NASA成功测试3D打印天线，展示低成本高效通信能力

2024 年秋季，NASA 开发并测试了一款 3D 打印天线，以展示向地球传输科学数据的低成本能力。该天线使用大气气象气球进行了飞行测试，可以为使用 3D 打印作为日益增多的科学和探索任务的经济高效的开发解决方案打开大门。

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为了这次技术演示，美国宇航局近空间网络的工程师设计并建造了一个 3D 打印天线，用该网络的中继卫星对其进行了测试，然后将其放在气象气球上飞行。

3D 打印工艺又称为增材制造，它通过将多层材料（通常是液体、粉末或细丝）叠加在一起，根据数字模型创建实体。3D 打印天线的主体采用低电阻、可调、陶瓷填充的聚合物材料。

使用 Fortify 提供的打印机，该团队可以完全控制标准 3D 打印工艺无法控制的几种电磁和机械特性。NASA 获得打印机后，该技术使团队能够在几个小时内设计和打印气球天线。团队使用实验期间使用的几种不同的导电墨水打印机之一打印天线的导电部分。

为了进行这项技术演示，网络团队设计并制造了一个 3D 打印的磁电偶极天线，并将其放在气象气球上飞行。[JF1]  偶极天线通常用于无线电和电信。天线有两个“极点”，形成类似于甜甜圈形状的辐射图。

测试

该天线是美国宇航局科学气球计划和该机构空间通信和导航 ( SCaN ) 计划的工程师合作的成果，旨在展示低成本设计和制造的能力。

制造完成后，该天线在美国宇航局位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心的电磁消声室中组装并测试。

消声室是戈达德最安静的房间，这是一个屏蔽空间，其设计和建造既可以抵御侵入的电磁波，又可以抑制其向外界发射。这个房间可以消除电磁波的回声和反射，以模拟太空的相对“安静”。

为了准备测试，NASA 实习生 Alex Moricette 将天线安装在消声室的桅杆上。天线开发团队利用消声室在类似太空的环境中测试其性能，并确保其按预期运行。

完成后，NASA 天线工程师在升空前在美国宇航局位于德克萨斯州巴勒斯坦的哥伦比亚科学气球设施进行了最后的现场测试。

该团队协调与近空间网络中继舰队的联系，以测试 3D 打印天线发送和接收数据的能力。

该团队通过向 3D 打印天线和气球计划使用的通信系统（标准卫星天线）发送信号和从中接收信号来监测性能。两种天线都在不同角度和高度进行了测试。通过比较 3D 打印天线和标准天线，他们建立了最佳性能的基准。

在空中

飞行过程中，气象气球和搭载的 3D 打印天线在 100,000 英尺的高空进行了环境生存能力测试，并安全回收。

几十年来，NASA 的科学气球计划（由位于弗吉尼亚州的 NASA瓦洛普斯飞行中心管理）一直使用气球将科学载荷送入大气层。气象气球携带测量大气压力、温度、湿度、风速和风向的仪器。收集到的信息被传回地面站供任务使用。

此次演示揭示了该团队预期的结果：借助3D打印技术的快速成型和生产能力，NASA可以比以往更快地制造出符合任务规范的高性能通信天线。

实施这些现代技术进步对 NASA 来说至关重要，不仅可以降低传统平台的成本，还可以实现未来的任务。

近太空网络由位于华盛顿 NASA 总部的SCaN（空间通信和导航）项目办公室资助。该网络由位于马里兰州格林贝尔特的 NASA 戈达德太空飞行中心运营。