NASA使用3D打印技術(shù)制造更加經(jīng)濟(jì)高效衛(wèi)星通信天線

2025年1月24日，南極熊獲悉，美國宇航局（NASA）開發(fā)并成功測試了一款3D打印天線，旨在展示一種低成本、高效的方法，用于向地球傳輸科學(xué)數(shù)據(jù)。這項(xiàng)新技術(shù)為科學(xué)和探索任務(wù)開辟了使用經(jīng)濟(jì)高效解決方案的可能性。

3D打印天線

通過3D打印技術(shù)NASA能夠在幾小時(shí)內(nèi)設(shè)計(jì)和打印氣球天線。在實(shí)驗(yàn)過程中，團(tuán)隊(duì)使用了Fortify提供的打印機(jī)和導(dǎo)電油墨來打印天線的導(dǎo)電部分，這使得他們能夠完全控制標(biāo)準(zhǔn)3D打印工藝無法實(shí)現(xiàn)的幾種電磁和機(jī)械特性。

工程師們設(shè)計(jì)并制造了一個(gè)3D打印的磁電偶極天線，用于搭載在氣象氣球上進(jìn)行飛行測試。這種偶極天線，具備兩個(gè)“極點(diǎn)”，輻射模式呈現(xiàn)甜甜圈形狀。天線的關(guān)鍵部分由低電阻、可調(diào)性和陶瓷填充的聚合物材料制成。

△NASA的3D打印天線進(jìn)行測試

測試階段

完成制造后，3D打印天線在位于馬里蘭州格林貝爾特的戈達(dá)德太空飛行中心的電磁消聲室中進(jìn)行了組裝和測試。

消聲室是戈達(dá)德最安靜的房間之一，它是一個(gè)屏蔽空間，既可防止外部電磁波的干擾，又可抑制內(nèi)部電磁波的外泄。這個(gè)房間消除了電磁波的回聲和反射，模擬了太空的相對“安靜”環(huán)境。

為了準(zhǔn)備測試，美國宇航局實(shí)習(xí)生Alex Moricette將天線安裝在消聲室的桅桿上。天線開發(fā)團(tuán)隊(duì)利用消聲室在類似太空的環(huán)境中測試性能。之后，美國宇航局的天線工程師在德克薩斯州巴勒斯坦的美國宇航局哥倫比亞科學(xué)氣球設(shè)施進(jìn)行了升空前的最后現(xiàn)場測試。

該團(tuán)隊(duì)與近空間網(wǎng)絡(luò)的中繼艦隊(duì)協(xié)調(diào)，測試了3D打印天線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的能力。

他們通過向3D打印天線和氣球計(jì)劃的通信系統(tǒng)（使用標(biāo)準(zhǔn)衛(wèi)星天線）發(fā)送信號以及從中接收信號來監(jiān)控性能。兩種天線都在不同的角度和高度進(jìn)行了測試。通過將3D打印天線與標(biāo)準(zhǔn)天線進(jìn)行比較，為最佳性能建立了基準(zhǔn)。

△在另一個(gè)項(xiàng)目中，一種可以循環(huán)使用材料的3D打印天線示意

測試結(jié)果

在飛行過程中，攜帶3D打印天線的氣象氣球在10萬英尺高空進(jìn)行了環(huán)境生存能力測試，并安全回收。

數(shù)十年來，由弗吉尼亞州的NASA瓦洛普斯飛行中心管理的NASA科學(xué)氣球計(jì)劃一直使用氣球?qū)⒖茖W(xué)載荷送入大氣層。這些氣象氣球搭載了用于測量大氣壓力、溫度、濕度、風(fēng)速和風(fēng)向的儀器。收集到的信息被傳回地面站供任務(wù)使用。

此次測試達(dá)到了團(tuán)隊(duì)預(yù)期的結(jié)果：利用3D打印技術(shù)的快速成型和生產(chǎn)能力，NASA能夠比以往更快地制造出符合任務(wù)規(guī)范的高性能通信天線。實(shí)施這些現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)步對于NASA降低傳統(tǒng)平臺(tái)的成本和實(shí)現(xiàn)未來任務(wù)至關(guān)重要。

近太空網(wǎng)絡(luò)由位于華盛頓NASA總部的SCaN（空間通信和導(dǎo)航）項(xiàng)目辦公室資助，由位于馬里蘭州格林貝爾特的NASA戈達(dá)德太空飛行中心運(yùn)營。