Ερευνητές από την Εθνική Υπηρεσία Αεροναυτικής και Διαστήματος (NASA), συνεργάστηκαν με το Εθνικό Εργαστήριο Argonne (ANL) του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ για να αναπτύξουν τεχνητή νοημοσύνη (AI), για να ενισχύσουν την ταχύτητα των προσομοιώσεων για τη μελέτη της συμπεριφοράς του αέρα που περιβάλλει τους κινητήρες των υπερηχητικών αεροσκαφών.
Τα μαχητικά αεροσκάφη όπως τα F-15 υπερβαίνουν τακτικά τα 2 Mach, δύο φορές την ταχύτητα του ήχου κατά τη διάρκεια της πτήσης, που είναι γνωστό ως υπερηχητικό επίπεδο. Σε μια υπερηχητική πτήση 5 Mach και άνω, ένα αεροσκάφος πετάει ταχύτερα από 3.000 μίλια την ώρα.
Οι υπερηχητικές ταχύτητες έγιναν δυνατές από τη δεκαετία του 1950 με τα συστήματα πρόωσης που χρησιμοποιούνται για πυραύλους, ωστόσο, μηχανικοί και επιστήμονες εργάζονται σε προηγμένα σχέδια κινητήρων αεριωθουμένων για να κάνουν την υπερηχητική πτήση πολύ λιγότερο δαπανηρή από την εκτόξευση πυραύλων και πιο συνηθισμένη, όπως για εμπορικές πτήσεις, το διάστημα εξερεύνησης και εθνικής άμυνας.
Το πρόσφατα δημοσιευμένο έγγραφο από μια ομάδα ερευνητών από τη NASA και το ANL, περιγράφει λεπτομερώς τις τεχνικές μηχανικής εκμάθησης για τη μείωση της μνήμης και του κόστους που απαιτείται για τη διεξαγωγή προσομοιώσεων υπολογιστικής δυναμικής ρευστών (CFD), που σχετίζονται με την καύση καυσίμου σε υπερηχητικές ταχύτητες.
Η εργασία είχε παρουσιαστεί τον περασμένο Ιανουάριο, στο Αμερικανικό Ινστιτούτο Αεροναυτικής και Αστροναυτικής SciTech Forum.
Πριν από την κατασκευή και τη δοκιμή οποιουδήποτε αεροσκάφους, χρησιμοποιούνται προσομοιώσεις CFD για να προσδιοριστεί πώς οι διάφορες δυνάμεις που περιβάλλουν ένα αεροσκάφος κατά την πτήση, θα αλληλεπιδράσουν με αυτό. Το CFD αποτελείται από αριθμητικές εκφράσεις, που αντιπροσωπεύουν τη συμπεριφορά ρευστών όπως ο αέρας και το νερό.
Όταν ένα αεροσκάφος σπάσει το ηχητικό φράγμα που περιλαμβάνει το ταξίδι με ταχύτητες που ξεπερνούν αυτή του ήχου, δημιουργεί ένα «κύμα κρούσης», το οποίο είναι μια διαταραχή που κάνει τον αέρα γύρω του πιο ζεστό, πυκνότερο και υψηλότερη σε πίεση, αναγκάζοντάς του να συμπεριφέρεται πολύ βίαια.
Σε υπερηχητικές ταχύτητες, η τριβή του αέρα που δημιουργείται είναι τόσο ισχυρή που θα μπορούσε να λιώσει μέρη ενός συμβατικού εμπορικού αεροπλάνου.
Οι κινητήρες αεριωθούμενων που «αναπνέουν» αέρα, αντλούν οξυγόνο για να κάψουν καύσιμο καθώς πετούν, έτσι οι προσομοιώσεις CFD πρέπει να λάβουν υπόψη τις σημαντικές αλλαγές στη συμπεριφορά του αέρα, όχι μόνο γύρω από το αεροπλάνο αλλά και καθώς αυτός κινείται μέσα στον κινητήρα και αλληλεπιδρά με το καύσιμο.
Νέες τεχνολογίες
Ενώ ένα συμβατικό αεροπλάνο έχει πτερύγια ανεμιστήρα για να σπρώχνει τον αέρα κατά μήκος, σε αεροπλάνα που προσεγγίζουν ταχύτητες 3 Mach και άνω, η ίδια η κίνησή τους συμπιέζει τον αέρα. Αυτά τα σχέδια αεροσκαφών, γνωστά ως scramjets, είναι σημαντικά για την επίτευξη επιπέδων απόδοσης καυσίμου που δεν μπορεί η πρόωση πυραύλων.
Έτσι, όταν πρόκειται για προσομοιώσεις CFD σε ένα αεροσκάφος ικανό να σπάσει το φράγμα του ήχου, όλοι οι παραπάνω παράγοντες προσθέτουν νέα επίπεδα πολυπλοκότητας σε μια ήδη υπολογιστικά έντονη άσκηση.
«Επειδή οι αλληλεπιδράσεις χημείας και αναταράξεων είναι τόσο περίπλοκες σε αυτούς τους κινητήρες, οι επιστήμονες χρειάστηκαν να αναπτύξουν προηγμένα μοντέλα καύσης και κωδικούς CFD για να περιγράψουν με ακρίβεια και αποτελεσματικότητα τη φυσική της καύσης», δήλωσε ο Sibendu Som, συν-συγγραφέας της μελέτης και προσωρινός διευθυντής του κέντρου του Argonne's. Κέντρο Προηγμένης Έρευνας Προώθησης και Ισχύος.
Η NASA έχει έναν υπερηχητικό κώδικα CFD γνωστό ως VULCAN-CFD, ο οποίος προορίζεται ειδικά για την προσομοίωση της συμπεριφοράς των καύσεων σε ένα τέτοιο πτητικό περιβάλλον.
Αυτός ο κώδικας χρησιμοποιεί κάτι που λέγεται «πίνακες flamelet» όπου κάθε «flamelet», είναι μια μικρή μονάδα μιας φλόγας σε ολόκληρο το μοντέλο καύσης. Αυτός ο πίνακας δεδομένων, αποτελείται από διαφορετικά στιγμιότυπα της καύσης καυσίμου σε μια τεράστια συλλογή που καταλαμβάνει μεγάλη ποσότητα μνήμης υπολογιστή για επεξεργασία.
Ως εκ τούτου, οι ερευνητές της NASA και του ANL διερευνούν τη χρήση της τεχνητής νοημοσύνης για να απλοποιήσουν αυτές τις προσομοιώσεις CFD μειώνοντας τις απαιτήσεις εντατικής μνήμης και το υπολογιστικό κόστος, ώστε να αυξηθεί ο ρυθμός ανάπτυξης αεροσκαφών που διασπούν τα εμπόδια.
Οι Υπολογιστικοί Επιστήμονες στο ANL χρησιμοποίησαν έναν πίνακα flamelet, που δημιουργήθηκε από λογισμικό που αναπτύχθηκε από την Argonne για να εκπαιδεύσουν ένα τεχνητό νευρωνικό δίκτυο που θα μπορούσε να εφαρμοστεί στον κώδικα VULCAN-CFD της NASA. Το AI χρησιμοποίησε τιμές από τον πίνακα flamelet για να μάθει συντομεύσεις, σχετικά με τον προσδιορισμό της συμπεριφοράς καύσης σε περιβάλλοντα υπερηχητικού κινητήρα.
«Η συνεργασία έχει βελτιώσει την ικανότητα του εσωτερικού μας εργαλείου VULCAN-CFD αξιοποιώντας τις ερευνητικές προσπάθειες της Argonne, επιτρέποντάς μας να αναλύουμε τα χαρακτηριστικά καύσης καυσίμου με πολύ μειωμένο κόστος», δήλωσε ο Robert Baurle, ερευνητής στη NASA.
Χώρες σε όλο τον κόσμο αγωνίζονται για την επίτευξη υπερηχητικής ικανότητας πτήσης και ένα ουσιαστικό μέρος αυτού του αγώνα είναι τα πειράματα προσομοίωσης, όπου υπάρχουν τεράστιες δυνατότητες για την εφαρμογή αναδυόμενων τεχνολογιών όπως η τεχνητή νοημοσύνη και η μηχανική μάθηση (ML).
Τον περασμένο μήνα, σύμφωνα με πρόσφατη έκθεση των EurAsian Times, Κινέζοι ερευνητές με επικεφαλής έναν σύμβουλο ανώτατου επιπέδου του κινεζικού στρατού για την τεχνολογία υπερηχητικών όπλων, ισχυρίστηκαν μια σημαντική ανακάλυψη σε ένα σύστημα AI που μπορεί να σχεδιάζει νέα υπερηχητικά οχήματα αυτόνομα.
Επιπλέον, τον Φεβρουάριο μια κινεζική διαστημική εταιρεία που ονομάζεται Space Transportation, ανακοίνωσε σχέδια για δοκιμές που ξεκινούν το επόμενο έτος σε ένα υπερηχητικό αεροπλάνο ικανό να κάνει 7.000 μίλια την ώρα.
Η εταιρεία ισχυρίστηκε ότι, το αεροπλάνο της θα μπορούσε να πετάξει από το Πεκίνο στη Νέα Υόρκη σε μια ώρα.
