高气密性多芯多径光纤穿壁密封连接器

《高气密性多芯多径光纤穿壁密封连接器》属于航天器光纤通信连接设备技术领域，具体涉及一种用于航天器地面模拟空间环境试验与航天器在轨运行阶段的高气密性低损耗多芯多种直径光纤穿壁密封连接器。

随着中国航天器型号研制要求不断提高，对在地面模拟空间环境下测量航天器的温度与应变，实时监测航天器结构热变形程度、材料损伤程度与在轨进行航天器健康状态诊断的需求已经非常迫切。光纤多参量复合传感技术可以满足大型复杂卫星及大型结构件（如网状天线、桁架结构、太阳翼、机械臂等）地面空间环境试验与在轨健康状态诊断方面的应用需求。

航天器需要在地面空间环境模拟器中完成真空热试验，空间环境模拟器可以模拟太空的高真空热环境。高气密性多芯光纤穿壁密封连接器是解决光纤多参量复合传感技术与光纤通信技术在高真空环境下应用的一大技术难题，主要目的是在保证光纤信号无损传输的同时保持空间环境模拟器内部的高真空度（小于1.0×10^-4帕）与航天器内部的真空度，尤其是载人航天器与空间站内部的大气压力。

因此，设计和发明一种能够适应高真空（小于1.0×10^-4帕）环境的高气密性低损耗多芯多种直径光纤穿壁密封连接器具有积极的现实意义。

图1是示出根据《高气密性多芯多径光纤穿壁密封连接器》的一个示例性实施例的高气密性低损耗多芯多种直径光纤穿壁密封连接器壳体组件立体示意图，其中首端尾罩100、末端尾罩300和内部密封体200处于分离的状态。其中，10为头端锁定机构、11，31均为镂空观察窗、30为尾部锁定机构；

图2是示出根据《高气密性多芯多径光纤穿壁密封连接器》的一个示例性实施例的高气密性低损耗多芯多种直径光纤穿壁密封连接器内部密封体200、空心密封套管22、壳体内部密封圈23、空心螺栓型金属压块21组件立体示意图，其中内部密封体200、空心密封套管22、壳体内部密封圈23、空心螺栓型金属压块21处于连接的状态。其中，24为定位螺孔，26、安装槽底部穿孔；

图3是图2的另一个视角立体示意图。其中，25、壳体外部密封圈。

图4是示出图2所示的内部密封体立体示意图。其中，27、安装凹腔。

2018年12月20日，《高气密性多芯多径光纤穿壁密封连接器》获得第二十届中国专利优秀奖。

如图1至图3所示，高气密性低损耗多芯多种直径光纤穿壁密封连接器，包括胶囊状壳体、空心密封套管22，壳体内部密封圈23，空心螺栓型金属压块21，以及壳体外部密封圈25，胶囊状壳体穿设在航天器舱体壁上或空间环境模拟器壁上并通过壳体外部密封圈25进行密封，胶囊状壳体包括首端尾罩100、末端尾罩300以及首尾分别与两尾罩相互螺接固定的内部密封体200，胶囊状壳体的内部密封体200为中空结构，可供多根多直径光纤并排穿过，在胶囊状壳体内部，每根光纤依次穿过空心密封套管22，壳体内部密封圈23，内部密封体200一侧上的安装槽底部穿孔，将多根多直径光纤并排穿过空心密封套管22、在空心密封套管22内灌装粘性密封材料，形成气密性光纤密封套管，将空心密封套管22、壳体内部密封圈23放入内部密封体200的安装槽内设置的安装凹腔27中，并进行固定；所有光纤的尾端穿过空心螺栓型金属压块，金属压块穿过空心密封套管放入安装凹腔27中，置于壳体内部密封圈的上方端面，通过工具旋转挤压金属压块，压缩内部密封圈，完成空心密封套管22与内部密封体200的气密封，实现光纤在穿舱密封连接器壳体内部的密封。

在一具体的实施方式中，如图1所示，优选在胶囊状壳体的首端尾罩100、末端尾罩300的外部设置突出的头端锁定机构10固定光缆头端，突出的尾部锁定机构30固定光缆尾端。在固定过程中，优选通过图1所示的锁定机构两侧的镂空观察窗11和31可以观察壳体头端与尾端内部光纤紧固形态防止线缆间弯曲缠绕，避免光纤弯曲曲率和弯曲所导致的信号损耗，

图2是示出根据《高气密性多芯多径光纤穿壁密封连接器》的一个示例性实施例的高气密性低损耗多芯多种直径光纤穿壁密封连接器内部密封体200、空心密封套管22、壳体内部密封圈23、空心螺栓型金属压块21组件立体示意图，其中内部密封体200、空心密封套管22、壳体内部密封圈23、空心螺栓型金属压块21处于连接的状态。其中光缆内部每根光纤依次穿过空心密封套管22，壳体内部密封圈23，内部密封体安装槽底部穿孔26（参见图1），将多根多直径光纤并排穿过空心密封套管22、在空心密封管内灌装粘性密封材料，形成气密性光纤密封套管。然后，光纤依次穿过壳体内部密封圈23和胶囊状壳体的内部密封体200，将空心密封套管22、壳体内部密封圈23放入内部密封体200的安装凹腔27中并进行固定。

所有光纤的尾端穿过空心螺栓型金属压块21，金属压块21穿过空心密封套管22放入壳体内部安装凹腔27中，置于壳体内部密封圈23的上方端面，通过工具旋转挤压空心螺栓型金属压块21，压缩内部密封圈23，完成密封套管22与内部密封体200的气密封，实现光纤在穿舱密封连接器壳体内部的密封。

然后，将光纤穿过首端尾罩100、末端尾罩300，将光纤与胶囊状壳体组合为高气密性低损耗多芯多种直径光纤穿壁密封连接器。

最后将光缆穿过器壁法兰，将连接器壳体用螺母和图2所示的定位螺孔24固定在法兰上，通过壳体外部密封圈25（参见图3）实现光纤穿舱密封连接器壳体与航天器舱体之间的舱体壁法兰进行密封。

在一具体实施方式中，内部密封体200的安装槽内设置有反凸字形的安装凹腔27（参见图3），将空心密封套管22、壳体内部密封圈23放入安装凹腔27中并进行固定。空心密封套管22的直径小于壳体内部密封圈23的直径和安装凹腔27底部穿孔的直径，空心密封套管22穿过壳体内部密封圈23和内部密封体安装凹腔27底部穿孔，壳体内部密封圈23的直径小于内部密封体安装凹腔27的直径，大于安装凹腔27底部穿孔的直径，以使其卡设在安装凹腔27的内壁上。

优选地，空心密封套管22的直径小于空心螺栓型金属压块21直径，金属压块21穿过空心密封套管放入壳体内部安装凹腔27中，置于壳体内部密封圈23上方端面，通过工具旋转挤压空心螺栓型金属压块21，压缩内部密封圈23，完成密封套管与内部密封体的气密封。

《高气密性多芯多径光纤穿壁密封连接器》解决了光纤连接器的高气密性（泄漏率＜1.0×10^-7帕·升/秒）密封连接技术难题，实现了光纤传感系统电器件放置于容器外部免受容器内部高真空度与超低温（温度＜-190℃）环境影响而无法正常工作，只有无电器件（光纤传感器与传输光纤）放置于容器内部，并且该连接器可工作在真空（＜1.0×10^-4帕）热环境（-200℃～200℃），已经在多个型号真空热试验中使用，结果表明：该光纤连接器实现了保证光纤信号无损传输的同时保持空间环境模拟器内部的高真空度与航天器内部的真空度，并且机械性能稳定，保障了航天器地面光纤力热测试综合试验24小时连续可靠运行，满足型号需求。

高气密性多芯多径光纤穿壁密封连接器专利目的

《高气密性多芯多径光纤穿壁密封连接器》要解决的技术问题是要提供一种能够适应高真空环境的高气密性低损耗多芯多种直径光纤穿壁密封连接器，旨在保证光纤信号无损传输的同时保持空间环境模拟器内部的高真空度与航天器内部的真空度。

高气密性多芯多径光纤穿壁密封连接器技术方案

《高气密性多芯多径光纤穿壁密封连接器》采用的技术方案如下：

高气密性多芯多种直径光纤穿壁密封连接器，包括胶囊状壳体、空心密封套管，壳体内部密封圈，空心螺栓型金属压块，以及壳体外部密封圈，胶囊状壳体穿设在航天器舱体壁上或空间环境模拟器壁上并通过壳体外部密封圈进行密封，胶囊状壳体包括首端尾罩、末端尾罩以及首尾分别与两尾罩相互螺接固定的内部密封体，胶囊状壳体的内部密封体为中空结构，可供多根多直径光纤并排穿过，在胶囊状壳体内部，每根光纤依次穿过空心密封套管，壳体内部密封圈，内部密封体一侧上的安装槽底部穿孔，将多根多直径光纤并排穿过空心密封套管、在空心密封套管内灌装粘性密封材料，形成气密性光纤密封套管，将空心密封套管、壳体内部密封圈放入内部密封体的安装槽内设置的安装凹腔中，并进行固定；所有光纤的尾端穿过空心螺栓型金属压块，金属压块穿过空心密封套管放入安装凹腔中，置于壳体内部密封圈的上方端面，通过工具旋转挤压金属压块，压缩内部密封圈，完成空心密封套管与内部密封体的气密封，实现光纤在穿舱密封连接器壳体内部的密封。

其中，内部密封体的安装槽内设置有反凸字形的安装凹腔，将空心密封套管、壳体内部密封圈放入安装凹腔中并进行固定。

其中，空心密封套管的直径小于壳体内部密封圈的直径和安装凹腔底部穿孔的直径，空心密封套管穿过壳体内部密封圈和内部密封体安装凹腔底部穿孔，壳体内部密封圈的直径小于内部密封体安装凹腔的直径，大于安装凹腔底部穿孔的直径，以使其卡设在安装凹腔的内壁上。

其中，空心密封套管的直径小于空心螺栓型金属压块直径，金属压块穿过空心密封套管放入壳体内部安装凹腔中，置于壳体内部密封圈上方端面，通过工具旋转挤压空心螺栓型金属压块，压缩内部密封圈，完成密封套管与内部密封体的气密封。

其中，胶囊状壳体通过螺母，机械固定到舱体壁法兰上。

其中，尾罩侧壁上均设置有镂空观察窗，所述镂空观察窗用于观察壳体内部光纤紧固形态防止光缆线间弯曲缠绕。

其中，首端尾罩、末端尾罩的外部分别设置突出的头端锁定机构和尾端锁定机构以分别固定光缆头端和光缆尾端。

高气密性多芯多径光纤穿壁密封连接器改善效果

《高气密性多芯多径光纤穿壁密封连接器》的连接器具有高气密性、零部件可互换性、机械结构简单、低损耗、多直径光纤适用等优点，解决了光纤连接器的高气密性（泄漏率＜1.0×10^-7帕·升/秒）低损耗多种类多直径多芯光纤密封连接技术难题。利用该连接器可以实现只有光纤传感系统无电器件（光纤传感器与传输光纤）放置于容器内，带电器件放置于容器外，免受容器内部高真空度与超低温（温度＜-190℃）环境影响。该连接器尺寸适配空间环境模拟器壁法兰电接口尺寸，可实现光纤连接器与电连接器互换，无需为光纤连接器单独制作模拟器壁法兰，实现试件上传感器端到模拟器外光纤链路的接口标准化，并不损伤光纤的插入损耗和回波损耗光学性能指标，实现光学信号的无损传输，机械性能稳定，并且，该光纤连接器也可应用航天器在轨运行阶段，既保证光纤信号无损传输的同时保证航天器内部真空度。

1.高气密性多芯多种直径光纤穿壁密封的连接器，包括胶囊状壳体、空心密封套管，壳体内部密封圈，空心螺栓型金属压块，以及壳体外部密封圈，胶囊状壳体穿设在航天器舱体壁上或空间环境模拟器壁上并通过壳体外部密封圈进行密封，胶囊状壳体包括首端尾罩、末端尾罩以及首尾分别与两尾罩相互螺接固定的内部密封体，胶囊状壳体的内部密封体为中空结构，可供多根多直径光纤并排穿过，在胶囊状壳体内部，每根光纤依次穿过空心密封套管、壳体内部密封圈；其中，内部密封体一侧上的安装槽底部设置穿孔，以将多根多直径光纤并排穿过空心密封套管，在空心密封套管内灌装粘性密封材料，形成气密性光纤密封套管，将空心密封套管、壳体内部密封圈放入内部密封体的安装槽内设置的安装凹腔中，并进行固定；所有光纤的尾端穿过空心螺栓型金属压块，金属压块穿过空心密封套管放入安装凹腔中，置于壳体内部密封圈的上方端面，通过工具旋转挤压金属压块，压缩内部密封圈，完成空心密封套管与内部密封体的气密封，实现光纤在穿舱密封连接器壳体内部的密封；胶囊状壳体通过螺母，机械固定到舱体壁法兰上。

2.如权利要求1所述的连接器，其中，内部密封体的安装槽内设置有反凸字形的安装凹腔，将空心密封套管、壳体内部密封圈放入安装凹腔中并进行固定。

3.如权利要求1所述的连接器，其中，空心密封套管的直径小于壳体内部密封圈的直径和安装凹腔底部穿孔的直径，空心密封套管穿过壳体内部密封圈和内部密封体安装凹腔底部穿孔，壳体内部密封圈的直径小于内部密封体安装凹腔的直径，大于安装凹腔底部穿孔的直径，以使其卡设在安装凹腔的内壁上。

4.如权利要求3所述的连接器，其中，空心密封套管的直径小于空心螺栓型金属压块直径，金属压块穿过空心密封套管放入壳体内部安装凹腔中，置于壳体内部密封圈上方端面，通过工具旋转挤压空心螺栓型金属压块，压缩内部密封圈，完成密封套管与内部密封体的气密封。

5.如权利要求1-4任一项所述的连接器，其中，尾罩侧壁上均设置有镂空观察窗，所述镂空观察窗用于观察壳体内部光纤紧固形态防止光缆线间弯曲缠绕。

6.如权利要求1-4任一项所述的连接器，其中，首端尾罩、末端尾罩的外部分别设置突出的头端锁定机构和尾端锁定机构以分别固定光缆头端和光缆尾端。

光纤结构的不同决定了多芯光纤输出不同的超模,多芯光纤超模模场分布和传输特性是多芯光纤研究和应用中最重要的问题。关于多芯光纤的超模模场分布的研究及理论分析已经有大量文献分析过,分析结果表明多芯光纤的输出模式是含有多个超级模式的混合模。

最常釆用的分析多芯光纤激光器的不同模式的理论是耦合模理论(Coupled, mode theory, CMT) 亲合模理论可以对纤芯之间的亲合过程进行解析的模拟仿真。如果多芯光纤各纤芯之间的亲合较强的话,可以用多模干涉法(Multimode Interference,对其进行分析。另外常用的有限元分析法(Finite element method, FEM)求解多芯光纤中传导的超模可以获得很髙的精确度,。此外还有基于有限差分光束传输法(Beam propagationmetllod, 的数谭方法吾模理论具有可行性和精确性等优点,适用于分析多芯的光纤结构,前面已经提到过它一般只适用于弱称合的情形,如果配合使用矢量亲合模理论(VCMT)可以获得更高精度的求解结果。已有可以模拟多芯光纤模场分布的软件Cortisol、Rsoft、BeamPROP等,这些软件可直接用来进行多芯光纤中模式传导的模拟。.

多芯光纤拉制的工艺主要有两种:一种是在芯层玻璃的棒体上套上外包层的玻璃管,之后送入乳高温炉软化拉制成光纤;另一种是用预制棒直接在高温炉中加温软化拉制出光纤。

多芯光纤制作工艺与标准单芯光纤不同;主要有两种制作技术;第一种是多芯光纤嵌入光纤预制棒制作技术,此方法除了预制棒制作工艺不同外,其光纤拉制方法与普通标准光纤的拉制过程相同,第二种称为多相祸技术,每一个纤芯都是由独立的内坦祸中引出,纤芯的数目及对应位置分布通过纤芯内it祸来加以调整,外谢祸引出的是包层材料,这样多个内琳祸引出的被外播祸引出的包层包裹,共同拉出的即是所谓的多芯光纤。

此外还有介绍的一种是光子晶体光纤(Multicore photonic crystal fiber)它是一种常见的多芯光纤,制作多芯光子晶体光纤的方法与制作单模光子晶体光纤的(PCF)方法一样,都是先钻孔后堆积的制造,唯一不同之处在于预制棒横截面结构的设计,通过改变纤芯的位置分布或改变空气孔的比例可以获得具有不同亲合度的多芯光纤。