美国国家航空航天局（NASA）的工程师正在利用全球最轻的固体材料之一气凝胶，研制可嵌入飞机蒙皮的天线。这一技术将为无人机及其他未来空中交通方案提供更符合空气动力学且可靠的通信解决方案。

▲在NASA位于克利夫兰的格伦研究中心进行的测试中，研究人员使用平板状的气凝胶阵列天线与地球上空的地球静止卫星进行通信。

由NASA研发的这款超轻质气凝胶天线，专为在功率和空间受限条件下实现卫星通信而设计。该气凝胶由柔性高性能塑料（聚合物）构成，其结构中空气占比高达95%，兼具轻量化与高强度特性。研究人员可通过调整材料属性，使其具备塑料薄膜般的柔韧性或有机玻璃般的刚性。

“通过去除凝胶中的液体成分，我们获得了这种具有超多孔结构的材料。”NASA克利夫兰格伦研究中心的化学工程师Stephanie Vivod解释道，“如果你制作过果冻，其化学反应过程与气凝胶制备的第一步非常相似。”

NASA团队将气凝胶层夹在小型电路板与一组薄铜环阵列之间，并在顶部覆盖具有电绝缘特性的薄膜材料。该创新设计被NASA及航空界称为“主动相控阵气凝胶天线”。

▲在NASA位于克利夫兰的格伦研究中心进行的测试中，气凝胶样品被折叠以展示其灵活性。

除了通过贴合飞机外形减少阻力外，气凝胶天线还能显著减轻重量、节省空间，并可通过独立调节阵列元件以降低信号干扰。相比传统的钉状或刀片式天线，其外观更为隐蔽。成品呈现蜂窝状结构，可平铺于飞机表面。

2024年夏季，研究人员在美国马里兰州帕图克森特河海军航空站，与海军合作在一架Britten-Norman Defender飞机上对刚性版本天线进行了飞行测试。

▲一架Britten Norman Defender飞机配备了先进的相控阵天线原型，于2024年夏季进行飞行测试。该飞机用于验证与低地球轨道卫星的数据传输质量和通信链路弹性。

随后，2024年10月，NASA格伦研究中心与休斯顿卫星通信公司Eutelsat America Corp.启动了天线地面测试。团队成功通过地球静止轨道上的Eut尔斯卫星建立连接，信号经卫星反射至格伦研究中心楼顶的接收器。另一项测试中，该天线还与数据中继公司Kepler运营的低地球轨道通信卫星群实现对接。NASA计划于今年晚些时候研发并测试柔性版本天线。

“这一成果意义重大，因为我们能用同一天线与两种截然不同的卫星系统建立连接。”格伦研究中心研究员Bryan Schoenholz指出。低地球轨道卫星距离地表约1,200英里，绕地球高速运行；而地球静止轨道卫星距离地表超过22,000英里，其轨道速度与地球自转同步，因此始终固定于赤道上空。

▲NASA格伦研究中心的电气工程师Sarah Dever和Mick Koch指挥一个有源相控阵天线指向一颗地球静止卫星。他们在2024年10月的测试中使用了平板状的气凝胶天线。

卫星测试对验证气凝胶天线的实际应用潜力至关重要。现代飞机与地面站通信时，信号常通过卫星中继传输，可能导致延迟或中断。NASA开发的这项技术通过精确电子调控天线波束（集中射频流），可确保飞行中卫星链路持续稳定。

随着新型空中交通设备（从当前小型有人驾驶飞机到未来自动驾驶空中出租车及货运无人机）逐步进入市场和美国空域，稳定通信的重要性将日益凸显。为此，NASA“先进空中机动任务”与“变革性航空概念计划”正支持气凝胶天线等研究，以推动行业安全拓展新兴交通系统市场。

“若自动驾驶空中出租车或无人机失去通信链路，将引发严重安全隐患。”Schoenholz强调，“空中通信绝不能出现‘掉线’，因为这种连接直接关乎飞行安全。”

Schoenholz、Vivod等研究人员隶属于NASA“天线部署与优化技术”项目组，该项目属于“变革性工具与技术计划”，旨在开发降低射频干扰风险的技术，以应对空域日益拥挤环境下空中出租车、无人机、商用客机等飞行器的共存挑战。

来源：NASA、气凝胶产业编译

编辑：鞠丽

审核：杨静、刘亚丹

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