NASA花了數十年研發的特殊火箭引擎，AI卻在三週內完成
Leap 71設計並3D列印了一種歷史上最難以捉摸的火箭引擎之一：冷凍氣動尖頭引擎。
一位名為Noyron的人工智能工程師成功設計、製造並測試了航空航天行業中最具挑戰性的火箭引擎之一：冷凍氣動尖頭推進器。理論上，氣動尖頭引擎的設計能在廣泛的高度範圍內保持高效率，使其成為可以在單一飛船上從地面到軌道的理想火箭。這種被稱為單級入軌的飛行器是太空探索的聖杯之一，因為它的效率、簡單性和成本效益。與在1990年代花費多年時間設計、製造和測試氣動尖頭的NASA工程師相比，這個AI卻能在幾分鐘內實現。
我在去年十月與Leap71的聯合創始人Lin Kayser交談時，他告訴我，他和搭檔Josefine Lissner的最終目標是創造一個現實版的“Jarvis”，這個虛構的全能工程AI在《鋼鐵人》電影中與Tony Stark合作。去年秋天，他們剛剛成功測試了TKL-5，這是一款使用Noyron第一版生成的3D列印5千牛頓火箭引擎。他們利用在TKL-5開發過程中獲得的所有數據來反饋並開發Noyron 2.0。
“多數公司會專注於改進現有引擎，但因為我們的目標是完善計算AI模型，我們決定採取擴大數據來源的策略，”Kayser在電子郵件中告訴我。“如果你只是測試相似的設計、相似的推進力和相同的材料，所生成的數據和經驗相對狹窄。”
為了避免這種陷阱，Lissner建議他們應專注於創建一個徹底不同且極具挑戰性的引擎，例如氣動尖頭。與我們熟悉的傳統鐘形噴嘴不同，氣動尖頭引擎沿著一個向外延伸的圓錐形尖頭通道超音速排氣。這種形狀向後逐漸收窄，確保排氣氣體沿著其表面自然擴展。這種外部輪廓會根據大氣壓的變化進行調整，並在太空船的上升過程中提供卓越的性能，從海平面到真空空間。
氣動尖頭的夢想
“傳統引擎需要根據飛行高度調整噴嘴長度，”Kayser告訴我。在地面上，引擎可以使用短噴嘴，但在真空中，噴嘴需要延伸得很長。“否則，氣體會向側面逸出，無法產生推力。”這使得太空飛行的上級階段的真空噴嘴既長又重，增加了每個火箭的發射成本，從土星五號到SpaceX的星艦。由於只能針對一種大氣環境優化噴嘴，海平面引擎在開始時非常強大，但隨著排氣在更高、輕得多的大氣中開始向側面逸出，效率會降低。
“你可以在任何火箭發射中清楚地看到這一點，首先是一個明確的熱氣柱，然後在分級前不久，排氣擴展成一個非常寬的圓錐，”Kayser指出。“每個不直線向下的氣體分子都浪費了原本應該產生前進運動的相當一部分能量。”這就是為什麼目前的火箭通常有兩到三個階段，這使得設計和成本變得複雜。氣動尖頭則避免了這一切。
然而，儘管大量研究和測試顯示了其明顯的優勢，氣動尖頭仍未在實際的任務中使用，因為其技術挑戰阻礙了其達到進行太空任務所需的可靠性水平。“在過去四十年中，只有少數團隊成功進行過點火測試，”Kayser指出。主要問題在於冷卻。
“由於尖頭位於5430華氏度的高溫排氣中，正確冷卻尖頭非常具有挑戰性。即使是極其能耐高溫的金屬合金，其熔點也約為2732華氏度，並且在那之前就會變弱，”他告訴我。設計氣動尖頭非常複雜，因為它需要精密的內部冷卻通道和精確的幾何形狀，這使得使用傳統方法製造變得困難。
在60年代，火箭引擎設計與製造公司Rocketdyne曾嘗試製造J-2T氣動尖頭引擎，這是一種環形氣動尖頭概念，旨在改進土星五號的Rocketdyne J-2引擎。儘管在測試中顯示出前景，但由於技術實施的複雜性，J-2T從未被選為操作使用。
NASA和洛克希德·馬丁再次追求這一想法，開發了XRS-2200線性氣動尖頭，旨在展示單級入軌（SSTO）技術的已取消X-33亞軌道航天器程序。由於技術和預算挑戰，該計劃於2001年取消。許多其他公司也嘗試過但失敗，尤其是2017年破產的初創公司Firefly，最近在放棄其氣動尖頭設計後重新復活。
不過，仍有一些公司成功了，包括西班牙公司Pangea Aerospace，該公司在2021年11月成功測試了其甲烷-氧氣氣動尖頭引擎DemoP1。該公司計劃擴展至300千牛頓的ARCOS引擎。在Noyron引擎之前的最新努力來自德國公司Polaris Raumflugzeuge，該公司在波羅的海的MIRA-II演示器的飛行測試中成功設計並點燃了一個氣動尖頭引擎。
人工智能的救援
根據Lissner的說法，他們能夠擴展Noyron對物理的理解，以解決這種引擎的獨特複雜性。Leap71的AI自動創建了一種設計，其中尖頭由複雜的通道冷卻，通道充滿了冷凍氧氣，而燃燒室的外部則用煤油冷卻。“我們之前的熱火測試結果表明，我們的銅引擎在冷卻方面的表現超出了預期，”Kayser說。他們用煤油來冷卻燃燒室的外部，防止銅破裂（銅的熔點約為1984華氏度，但在約1300華氏度時就會開始變弱）。引擎中的壓力非常高，因此牆壁必須能夠承受。
“我們在6月的測試中發現，冷凍液氧將引擎的噴嘴冷卻到如此低的溫度，以至於可以測量到整個燃燒室周圍的散熱效果，”Kayser說。因此，周圍的溫度保持在284華氏度非常低。憑藉所有的測試數據，他們更新了Noyron的熱模型。Lissner開始為氣動尖頭添加設計邏輯。
在新版本完成後，它生成了一個CAD文件，為3D打印準備了一整塊銅材。Kayser表示，這是前所未有的。對於3D打印，他們與德國公司Aconity3D合作，使用一種稱為激光粉末床熔融的技術。
這種方法熔化超細金屬粉末，這是一種特殊合金，由銅（基底金屬，以其優良的熱和電導率而聞名）、鉻（用於提高強度和耐磨性，而不會顯著降低導電性）和鋯（增強晶粒結構穩定性和高溫抵抗力）組成。激光逐層熔化和固化粉末，使得在尖頭和燃燒室內部創建這些複雜的冷卻通道成為可能。
Leap71還與弗勞恩霍夫激光技術研究所合作，進行金屬的熱處理，以增強金屬的強度，而第三家公司——德國的Solukon則負責徹底清理引擎內部腔體中的殘餘粉末。這是一個至關重要的步驟，因為引擎內的任何雜質或碎片都可能導致其失效或爆炸。
成功了
在製造完成後，Leap71將氣動尖頭發送給謝菲聯大學的Race 2 Space團隊，該團隊幫助準備推進器在英國Westcott的Airborne Engineering設施進行測試，這是一個二戰時期的混凝土掩體，可以容納任何爆炸以防萬一。由於這是一個整體的固體物件，無法打開檢查，因此團隊基本上只能進行盲測。“我們對其背後的理論相對有信心，但有許多事情只能通過測試來發現，例如冷卻通道的阻力，這取決於3D打印的表面粗糙度，”Kayser說。這個引擎幾乎所有部分都是新穎且未經測試的。“我們有來自上次點火的數據，但這個引擎的角度要淺得多，通常會影響表面質量。這些角度是由物理決定的，所以你必須接受現狀。”
儘管存在潛在風險，測試團隊在2024年12月18日首次嘗試時成功點燃了引擎。“它在第一次運行中的表現相當不錯，這是我們沒預料到的，”Kayser坦言。“我們對結果非常滿意。現在我們正在將引擎切成兩半進行檢查。”
未來來得很快
Kayser表示，他們沒有完全調整好氧氣流量，這是在測試台上需要微調的內容。因此，引擎運行的溫度比團隊希望的要高，因為氧氣是尖頭的主要冷卻劑。“我們決定不冒險進行額外的測試，而是分析它，並將分析結果反饋給Noyron以進一步改進，”他告訴我。
Lissner將這一成就視為“我們基於物理的AI方法的極大驗證。”確實，值得注意的是，這家只有兩人的AI軟件公司花費了大約三週的時間設計出一種極其困難的火箭引擎。Lissner表示，團隊現在正在評估測試數據，並將其反饋給Noyron，以準備進行下一輪測試。“Noyron使我們能夠大幅縮短在測試後重新設計和迭代所需的時間，並幫助我們迅速達成最佳設計。”
這一創新不僅顯示出AI在工程領域的潛力，還可能重塑我們對未來太空探索的認知。隨著技術的進步，我們或許能期待更高效、更經濟的太空旅行，這將使人類在太空探索的道路上邁出更大的一步。
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