NASA 3D列印天線：讓增材製造再創新高

在2024年秋季，美國國家航空暨太空總署（NASA）研發並測試了一款3D列印的天線，旨在展示以低成本將科學資料傳回地球的能力。這款天線透過大氣氣象氣球進行飛行測試，有望為日漸增多的科學與探索任務，開啟以3D列印作為具成本效益研發方案的大門。

為了這項技術展示，NASA近太空網路的工程師們設計並製作了這款3D列印天線，先與網路的中繼衛星進行測試，隨後將其搭載於氣象氣球上。

3D列印過程，也就是所謂的增材製造，是透過將多層材料（通常是液體、粉末或絲狀物）逐層堆疊，從數位模型創造出實體物件。這款3D列印天線的主體採用了一種低電阻、可調諧、填充陶瓷的聚合物材料。

團隊使用Fortify提供的列印機，能夠完全掌控一些標準3D列印過程無法實現的電磁和機械特性。NASA獲得這臺列印機後，這項技術讓團隊能在短短幾小時內，為氣球設計並列印出天線。在實驗期間，團隊使用了多種不同的導電墨水列印機，列印出天線的導電部分。

在這次技術展示中，網路團隊設計並製作了一款3D列印的磁電偶極天線，並將其搭載於氣象氣球上。偶極天線在無線電和電信領域十分常用，它有兩個「極」，能產生類似甜甜圈形狀的輻射模式。

這款天線是NASA科學氣球計畫和太空通訊與導航（SCaN）計畫的工程師們合作的成果，旨在展示低成本設計和製造的能力。製造完成後，天線在馬裡蘭州格林貝爾特的NASA戈達德太空飛行中心的電磁無響室進行了組裝和測試。

無響室是戈達德太空飛行中心最安靜的房間，它是一個經過特殊設計和建造的遮蔽空間，既能抵禦外界幹擾的電磁波，又能抑制內部電磁波向外發射。這個房間能消除電磁波的回聲和反射，以模擬太空相對「安靜」的環境。

為了準備測試，NASA實習生亞歷克斯・莫里塞特將天線安裝在無響室的天線桿上。天線研發團隊利用這個房間，在類似太空的環境中測試天線的效能，確保其能按預期運作。

完成上述測試後，NASA的天線工程師們在德州巴勒斯坦的哥倫比亞科學氣球設施進行了最終的現場測試，隨後氣球升空。

團隊與近太空網路的中繼衛星佇列協調連線，測試這款3D列印天線傳送和接收資料的能力。他們透過向3D列印天線和氣球的標準衛星天線（即預定的通訊系統）傳送和接收訊號，監測天線的效能。兩款天線都在不同的角度和高度進行了測試，透過與標準天線進行比較，確立了最佳效能的基準。

在飛行過程中，氣象氣球和搭載的3D列印天線在10萬英尺的高空進行了環境適應性測試，並安全回收。

數十年來，由NASA位於維吉尼亞州的沃洛普斯飛行設施管理的科學氣球計畫，一直利用氣球將科學酬載送入大氣層。氣象氣球搭載的儀器能夠測量大氣壓力、溫度、濕度、風速和風向，收集到的資訊會傳回地面站供任務使用。

這次展示達到了團隊預期的結果：藉由3D列印技術的快速原型製作和生產能力，NASA能夠比以往更快地打造出符合任務規格的高效能通訊天線。對NASA而言，採用這些現代技術進步不僅能降低傳統平臺的成本，還能為未來的任務提供支援。