高氣密性多芯多徑光纖穿壁密封連接器

《高氣密性多芯多徑光纖穿壁密封連接器》屬于航天器光纖通信連接設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于航天器地面模擬空間環(huán)境試驗與航天器在軌運行階段的高氣密性低損耗多芯多種直徑光纖穿壁密封連接器。

隨著中國航天器型號研制要求不斷提高，對在地面模擬空間環(huán)境下測量航天器的溫度與應變，實時監(jiān)測航天器結(jié)構(gòu)熱變形程度、材料損傷程度與在軌進行航天器健康狀態(tài)診斷的需求已經(jīng)非常迫切。光纖多參量復合傳感技術(shù)可以滿足大型復雜衛(wèi)星及大型結(jié)構(gòu)件（如網(wǎng)狀天線、桁架結(jié)構(gòu)、太陽翼、機械臂等）地面空間環(huán)境試驗與在軌健康狀態(tài)診斷方面的應用需求。

航天器需要在地面空間環(huán)境模擬器中完成真空熱試驗，空間環(huán)境模擬器可以模擬太空的高真空熱環(huán)境。高氣密性多芯光纖穿壁密封連接器是解決光纖多參量復合傳感技術(shù)與光纖通信技術(shù)在高真空環(huán)境下應用的一大技術(shù)難題，主要目的是在保證光纖信號無損傳輸?shù)耐瑫r保持空間環(huán)境模擬器內(nèi)部的高真空度（小于1.0×10^-4帕）與航天器內(nèi)部的真空度，尤其是載人航天器與空間站內(nèi)部的大氣壓力。

因此，設(shè)計和發(fā)明一種能夠適應高真空（小于1.0×10^-4帕）環(huán)境的高氣密性低損耗多芯多種直徑光纖穿壁密封連接器具有積極的現(xiàn)實意義。

圖1是示出根據(jù)《高氣密性多芯多徑光纖穿壁密封連接器》的一個示例性實施例的高氣密性低損耗多芯多種直徑光纖穿壁密封連接器殼體組件立體示意圖，其中首端尾罩100、末端尾罩300和內(nèi)部密封體200處于分離的狀態(tài)。其中，10為頭端鎖定機構(gòu)、11，31均為鏤空觀察窗、30為尾部鎖定機構(gòu)；

圖2是示出根據(jù)《高氣密性多芯多徑光纖穿壁密封連接器》的一個示例性實施例的高氣密性低損耗多芯多種直徑光纖穿壁密封連接器內(nèi)部密封體200、空心密封套管22、殼體內(nèi)部密封圈23、空心螺栓型金屬壓塊21組件立體示意圖，其中內(nèi)部密封體200、空心密封套管22、殼體內(nèi)部密封圈23、空心螺栓型金屬壓塊21處于連接的狀態(tài)。其中，24為定位螺孔，26、安裝槽底部穿孔；

圖3是圖2的另一個視角立體示意圖。其中，25、殼體外部密封圈。

圖4是示出圖2所示的內(nèi)部密封體立體示意圖。其中，27、安裝凹腔。

2018年12月20日，《高氣密性多芯多徑光纖穿壁密封連接器》獲得第二十屆中國專利優(yōu)秀獎。

如圖1至圖3所示，高氣密性低損耗多芯多種直徑光纖穿壁密封連接器，包括膠囊狀殼體、空心密封套管22，殼體內(nèi)部密封圈23，空心螺栓型金屬壓塊21，以及殼體外部密封圈25，膠囊狀殼體穿設(shè)在航天器艙體壁上或空間環(huán)境模擬器壁上并通過殼體外部密封圈25進行密封，膠囊狀殼體包括首端尾罩100、末端尾罩300以及首尾分別與兩尾罩相互螺接固定的內(nèi)部密封體200，膠囊狀殼體的內(nèi)部密封體200為中空結(jié)構(gòu)，可供多根多直徑光纖并排穿過，在膠囊狀殼體內(nèi)部，每根光纖依次穿過空心密封套管22，殼體內(nèi)部密封圈23，內(nèi)部密封體200一側(cè)上的安裝槽底部穿孔，將多根多直徑光纖并排穿過空心密封套管22、在空心密封套管22內(nèi)灌裝粘性密封材料，形成氣密性光纖密封套管，將空心密封套管22、殼體內(nèi)部密封圈23放入內(nèi)部密封體200的安裝槽內(nèi)設(shè)置的安裝凹腔27中，并進行固定；所有光纖的尾端穿過空心螺栓型金屬壓塊，金屬壓塊穿過空心密封套管放入安裝凹腔27中，置于殼體內(nèi)部密封圈的上方端面，通過工具旋轉(zhuǎn)擠壓金屬壓塊，壓縮內(nèi)部密封圈，完成空心密封套管22與內(nèi)部密封體200的氣密封，實現(xiàn)光纖在穿艙密封連接器殼體內(nèi)部的密封。

在一具體的實施方式中，如圖1所示，優(yōu)選在膠囊狀殼體的首端尾罩100、末端尾罩300的外部設(shè)置突出的頭端鎖定機構(gòu)10固定光纜頭端，突出的尾部鎖定機構(gòu)30固定光纜尾端。在固定過程中，優(yōu)選通過圖1所示的鎖定機構(gòu)兩側(cè)的鏤空觀察窗11和31可以觀察殼體頭端與尾端內(nèi)部光纖緊固形態(tài)防止線纜間彎曲纏繞，避免光纖彎曲曲率和彎曲所導致的信號損耗，

圖2是示出根據(jù)《高氣密性多芯多徑光纖穿壁密封連接器》的一個示例性實施例的高氣密性低損耗多芯多種直徑光纖穿壁密封連接器內(nèi)部密封體200、空心密封套管22、殼體內(nèi)部密封圈23、空心螺栓型金屬壓塊21組件立體示意圖，其中內(nèi)部密封體200、空心密封套管22、殼體內(nèi)部密封圈23、空心螺栓型金屬壓塊21處于連接的狀態(tài)。其中光纜內(nèi)部每根光纖依次穿過空心密封套管22，殼體內(nèi)部密封圈23，內(nèi)部密封體安裝槽底部穿孔26（參見圖1），將多根多直徑光纖并排穿過空心密封套管22、在空心密封管內(nèi)灌裝粘性密封材料，形成氣密性光纖密封套管。然后，光纖依次穿過殼體內(nèi)部密封圈23和膠囊狀殼體的內(nèi)部密封體200，將空心密封套管22、殼體內(nèi)部密封圈23放入內(nèi)部密封體200的安裝凹腔27中并進行固定。

所有光纖的尾端穿過空心螺栓型金屬壓塊21，金屬壓塊21穿過空心密封套管22放入殼體內(nèi)部安裝凹腔27中，置于殼體內(nèi)部密封圈23的上方端面，通過工具旋轉(zhuǎn)擠壓空心螺栓型金屬壓塊21，壓縮內(nèi)部密封圈23，完成密封套管22與內(nèi)部密封體200的氣密封，實現(xiàn)光纖在穿艙密封連接器殼體內(nèi)部的密封。

然后，將光纖穿過首端尾罩100、末端尾罩300，將光纖與膠囊狀殼體組合為高氣密性低損耗多芯多種直徑光纖穿壁密封連接器。

最后將光纜穿過器壁法蘭，將連接器殼體用螺母和圖2所示的定位螺孔24固定在法蘭上，通過殼體外部密封圈25（參見圖3）實現(xiàn)光纖穿艙密封連接器殼體與航天器艙體之間的艙體壁法蘭進行密封。

在一具體實施方式中，內(nèi)部密封體200的安裝槽內(nèi)設(shè)置有反凸字形的安裝凹腔27（參見圖3），將空心密封套管22、殼體內(nèi)部密封圈23放入安裝凹腔27中并進行固定?？招拿芊馓坠?2的直徑小于殼體內(nèi)部密封圈23的直徑和安裝凹腔27底部穿孔的直徑，空心密封套管22穿過殼體內(nèi)部密封圈23和內(nèi)部密封體安裝凹腔27底部穿孔，殼體內(nèi)部密封圈23的直徑小于內(nèi)部密封體安裝凹腔27的直徑，大于安裝凹腔27底部穿孔的直徑，以使其卡設(shè)在安裝凹腔27的內(nèi)壁上。

優(yōu)選地，空心密封套管22的直徑小于空心螺栓型金屬壓塊21直徑，金屬壓塊21穿過空心密封套管放入殼體內(nèi)部安裝凹腔27中，置于殼體內(nèi)部密封圈23上方端面，通過工具旋轉(zhuǎn)擠壓空心螺栓型金屬壓塊21，壓縮內(nèi)部密封圈23，完成密封套管與內(nèi)部密封體的氣密封。

《高氣密性多芯多徑光纖穿壁密封連接器》解決了光纖連接器的高氣密性（泄漏率＜1.0×10^-7帕·升/秒）密封連接技術(shù)難題，實現(xiàn)了光纖傳感系統(tǒng)電器件放置于容器外部免受容器內(nèi)部高真空度與超低溫（溫度＜-190℃）環(huán)境影響而無法正常工作，只有無電器件（光纖傳感器與傳輸光纖）放置于容器內(nèi)部，并且該連接器可工作在真空（＜1.0×10^-4帕）熱環(huán)境（-200℃～200℃），已經(jīng)在多個型號真空熱試驗中使用，結(jié)果表明：該光纖連接器實現(xiàn)了保證光纖信號無損傳輸?shù)耐瑫r保持空間環(huán)境模擬器內(nèi)部的高真空度與航天器內(nèi)部的真空度，并且機械性能穩(wěn)定，保障了航天器地面光纖力熱測試綜合試驗24小時連續(xù)可靠運行，滿足型號需求。

高氣密性多芯多徑光纖穿壁密封連接器專利目的

《高氣密性多芯多徑光纖穿壁密封連接器》要解決的技術(shù)問題是要提供一種能夠適應高真空環(huán)境的高氣密性低損耗多芯多種直徑光纖穿壁密封連接器，旨在保證光纖信號無損傳輸?shù)耐瑫r保持空間環(huán)境模擬器內(nèi)部的高真空度與航天器內(nèi)部的真空度。

高氣密性多芯多徑光纖穿壁密封連接器技術(shù)方案

《高氣密性多芯多徑光纖穿壁密封連接器》采用的技術(shù)方案如下：

高氣密性多芯多種直徑光纖穿壁密封連接器，包括膠囊狀殼體、空心密封套管，殼體內(nèi)部密封圈，空心螺栓型金屬壓塊，以及殼體外部密封圈，膠囊狀殼體穿設(shè)在航天器艙體壁上或空間環(huán)境模擬器壁上并通過殼體外部密封圈進行密封，膠囊狀殼體包括首端尾罩、末端尾罩以及首尾分別與兩尾罩相互螺接固定的內(nèi)部密封體，膠囊狀殼體的內(nèi)部密封體為中空結(jié)構(gòu)，可供多根多直徑光纖并排穿過，在膠囊狀殼體內(nèi)部，每根光纖依次穿過空心密封套管，殼體內(nèi)部密封圈，內(nèi)部密封體一側(cè)上的安裝槽底部穿孔，將多根多直徑光纖并排穿過空心密封套管、在空心密封套管內(nèi)灌裝粘性密封材料，形成氣密性光纖密封套管，將空心密封套管、殼體內(nèi)部密封圈放入內(nèi)部密封體的安裝槽內(nèi)設(shè)置的安裝凹腔中，并進行固定；所有光纖的尾端穿過空心螺栓型金屬壓塊，金屬壓塊穿過空心密封套管放入安裝凹腔中，置于殼體內(nèi)部密封圈的上方端面，通過工具旋轉(zhuǎn)擠壓金屬壓塊，壓縮內(nèi)部密封圈，完成空心密封套管與內(nèi)部密封體的氣密封，實現(xiàn)光纖在穿艙密封連接器殼體內(nèi)部的密封。

其中，內(nèi)部密封體的安裝槽內(nèi)設(shè)置有反凸字形的安裝凹腔，將空心密封套管、殼體內(nèi)部密封圈放入安裝凹腔中并進行固定。

其中，空心密封套管的直徑小于殼體內(nèi)部密封圈的直徑和安裝凹腔底部穿孔的直徑，空心密封套管穿過殼體內(nèi)部密封圈和內(nèi)部密封體安裝凹腔底部穿孔，殼體內(nèi)部密封圈的直徑小于內(nèi)部密封體安裝凹腔的直徑，大于安裝凹腔底部穿孔的直徑，以使其卡設(shè)在安裝凹腔的內(nèi)壁上。

其中，空心密封套管的直徑小于空心螺栓型金屬壓塊直徑，金屬壓塊穿過空心密封套管放入殼體內(nèi)部安裝凹腔中，置于殼體內(nèi)部密封圈上方端面，通過工具旋轉(zhuǎn)擠壓空心螺栓型金屬壓塊，壓縮內(nèi)部密封圈，完成密封套管與內(nèi)部密封體的氣密封。

其中，膠囊狀殼體通過螺母，機械固定到艙體壁法蘭上。

其中，尾罩側(cè)壁上均設(shè)置有鏤空觀察窗，所述鏤空觀察窗用于觀察殼體內(nèi)部光纖緊固形態(tài)防止光纜線間彎曲纏繞。

其中，首端尾罩、末端尾罩的外部分別設(shè)置突出的頭端鎖定機構(gòu)和尾端鎖定機構(gòu)以分別固定光纜頭端和光纜尾端。

高氣密性多芯多徑光纖穿壁密封連接器改善效果

《高氣密性多芯多徑光纖穿壁密封連接器》的連接器具有高氣密性、零部件可互換性、機械結(jié)構(gòu)簡單、低損耗、多直徑光纖適用等優(yōu)點，解決了光纖連接器的高氣密性（泄漏率＜1.0×10^-7帕·升/秒）低損耗多種類多直徑多芯光纖密封連接技術(shù)難題。利用該連接器可以實現(xiàn)只有光纖傳感系統(tǒng)無電器件（光纖傳感器與傳輸光纖）放置于容器內(nèi)，帶電器件放置于容器外，免受容器內(nèi)部高真空度與超低溫（溫度＜-190℃）環(huán)境影響。該連接器尺寸適配空間環(huán)境模擬器壁法蘭電接口尺寸，可實現(xiàn)光纖連接器與電連接器互換，無需為光纖連接器單獨制作模擬器壁法蘭，實現(xiàn)試件上傳感器端到模擬器外光纖鏈路的接口標準化，并不損傷光纖的插入損耗和回波損耗光學性能指標，實現(xiàn)光學信號的無損傳輸，機械性能穩(wěn)定，并且，該光纖連接器也可應用航天器在軌運行階段，既保證光纖信號無損傳輸?shù)耐瑫r保證航天器內(nèi)部真空度。

1.高氣密性多芯多種直徑光纖穿壁密封的連接器，包括膠囊狀殼體、空心密封套管，殼體內(nèi)部密封圈，空心螺栓型金屬壓塊，以及殼體外部密封圈，膠囊狀殼體穿設(shè)在航天器艙體壁上或空間環(huán)境模擬器壁上并通過殼體外部密封圈進行密封，膠囊狀殼體包括首端尾罩、末端尾罩以及首尾分別與兩尾罩相互螺接固定的內(nèi)部密封體，膠囊狀殼體的內(nèi)部密封體為中空結(jié)構(gòu)，可供多根多直徑光纖并排穿過，在膠囊狀殼體內(nèi)部，每根光纖依次穿過空心密封套管、殼體內(nèi)部密封圈；其中，內(nèi)部密封體一側(cè)上的安裝槽底部設(shè)置穿孔，以將多根多直徑光纖并排穿過空心密封套管，在空心密封套管內(nèi)灌裝粘性密封材料，形成氣密性光纖密封套管，將空心密封套管、殼體內(nèi)部密封圈放入內(nèi)部密封體的安裝槽內(nèi)設(shè)置的安裝凹腔中，并進行固定；所有光纖的尾端穿過空心螺栓型金屬壓塊，金屬壓塊穿過空心密封套管放入安裝凹腔中，置于殼體內(nèi)部密封圈的上方端面，通過工具旋轉(zhuǎn)擠壓金屬壓塊，壓縮內(nèi)部密封圈，完成空心密封套管與內(nèi)部密封體的氣密封，實現(xiàn)光纖在穿艙密封連接器殼體內(nèi)部的密封；膠囊狀殼體通過螺母，機械固定到艙體壁法蘭上。

2.如權(quán)利要求1所述的連接器，其中，內(nèi)部密封體的安裝槽內(nèi)設(shè)置有反凸字形的安裝凹腔，將空心密封套管、殼體內(nèi)部密封圈放入安裝凹腔中并進行固定。

3.如權(quán)利要求1所述的連接器，其中，空心密封套管的直徑小于殼體內(nèi)部密封圈的直徑和安裝凹腔底部穿孔的直徑，空心密封套管穿過殼體內(nèi)部密封圈和內(nèi)部密封體安裝凹腔底部穿孔，殼體內(nèi)部密封圈的直徑小于內(nèi)部密封體安裝凹腔的直徑，大于安裝凹腔底部穿孔的直徑，以使其卡設(shè)在安裝凹腔的內(nèi)壁上。

4.如權(quán)利要求3所述的連接器，其中，空心密封套管的直徑小于空心螺栓型金屬壓塊直徑，金屬壓塊穿過空心密封套管放入殼體內(nèi)部安裝凹腔中，置于殼體內(nèi)部密封圈上方端面，通過工具旋轉(zhuǎn)擠壓空心螺栓型金屬壓塊，壓縮內(nèi)部密封圈，完成密封套管與內(nèi)部密封體的氣密封。

5.如權(quán)利要求1-4任一項所述的連接器，其中，尾罩側(cè)壁上均設(shè)置有鏤空觀察窗，所述鏤空觀察窗用于觀察殼體內(nèi)部光纖緊固形態(tài)防止光纜線間彎曲纏繞。

6.如權(quán)利要求1-4任一項所述的連接器，其中，首端尾罩、末端尾罩的外部分別設(shè)置突出的頭端鎖定機構(gòu)和尾端鎖定機構(gòu)以分別固定光纜頭端和光纜尾端。

光纖結(jié)構(gòu)的不同決定了多芯光纖輸出不同的超模,多芯光纖超模模場分布和傳輸特性是多芯光纖研究和應用中最重要的問題。關(guān)于多芯光纖的超模模場分布的研究及理論分析已經(jīng)有大量文獻分析過,分析結(jié)果表明多芯光纖的輸出模式是含有多個超級模式的混合模。

最常釆用的分析多芯光纖激光器的不同模式的理論是耦合模理論(Coupled, mode theory, CMT) 親合模理論可以對纖芯之間的親合過程進行解析的模擬仿真。如果多芯光纖各纖芯之間的親合較強的話,可以用多模干涉法(Multimode Interference,對其進行分析。另外常用的有限元分析法(Finite element method, FEM)求解多芯光纖中傳導的超?？梢垣@得很髙的精確度,。此外還有基于有限差分光束傳輸法(Beam propagationmetllod, 的數(shù)譚方法吾模理論具有可行性和精確性等優(yōu)點,適用于分析多芯的光纖結(jié)構(gòu),前面已經(jīng)提到過它一般只適用于弱稱合的情形,如果配合使用矢量親合模理論(VCMT)可以獲得更高精度的求解結(jié)果。已有可以模擬多芯光纖模場分布的軟件Cortisol、Rsoft、BeamPROP等,這些軟件可直接用來進行多芯光纖中模式傳導的模擬。.

多芯光纖拉制的工藝主要有兩種:一種是在芯層玻璃的棒體上套上外包層的玻璃管,之后送入乳高溫爐軟化拉制成光纖;另一種是用預制棒直接在高溫爐中加溫軟化拉制出光纖。

多芯光纖制作工藝與標準單芯光纖不同;主要有兩種制作技術(shù);第一種是多芯光纖嵌入光纖預制棒制作技術(shù),此方法除了預制棒制作工藝不同外,其光纖拉制方法與普通標準光纖的拉制過程相同,第二種稱為多相禍技術(shù),每一個纖芯都是由獨立的內(nèi)坦禍中引出,纖芯的數(shù)目及對應位置分布通過纖芯內(nèi)it禍來加以調(diào)整,外謝禍引出的是包層材料,這樣多個內(nèi)琳禍引出的被外播禍引出的包層包裹,共同拉出的即是所謂的多芯光纖。

此外還有介紹的一種是光子晶體光纖(Multicore photonic crystal fiber)它是一種常見的多芯光纖,制作多芯光子晶體光纖的方法與制作單模光子晶體光纖的(PCF)方法一樣,都是先鉆孔后堆積的制造,唯一不同之處在于預制棒橫截面結(jié)構(gòu)的設(shè)計,通過改變纖芯的位置分布或改變空氣孔的比例可以獲得具有不同親合度的多芯光纖。