美國空軍F-15等戰(zhàn)斗機(jī)在飛行過程中經(jīng)常超過2馬赫（音速的兩倍），這被稱為超音速水平。在5馬赫及以上的高超音速飛行中，飛機(jī)的飛行速度超過每小時(shí)3,000英里。

自1950年代以來，用于火箭的推進(jìn)系統(tǒng)使高超音速成為可能，然而，工程師和科學(xué)家正在研究先進(jìn)的航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)，以使高超音速飛行比火箭發(fā)射便宜得多，并且更常見于商業(yè)飛行、太空勘探和國防目的。

來自NASA和阿貢國家實(shí)驗(yàn)室(ANL)的一組研究人員新發(fā)表的論文詳細(xì)介紹了機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，以減少在超音速和高超音速下進(jìn)行與燃料燃燒相關(guān)的計(jì)算流體動力學(xué) (CFD) 模擬所需的內(nèi)存和成本。該論文此前曾于1月份在美國航空航天學(xué)會科技論壇上發(fā)表。

在建造和測試任何飛機(jī)之前，CFD模擬用于確定飛行中飛機(jī)周圍的各種力將如何與其相互作用。CFD由表示流體（如空氣和水）行為的數(shù)值表達(dá)式組成。

當(dāng)一架飛機(jī)突破音障時(shí)，它會產(chǎn)生一種“沖擊波”，這是一種擾動，會使周圍的空氣變得更熱、更密集、壓力更高，從而使其表現(xiàn)得非常猛烈。

在高超音速下，產(chǎn)生的空氣摩擦力如此之大，以至于它可以熔化傳統(tǒng)商用飛機(jī)的部件。

吸氣式噴氣發(fā)動機(jī)在飛行時(shí)吸入氧氣來燃燒燃料，因此CFD模擬必須考慮空氣行為的重大變化，不僅包括飛機(jī)周圍的空氣，而且還包括當(dāng)它穿過發(fā)動機(jī)并與燃料相互作用時(shí)。

新技術(shù)

雖然傳統(tǒng)飛機(jī)有風(fēng)扇葉片來推動空氣，但在接近3馬赫及以上速度的飛機(jī)中，它們的運(yùn)動本身會壓縮空氣。這些被稱為超燃沖壓發(fā)動機(jī)的飛機(jī)設(shè)計(jì)對于達(dá)到火箭推進(jìn)無法達(dá)到的燃油效率水平非常重要。

因此，當(dāng)涉及到能夠突破音障的飛機(jī)上的CFD模擬時(shí)，上述所有因素都為已經(jīng)計(jì)算密集的仿真增加了新的復(fù)雜性。

“由于這些發(fā)動機(jī)中的化學(xué)和湍流相互作用非常復(fù)雜，因此科學(xué)家們需要開發(fā)先進(jìn)的燃燒模型和CFD代碼，以準(zhǔn)確有效地描述燃燒物理學(xué)。”該研究的合作者兼阿貢國家實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)推進(jìn)和動力研究中心主任斯本-杜松（Sibendu Som）表示。

NASA有一個(gè)稱為VULCAN-CFD的高超音速CFD代碼，專門用于模擬這種不穩(wěn)定環(huán)境中的燃燒行為。

此代碼使用稱為“flamelet tables’”的東西，其中每個(gè)“flamelet”是整個(gè)燃燒模型中火焰的一個(gè)小單元。該數(shù)據(jù)表由一個(gè)龐大的集合中燃燒燃料的不同快照組成，該集合占用大量計(jì)算機(jī)內(nèi)存來處理。

因此，NASA和阿貢國家實(shí)驗(yàn)室(ANL)的研究人員正在探索使用AI通過降低密集的內(nèi)存需求和計(jì)算成本來簡化這些CFD模擬，從而加快突破性飛機(jī)的開發(fā)速度。

阿貢國家實(shí)驗(yàn)室 (ANL)的計(jì)算科學(xué)家使用由該中心開發(fā)的軟件生成的火焰表來訓(xùn)練可應(yīng)用于NASA的VULCAN-CFD代碼的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。AI使用小火焰表中的值來學(xué)習(xí)確定超音速發(fā)動機(jī)環(huán)境中燃燒行為的捷徑。

NASA Langley Research 的研究科學(xué)家羅伯特·鮑爾（Robert Baurle）表示：“通過利用阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的研究工作，該合作伙伴關(guān)系增強(qiáng)了我們內(nèi)部VULCAN-CFD工具的能力，使我們能夠以大大降低分析燃料燃燒特性的成本?！?/p>

世界各國都在競相實(shí)現(xiàn)高超音速飛行能力，這場競賽的一個(gè)重要部分是虛擬實(shí)驗(yàn)，其中人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 等新興技術(shù)的應(yīng)用潛力巨大。