第十九届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛
2025
省赛
课外学术科技作品竞赛（主体赛）
特等奖
未转化
否
为突破深海光纤连接“卡脖子”难题，团队自主研发了适用于泥沙复杂环境的深海水下插拔光纤连接器。首创前端滚轴同步驱动密封结构，插合损耗低于0.4 dB；独创光纤端子自动径向与轴向补偿机制，实现0.1 μm级高精度对中；整体承压密封能力提升至3000米。该产品成功填补国内空白，达到国际先进水平，已在水下油田开发及军工领域实现应用，获得合作单位的广泛认可与高度评价。
一、 项目背景 （1）国家政策 国家高度重视海洋资源开发，2025年“两会”将“深海科技”列为战略性新兴产业与国家重点发展领域，推动深海经济安全健康发展。突破关键核心技术、实现装备国产化对推进海洋强国建设意义重大。深海通信技术成为战略科技力量竞争的关键，国家对深海资源开发利用愈发重视，尤其在可燃冰开采过程中对关键参数实时传输要求更高。 （2）光纤的优越性 光纤以超宽带宽、低延迟、抗电磁干扰等特性，成为水下油气开发等领域核心信息传输媒介。水下插拔光纤连接器作为深海通信的关键枢纽，其稳定性、密封性与可维护性，直接影响深海工程系统运行。 （3）技术难题与市场困境 目前，水下插拔光纤连接设备面临三大世界级技术难题：动态插拔超低插入损耗控制与防泥沙能力、亚微米级光波导精密对中补偿机制、30MPa高压下长期承压密封。国际产品在我国近海表现不佳，国内仅到常规海域测试阶段。本项目聚焦技术难题，研制出高性能水下插拔光纤连接器，经实测验证、权威测试及海试应用，具备规模化推广能力，突破“卡脖子”限制，推动技术自主可控与国产替代。 二、 产品概述 水下插拔光纤连接器专为水下复杂环境设计，融合先进压力补偿、防泥沙密封和高精度对中技术，可在高水压、强腐蚀、含沙泥微生物等极端条件下实现稳定插拔连接，确保高效准确的数据传输。产品可在水下 3000 米插拔，设计温度 0 - 50℃，插拔二十次以上，光纤插拔损耗小于 0.4dB，满足 0.5 dB标准要求，使用寿命超二十年，拥有四路光纤连接点。 作为国内唯一掌握深海插拔光纤连接器技术的科研技术团队，我们实现了自主知识产权突破，产品在南海成功应用一年，验证了性能、稳定性和持久性。成本优势明显，定价仅为美国同类产品 60%，避免进口受限导致的成本增加与时间延误，同时提供技术支持与维护服务，解决国外产品供应周期长、服务滞后等问题。性能上，部分指标超越美国产品，如可在泥沙环境插拔，采用智能对中插拔技术，对接精度从 1μm 提升到 0.1μm，深海插拔次数从 30 次提升至 100 次，在军事装备领域优势显著，国产化后保密性好，不受美国控制，保障军事装备效能与海防安全，易获国家支持。 本项目面向国家 “深海科技” 战略需求，突破了传统产品在高水压、泥沙干扰下易失效、插拔精度低等关键技术瓶颈，具有重要的科研与工程应用价值。国际主流产品在浑浊水域中密封性能差、光纤对中精度不足，难以满足我国近海复杂环境作业需求，而本项目产品在结构设计、密封可靠性、精密对准能力等方面实现重大突破，具备 3000 米水深的高承压能力、< 0.4 dB 插损与≥48 dB 回波损耗的优异光信号性能、亚微米级自动对中技术，可在含泥沙海域稳定插拔，支持 4 路光纤对接，满足多通道通信需求，已在南海、渤海等海域完成部署，成功应用于深海通信、海底观测、水下机器人等系统，填补了国内技术空白。 在国内，随着我国石油进口依赖度超 70%，陆地油气资源枯竭，开发海洋油气资源刻不容缓，习近平主席强调开发海洋油气，为深海高端装备提供了广阔空间。中美贸易战后，美国的技术产品封锁，也为国产高端装备进入市场创造了条件。渤海湾开发需求旺盛，作为我国海洋油田产量最高区域，老油田资源枯竭，需要先进水下采油设备；中东市场潜力巨大，作为油气主供应基地，受美国制裁影响，部分需求转向中国；俄罗斯市场合作基础良好，其海洋油气开采受制裁影响，俄乌冲突加剧了困境，为中俄合作奠定了基础。全球市场规模不断增长，预计 2035 年全球水下光纤连接器销售市场规模将从 2025 年的 25.4 亿美元增长到 45 亿美元，年复合增长率约 5.89%。中国研发投入增加以及 “一带一路” 倡议的推进，国内市场规模有望翻倍，成为全球增长的重要驱动力。 三、核心技术 本项目重点聚焦于解决水下插拔光纤连接器在深海应用中面临的三大核心技术瓶颈：泥沙环境下的密封防护难题、光纤对接的高精度对中难题以及高水压下的稳定承压难题。针对上述挑战，项目分别提出并实现了滚轴同步驱动密封结构、亚微米级高精度自动对中导向技术以及可承受30 MPa海水压强的柔性压力补偿机制。通过这三项关键技术的协同集成，成功构建出一套具备长期稳定插拔性能和工程适应性的深海光纤连接系统，为复杂深海环境中的光通信连接提供了可靠的技术支撑。 （1）光纤高精度对接补偿结构 在水下复合连接器的光纤对接过程中，为解决因各种误差导致的光纤接头对中和插合力问题，设计了两种关键的补偿结构。 首先是径向对中扶正结构。公、母端光纤接头被包裹在光纤衬套中，以近似悬臂梁的结构安装。由于前端轻微下垂，可能导致公、母端光纤接头对接时存在0-1mm的径向对中误差。为解决这个问题，设计了一种自动径向扶正的缓冲橡胶垫。当母端光纤接头进入光纤对接腔体后，首先进入缓冲橡胶垫的穿越通道。橡胶垫利用自身的弹性对两端光纤接头的径向位置进行扶正，从而提高公、母端光纤接头的对中精度。 其次是轴向插合力补偿结构。为了确保通讯稳定，公、母端光纤接头对接时的插入深度必须适中，过浅或过深都可能导致信号问题。同时，在对接过程中需要避免过大的插合力，以免损伤光纤。然而，水下复合连接器的实际对接通常由液压装置或ROV机器人完成，插合力难以控制。此外，即使存在针对插入深度的限位设计，由于加工误差、实验过程中限位面磨损等因素影响，插入深度也不完全可控。因此，设计了轴向插合力补偿结构，以实现在对接时自动调整光纤接头的插入深度，达到最合适的对接状态。具体设计是在公头光纤衬套尾端增设一个缓冲腔体，当插合力过大时，通过弹簧压缩来缓冲公端光纤接头受力，从而保护光纤免受损伤，并确保对接状态合适。 这两种补偿结构的结合应用，有效提高了光纤对接的精度和稳定性，确保了水下复合连接器在复杂环境下的可靠性能。 （2）滚轴同步驱动密封技术 在光纤通讯领域，为确保光信号远距离、低损耗传输，光纤链路需满足严苛的物理条件。水下复合连接器在泥沙污染严重的海底环境中，光纤连接部分易受影响。为此，我们设计了滚筒密封结构，有效防止海底泥沙和杂质对光纤链路的干扰，并实现水密功能。 滚轴同步驱动密封结构由滚筒、拨片和齿条构成。其原理是通过齿条拨动拨片，带动滚筒旋转，将滚筒表面橡胶皮层上的残留水分和杂质清除，避免它们进入光纤穿越通道，影响传输性能。工作流程分为四个阶段：在对接前，滚筒密封的光纤穿越通道呈90°垂直且封闭，外层橡胶与连接器前端端盖过盈配合，实现非工作状态下的密封；对接过程中，公端前进，滚筒密封贴合，外层橡胶挤压，但滚筒密封尚未接触齿条旋转；当连接器两端滚筒密封上的拨片与齿条接触并咬合时，进入杂质清除的关键阶段，在公头推力作用下，滚筒反向旋转，打开光纤接头穿越通道，同时利用滚动摩擦清除杂质；对接完成时，滚筒密封光纤穿越通道旋转90°后完全打开，光纤接头互相接触并开始传输光信号。 此外，为防止极小杂质未被刮除而进入腔体内，结构设计了二道密封——在滚筒密封光纤穿越通道出口处放置PEEK制方形密封件，与外层橡胶过盈配合，进一步确保杂质不会进入光纤接头穿越通道。 该滚轴同步驱动密封结构在光纤对接全程实现与海水的有效隔离，成功解决了泥沙浑浊海水环境中的安全插拔与低插损连接难题。经多轮测试，插合损耗稳定控制在0.4 dB以下，显著优于国际主流产品，插合损耗仅为后者的约40%，大幅提升了深海复杂环境下光纤连接的可靠性与适应性。本项目提出的水下插拔光纤连接器前端滚轴同步驱动密封结构为国内首创，亦可称为国际领先创新。该结构在光纤对接全过程中实现了与海水的有效隔离，成功攻克了在泥沙浑浊海水环境中实现安全插拔与低插损连接的技术难题。经多轮测试验证，插合损耗稳定控制在0.4 dB 以下，仅为某国际主流产品插合损耗的约 40%，显著提升了深海复杂环境下光纤连接的可靠性与适应性。 （3）深海压力补偿技术 在水下光纤连接器中，为了确保通信信号的稳定传输，所有光纤穿越的通道都采用了严格的密封设计。这种设计导致通道内部的压力与连接器外部的静水压力并不相同，从而形成了一个压差环境。由于不同通道的内径尺寸各异，特别是在光纤尾部，通道内径较为狭窄，与光纤胶皮紧密贴合，这导致了该区域的摩擦力显著大于其他具有较大间隙的通道。在内部压力的持续作用下，这种紧密贴合的状态可能会对光纤产生不利影响。尤其是对于那些直径较小且材质相对脆弱的光纤，它们更容易受到压力的影响。随着压差的增加，这些光纤可能会沿着压力传递的方向逐渐被拉伸，最终在承受不住巨大摩擦力和压力的情况下发生断裂。这种现象不仅会影响光纤的使用寿命，还可能导致通信中断，对水下通信系统的稳定运行构成潜在威胁。 四、创新点 （1）复杂海洋环境下的防泥沙密封技术 本项目原创设计了前端滚轴同步驱动密封结构，可在光纤插拔过程中形成动态密封屏障，有效阻隔海水、泥沙、漂浮颗粒及微生物侵入，实现了对连接界面的全过程保护。实验结果表明，即使在高泥沙浓度的复杂海洋环境中，插合损耗依然稳定控制在0.4 dB以下，展现出优异的环境适应能力与长期稳定性。 （2）亚微米级高精度光纤对中导向技术 本研究突破性地提出并实现了自动径向-轴向补偿机构，实现光纤端子的多维微调对准，突破传统依赖高精度机械加工定位的限制。该技术实现了0.1 μm级别的多点对接精度，显著提升了光信号耦合效率，有效解决了多通道水下低损耗插接的关键技术难题，为高精度光纤系统提供了可靠支撑。 （3）高承压光缆密封结构 本项目自主设计了具备30 MPa耐压能力的光缆密封结构，通过优化缆芯应力缓冲与PU保护层过渡区设计，有效消除了高压水环境下海水沿光纤缝隙渗透的问题。该结构成功解决了海水压入导致光纤腐蚀、短路等失效风险，确保了系统在3000米深海环境中的长期稳定运行。
暂未公开
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