AI助力3D打印新型氣脊火箭引擎大突破

突破傳統火箭引擎設計：AI與3D打印助力空氣刺引擎快速發展

過去65年來，人類太空飛行依賴的火箭引擎大多採用鈴鐺形噴嘴，這種設計是為了在特定大氣壓力下產生足夠推力，將龐大載荷送離地面。然而，這種經典設計有其侷限性——鈴鐺形噴嘴只能在某些大氣壓力條件下達到最佳效率，這也是為何多數火箭任務需要分多級發射。若能改善這種效率，未來火箭或許只需一級便可完成整個任務，從而減輕載荷重量和節省成本。

科學家多年來一直探索能隨大氣壓變化自我調節的噴嘴幾何形狀，其中最具潛力的是「空氣刺」（aerospike）引擎。空氣刺引擎利用外部大氣壓力形成虛擬的鈴鐺形外壁，隨著飛行高度和壓力變化，自動調整推力形態。這項技術並非新鮮事，早於1990年代NASA就曾將空氣刺引擎安裝於SR-71黑鳥偵察機上進行測試，但一直未能取代傳統鈴鐺形噴嘴。

直到2024年，空氣刺引擎才迎來突破性發展。德國Polaris Spaceplanes於10月底成功完成線性空氣刺引擎的中途飛行測試，計劃於2025年發射其後繼機型Nova。更令人注目的是，來自杜拜的Leap 71公司於12月18日成功進行了氧氣-煤油燃燒的環形空氣刺引擎熱試，11秒內產生1,110磅推力。這本身已是重大成就，但更驚人的是其引擎的設計與製造過程。

Leap 71運用自家研發的AI計算工程模型Noyron，結合「激光粉末床熔融」3D打印技術，快速完成銅合金製造的引擎設計與測試。一般火箭引擎研發需數年時間，而Leap 71僅用數週便完成整個流程，更巧妙解決了空氣刺引擎中散熱難題：引擎尖刺部分由充滿冷卻液態氧的複雜冷卻通道冷卻，燃燒室外部則由煤油燃料冷卻。Leap 71執行長Josefine Lissner表示，Noyron模型的物理計算能力得以延伸至處理此類獨特引擎結構的複雜性。

Leap 71於2025年4月宣布，將推進一款代號為Noyron XRA-2E5的空氣刺參考設計，計劃最遲於2026年底進行首次測試。空氣刺引擎多年來一直等待機會證明其價值，而AI計算工具與快速3D打印技術的結合，或許會讓這一刻比預期更早到來。

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評論與啟示：AI與3D打印如何重塑航天引擎研發

Leap 71的成就不僅是空氣刺引擎技術上的突破，更象徵著航天工業研發模式的根本轉變。傳統火箭引擎研發漫長且昂貴，涉及大量實體試驗與反覆設計。AI計算模型如Noyron的引入，讓設計者能在虛擬環境中迅速模擬複雜物理現象，優化結構與性能，節省大量時間與資源。再加上3D打印技術的成熟，尤其是高性能材料的應用，使得原本需要數年才能完成的製造過程縮短至數週。

此趨勢對香港及華南地區的航天及高科技產業具有重要啟示。隨著AI技術及先進製造能力普及，本地企業和科研機構可望借鑒Leap 71的模式，發展自主設計與快速原型製造能力，從而在全球航天競爭中搶得先機。此外，空氣刺引擎的多階段整合潛力，有望推動更輕量化、高效率的發射系統，降低太空進入門檻，促進更多商業與科學應用。

然而，我們亦須警惕AI設計的可靠性與安全性問題。航天器件對精確度與耐久性要求極高，任何設計錯誤都可能造成災難性後果。未來如何建立完善的AI設計驗證機制、結合實體試驗與數據回饋，將是確保技術成熟的關鍵。此外，3D打印材料的長期性能和生產一致性也需嚴密監控。

總體來說，Leap 71的案例展現了AI與先進製造技術在航天領域的巨大潛力，預示著未來火箭引擎設計將更加智能化、快速且高效。這不僅是技術革新，更是航天工業生態系統的變革，值得業界與政策制定者密切關注與支持。

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