NASA花几十年研发的火箭发动机，AI+3D打印仅3周就完成了设计制造和试车

气动塞式发动机是一种新型高效的火箭发动机，它在火箭发动机技术中占据着独特的地位。通过摒弃传统钟形喷嘴，采用环形燃烧室中心的尖刺设计，气动塞式发动机实现了体积和重量的相对减小，同时显著提高了效率。此类发动机诞生于上世纪中期前后，NASA更是花费了数十年时间设计、制造和测试，但至今都因技术复杂性和实施难度而未能实现实际应用。

尤其伴随着近年来人工智能设计方式的兴起，以及3D打印带来的革命性突破，解决了复杂设计制造的瓶颈。3D打印技术参考注意到，2024年底，由LEAP 71领导的团队，依靠上述两种技术，仅用3周就完成了此前人类工程师需要数年时间才能实现的研发突破。其使用最新的Noyron大型计算工程模型开发并使用3D打印制造的最新型气动塞式火箭发动机，成功进行了热试车。该发动机使用液态氧和煤油作为燃料，具有5000N的推力。

气动塞式发动机的理论优势与现实挑战

气动塞式发动机的设计能够在广泛的海拔范围内保持高效率，使其成为单级入轨火箭的理想选择。这种发动机通过将超音速排气沿着一个向外延伸的锥形塞式引导，使排气气体沿着塞式表面流动并自然膨胀。其外部轮廓会随着大气压力的变化而调整，在航天器从海平面到太空真空的上升过程中提供卓越的性能，从而避免了传统火箭因喷嘴长度限制而需要多阶段设计的复杂性和成本问题。

尽管气动塞式发动机在大量研究和测试中显示出明显的优势，但其技术挑战阻碍了其在实际任务中的应用。主要问题在于冷却：气动塞位于高温排气气体中，需要复杂的内部冷却通道和精确的几何形状，这使得使用传统方法制造变得困难。例如，火箭动力公司在20世纪60年代尝试制造的J-2T，以及美国宇航局和洛克希德·马丁公司合作的XRS-2200，都因技术复杂性和实施难度而未能实现实际应用。

AI+3D打印的应用与突破

LEAP 71表示，他们能够使用Noyron的物理模型来处理这种发动机的独特复杂性，成功解决了气动塞式发动机的复杂结构设计。Leap71的人工智能自主创建了一个设计，其中气动塞通过充满低温氧气的复杂通道进行冷却，而燃烧室外侧则用煤油燃料进行冷却。这种设计充分利用了低温液态氧的冷却效果，使发动机喷注器温度保持在较低水平，从而提高了发动机的性能和可靠性。

在制造方面，Noyron生成的气动塞式发动机设计被3D打印成一个单一组件。发动机由工业合作伙伴Aconity3D使用激光粉末床熔融工艺打印，使用了先进的航空铜合金（CuCrZr）。但制造过程面临挑战，包括管需要无支撑打印以及确保再生冷却通道的完整性和表面粗糙度。Aconity3D优化了扫描策略和打印参数，使用6.9公斤铜合金在62小时内完成了210毫米高的推进器制造。Fraunhofer激光技术研究所对其进行了热处理。谢菲尔德大学的Race 2 Space团队为发动机的测试现场做准备，并在测试期间提供了积极支持。

该发动机在2024年12月18日进行了点火，这是LEAP 71在英国Westcott的Airborne Engineering进行的四天内四台发动机的测试活动的一部分。公司将处理收集到的数据，以微调Noyron，为下一代发动机进行优化，并在2025年继续测试，目标是使Aerospike成为现代航天器的可行选择。

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短短三周内就完成了这一极具挑战性的火箭发动机的设计，这一成就不仅验证了基于物理的人工智能方法的有效性，还展示了人工智能在航天领域应用的巨大潜力。通过将测试数据反馈，工程师们能够快速迭代和优化设计，大幅缩短了从设计到测试的周期。未来，随着人工智能技术的不断发展和应用，有望进一步推动航天技术的创新和突破，为人类探索太空提供更高效、更可靠的解决方案。

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