三名17岁高中生模仿人体皮肤排汗原理，重新设计了气动塞式火箭发动机喷嘴，将温度和热通量降低最多40%。
说到火箭，钟形发动机是常态，但它们并非效率最高的形状。工程师之所以依赖这种设计，只是因为它避免了一种更高效发动机面临过的过热风险。如今，三名17岁少年重新设计了更高效的"气动塞式"发动机的喷嘴，使其能更好地管理热量。
Devin Wanchoo、Michael Obeng和Mazon Ben Chouikha就读于弗吉尼亚州马纳萨斯创新公园的州长学校。他们的工作始于一项课堂作业。Michael说，他们"想在航空航天领域做些事情"，涉及仿生学，"然后我们想做些前所未有的事情"。
这些年轻工程师在研究中了解到，钟形火箭发动机越往高处飞，推力就越弱。数十年来，工程师们一直在试验一种能避免此局限的替代方案：气动塞式发动机。可惜这种设计也有自身的大问题——超高温废气直接冲击在塞体结构上。最终这些热量可能"导致塞体在热应力下熔化和开裂"，Devin说。
他们的工作赢得了2026年再生元国际科学与工程大奖赛(ISEF)的入场券。来自65个国家或地区的1725名学生参加了第76届ISEF。
在火箭升空过程中，高大气压力最初将废气压缩成柱状。但随着火箭攀升，气压减弱，废气开始向外膨胀扩散。钟形发动机"可能损失高达30%的效率"，Devin说。气动塞式发动机的中央塞体引导气体向下，使其无法扩散。但废气的温度"极其高"，Michael指出，塞体尖端承受反复的热冲击。气体沿塞体回流，这有助于维持气流稳定，但也会增加热量。Devin指出，让这种发动机保持强劲排气流的机制，"正是导致塞体严重受热的原因"。
为应对这一难题，三人组向大自然寻求灵感。生物进化出了各种冷却自身的方式。团队研究了植物叶脉、昆虫外骨骼、鲨鱼组织等。他们创建了一个名为ICARUS的机器学习算法，用其来测试仿生冷却策略。Devin说ICARUS"可能是我们项目中最创新的部分"，它是一个热驱动版本的简化工具，类似于航空航天业使用的工具，而且不止于测试想法，"我们把它建在机器学习层上，能够建议应该尝试的塞体形状"。
几位年轻工程师从自然启发的形状出发，然后用ICARUS优化这些设计。例如Mazon说，团队可能提出某种表面图案，然后ICARUS"可能改变其宽度或深度"以优化耐热性。这一方法奏效了。"我们能够将温度和热通量降低最多40%，"Devin说。
人体皮肤启发了他们最成功的设计。皮肤上的毛孔释放汗液，汗液蒸发时会带走热量。模仿这一机制帮助"排出推进剂来对抗热量攀升"，Devin说。
团队利用从ICARUS学到的知识，3D打印了六个最有前景设计的模型。他们将模型放在热风枪下，测量每个模型达到90摄氏度和110摄氏度所需的时间，以及模型开始变形的温度。然后他们用铜制造了表现最佳模型的实物原型。在最后测试阶段，他们成为首批对此类发动机进行冷流测试的高中生。Devin解释说，冷流测试"就是测试你的发动机能否正常加压，确保推进剂在流动"。
三人因其工作获得了ISEF工程技术与静力学和动力学组的第四名和600美元奖金。
本文译自 snexplores，由 BALI 编辑发布。