算法“点燃”新引擎 AI成航天推进技术的“助推器”

来源：科技日报

科技日报记者 张佳欣

在真空的宇宙中，没有空气可借力，航天器的一切机动都依赖自身携带的推进系统。推进效率不仅决定飞得多快、能飞多远，也直接关系到任务成本，甚至航天员的生命安全。然而，支撑了人类航天半个多世纪的化学燃料推进，正在逼近物理极限。

在这一背景下，人工智能（AI）开始进入航天推进这个传统上高度硬核的领域。据澳大利亚《对话》杂志报道，AI，尤其是机器学习，正在帮助科学家重新思考核热推进、等离子体推进等前沿方案，为人类探索深空提供更加强大的新引擎。

在数字空间不断试错

AI已在航天推进技术的设计和实时操作中发挥着越来越重要作用。它模拟人类“从经验中改进”的过程：不给标准答案，而是通过无数次尝试，让机器在“试错”中掌握最优解。

这种模式赋予了机器一种类似“直觉”的专业能力。就像顶级棋手下棋并不靠死记硬背，而是凭借万场对局积累的感悟。AI在推进系统中借鉴了类似智慧。它在虚拟世界里进行数亿次模拟测试，像是在数字空间里练习“飞”了千万次，从而在纷乱如麻的参数中精准捕捉到那个通往成功的“最优解”。

一个典型的应用场景是热流传递优化。上世纪60年代，NASA曾发起雄心勃勃的“火箭飞行器用核引擎”（NERVA）计划。该计划采用固体铀燃料并模制成棱柱形结构，通过不断尝试物理配置进行优化，试图提高热传递的效率。现在，强化学习可在这一过程中发挥重要作用，它不再依赖缓慢的人工实验循环，而是通过数字孪生技术，在电脑里克隆一个一模一样的发动机，智能优化反应堆核心与推进剂之间的热流路径。这种优化能确保热量以极高的效率从核燃料转移到氢气推进剂中，让航天器在向目的地进发时更加高效节能。

把“核电站”装进火箭筒

核推进技术，尤其是核热推进，是一种极具前景的航天器高效推进技术。它利用核反应释放的巨大热能，将氢气等推进剂加热到极端状态再喷射出去，让飞船以极低的燃料消耗跑极长的路程。但挑战在于：如何在一个几米宽的发动机里，驾驭“微型核电站”般的狂暴能量？

如今，AI的加入使这一过程的优化更加智能化和精细化，强化学习可帮助研究人员设计更高效的核热推进系统，通过实时数据反馈调整设计参数。

回溯历史，早期的核热推进系统使用了固体铀燃料和相对简单的热传递方式，受限于当时的计算能力，设计方案往往倾向于保守。而现代设计则尝试使用更复杂的几何形状和新型材料，以最大化热传递效率。研究人员正在尝试像“陶瓷球床”或布满“微细通道”的复杂结构，这些结构就像是精密的人体毛细血管，能把散热效率压榨到极限。

这些复杂的几何配置如果靠人工计算，将极其耗时。在这一设计变革中，强化学习发挥了核心作用。它们能够同时分析材料的热导率、中子吸收截面以及推进剂在超高温下的流体动力学表现。AI通过不断模拟和评估，帮助优化材料选择和几何配置，使推进系统的热交换效率大大提高。这种精细化设计不仅提升了发动机的比冲，还减轻了推进系统的整体重量，为深空探测任务留出了更多的载荷空间。

驯服核聚变的“太阳之力”

除了核热推进，核聚变在航天推进中也是一项潜力巨大的前沿技术。尽管核聚变技术尚未完全成熟，但AI的应用正在加速这一技术突破，使其从庞大的地面装置向紧凑的航天推进器演进。

目前，日本的JT-60SA托卡马克实验装置和其他聚变反应堆实验正在全球范围内推动这一技术的发展。在这些巨大的圆环形装置里，如何保持高能等离子体的稳定是最大挑战。

等离子体温度极高，且极易发生湍流，一旦接触到容器壁，反应就会瞬间熄灭。通过利用AI的强化学习技术，研究人员能以微秒级速度更好地控制聚变反应堆中的磁场，精准捕捉等离子体的细微波动并实时调整补偿。这种算法控制能有效保持高能等离子体的稳定，帮助实现自持的聚变反应。

不仅是大规模装置，AI还在助力更小、更适合装上飞船的“紧凑型聚变”设备，如多面势阱装置。通过AI优化磁场线圈的布局，这种“人造太阳”有望变得足够小巧，成为未来核动力飞船最坚实的底座。

让飞船在星际间“精打细算”

飞出大气层后，AI的作用从“设计师”转变为“大管家”。随着航天任务越来越复杂，如何在漫长的旅途中精准管理每一克燃料，是决定任务成败的关键。

现在的航天器不再是“一飞到底”，比如一颗卫星可能在执行探测任务的中途，突然接到指令要去执行拦截或预警任务。这种灵活性意味着燃料需求是不可预测的。AI通过不断学习飞行数据，能像老练的司机一样，在复杂的引力场中实时计算出最省燃料的路线。它能实时监控系统的健康状态，甚至在零件出现微小震动时就预判出潜在风险，提前调整参数避灾。

随着AI技术的进步，航天推进将迎来持续创新，在提升深空探测安全性与效率的同时，助力人类开启星际旅行的新篇章。