New Argonne使用人工智能的研究正在简化高超音速飞机发动机的模拟，这些发动机具有国防和商业应用。鸣谢:Shutterstock/Andrey_l .大约75年前，美国空军飞行员查克·叶格成为第一个飞行速度超过音速的人。从那以后，工程师们一直在推进超高速飞行的极限，达到了我们大多数人只能想象的速度。今天，像F-15这样的军用战斗机通常超过2马赫，这是两倍音速的简写。那是超音速水平。在5马赫以上的高超音速飞行中，飞机的飞行速度超过每小时3000英里。以这个速度，你可以在午休时从纽约飞到洛杉矶。
自20世纪50年代以来，用于火箭的相同推进技术使高超音速成为可能。但是，为了使高超音速飞行更加普遍，并且比火箭发射便宜得多，工程师和科学家们正在研究先进的喷气发动机设计。这些新概念为商业飞行、太空探索和国防带来了巨大的机遇:例如，高超音速飞机可以作为航天器的可重复使用的运载工具。
在制造和测试任何飞机之前，计算机模拟有助于确定什么是可能的。研究人员长期以来一直使用计算流体动力学(CFD)来预测飞行中的飞机如何与周围的力相互作用。CFD是一个科学领域，致力于用数字来表示流体(如空气和水)的行为。
一架能够突破音障的飞机给已经计算量很大的演习带来了新的复杂程度。美国能源部(DOE)阿贡国家实验室和美国国家航空航天局(NASA)的研究人员正在率先使用人工智能来简化CFD模拟，并加速突破障碍的飞机的开发。
超音速飞行的疯狂产生了类似的疯狂流体动力学。当它超过音速时，飞机会产生冲击波，其中包含的空气比周围的空气更热、密度更大、压力更高。在高超音速时，产生的空气摩擦如此强烈，以至于可以熔化传统商用飞机的部件。
CFD模拟必须考虑空气中的主要变化，不仅是飞机周围的变化，还包括空气穿过发动机并与燃料相互作用时的变化。被称为吸气式喷气发动机的飞机在飞行时吸入氧气燃烧燃料。在传统的飞机上，风扇叶片推动空气前进。但在3马赫及以上时，喷流本身的运动压缩了空气。这些被称为超燃冲压发动机的飞机设计是实现燃料效率水平的关键，而火箭推进无法做到这一点。但是在高超音速飞行中运行它们，据说，就像在飓风中点燃一根火柴并让它一直亮着。
“由于这些发动机中的化学和湍流相互作用非常复杂，科学家需要开发先进的燃烧模型和CFD代码，以准确有效地描述燃烧物理，”研究合著者兼阿贡先进推进和动力研究中心临时中心主任Sibendu Som说。
为了模拟燃烧在这种不稳定环境中的表现，美国宇航局有一个名为VULCAN-CFD的高超音速CFD代码。该代码处理多维小火焰表，其中每个小火焰代表火焰的一维版本。数据表在一次大规模收集中保存了燃烧燃料的不同快照，这需要大量的计算机内存来处理。在一项最新发表的研究中，阿贡科学家使用机器学习技术来降低与模拟超音速燃料燃烧相关的密集内存需求和计算成本。
“与美国宇航局的合作使我们有机会将我们的新发展整合到最先进的CFD代码中，并进一步改善高超音速喷气式飞机更有效的设计和优化的发展，”阿贡计算科学家、研究合著者锡南·德米尔说。
由Argonne开发的软件生成的火焰面表用于训练人工神经网络。在作为机器学习子集的人工神经网络中，计算机可以像人脑一样从数据中获得洞察力。在这里，网络使用来自火焰表的值来学习关于燃烧在超音速发动机环境中如何表现的“答案”的捷径。
该方法已在亚音速应用的先前研究中得到验证。这项新研究利用阿贡实验室计算资源中心的高性能计算资源，将其应用于超音速和高超音速问题。能源部科学办公室和美国宇航局兰利研究中心提供了资金。
“阿贡和美国宇航局之间的合作是有价值的，因为我们的模型和软件可以有效地应用于他们的，”德米尔说。“这是一种以不同方式进行高速推进CFD模拟的方式。”
这篇论文详细介绍了新的神经网络框架，题为“超音速燃烧室中基于深度神经网络的非稳态小火焰进程变量方法”，于1月初在美国航空航天学会SciTech论坛上发表。
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