底观测网等海洋探测和海上油气资源、矿产资源等海洋开发领域的应用，湿插拔连接器都不可或缺。例如，海上钻井平台的采油树也是通过连接器来传递信号和能源，在这些方面连接器的使用量非常大。
“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产业化。产生了成果只是放在实验室其实是没有意义的，即使存在不足，可以在产业化产品化过程中去解决和完善。”吴国俊说。
吴国俊（左二）和团队在工作中。
海试布放。
海试布放。
