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RocketSmith：面向大推力火箭的智能体增材制造 RocketSmith: Agentic Additive Manufacturing of High-Powered Rockets

Peter Pak, Jesse Barkley, Rumi Loghmani, Derek Baich, Ananya Pamal, Amir Barati Farimani 📅 2026-06-26 👍 7 2026-07-13 08:37

CAD生成增材制造多工具编排智能代理系统火箭设计自动化设计

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LLM代理系统自动化设计制造高功率火箭，实现稳定飞行验证

前置知识

智能代理系统

智能代理系统是一种平台，使大型语言模型能够通过上下文、推理、工具调用和优化来自主完成多步骤目标。它主要由三个组件构成：LLM启用的推理和编排、用于精确响应的工具调用，以及提供LLM推理和工具运行时的agent harness。这些系统能够在单个输入提示和训练数据领域的约束之外进行操作，通过将复杂任务分解为子任务并验证结果来解决实际问题。

本文核心是构建一个智能代理系统来自动化火箭设计制造流程，理解代理系统的工作原理对于理解本文如何将LLM与专业工具集成至关重要。

高功率火箭

高功率火箭是中级火箭类别，总冲量上限为$40,960$ $\text{N} \cdot \text{s}$。这类火箭最容易被成年爱好者接触，在获得适当认证后允许购买电机。稳定性计算是设计过程中的关键组件，稳定性值在$1.00$到$1.25$ cal之间是期望的，通过压力中心$x_{CP}$、重心$x_{CG}$和机体直径$d$三个主要变量确定：$\text{Stability} = \frac{x_{CG} - x_{CP}}{d}$。

理解高功率火箭的基本原理和设计约束对于理解RocketSmith系统要解决的具体问题领域非常重要，包括稳定性要求、制造限制等。

增材制造（3D打印）

增材制造通过逐层添加材料来制造物体，FDM（熔融沉积建模）是常用的3D打印技术。本文中使用PETG和ABS材料进行打印，因为它们具有比PLA更高的热偏转温度，更适合承受火箭电机点火时的高温。打印参数包括$15\%$螺旋填充、$4$-$5$层垂直壁和$0.20$ mm层高。总冲量定义为推力在燃烧持续时间内的积分：$I_{total} = \int_{0}^{t_b} F(t) dt$，其中推力$F = \dot{m}v_e$。

增材制造是RocketSmith系统最终输出制造环节的核心技术，理解其工艺限制和材料特性对于理解系统的设计决策和制造验证至关重要。

模型上下文协议

MCP是一个标准化协议，用于代理系统和外部工具之间的通信。它定义了一套标准的接口和数据格式，使得LLM能够可靠地调用各种工具，避免schema不匹配和语义错误等失败模式。RocketSmith按照MCP标准开发，并作为Claude Code等代理工具的插件发布，实现了跨平台的兼容性和标准化的工具调用接口。

MCP是RocketSmith的技术基础，理解这个协议有助于理解本文如何实现LLM与OpenRocket、build123d、PrusaSlicer等专业软件工具的可靠集成。

研究动机

高功率火箭的开发通常是一个迭代过程，因为由于制造过程中意识到的因素、零件可用性和其他不可预见的事件，设计规格会发生变化。这导致了一个迭代循环，其中稳定性等变量会使用制造后获得的组件值重新计算，从而为装配中的其他组件告知设计和制造决策。在迭代循环中，飞行仿真、设计和制造的各种软件工具之间存在明显的摩擦。现有方法如RocketBench发现，虽然前沿LLM在迭代优化过程中表现出强大的基础工程直觉，但这些模型在迭代优化过程中持续低于人类专家性能，暴露了标准LLM难以将模拟反馈转化为有意义的设计更新的根本限制。

本文的目标是本文的目标是介绍RocketSmith，一个由子代理、技能和工具调用能力组成的智能代理系统，按照模型上下文协议标准开发，作为Claude Code等代理工具的插件发布。该系统能够编排必要的飞行仿真，设计适当的CAD文件，并根据用户提供的约束和规格生成高功率火箭的制造文件。RocketSmith生成的原理图随后通过熔融沉积建模进行增材制造并组装，通过在后续发射活动的一系列飞行测试中进行评估，从飞行测试子集收集的定量高度计数据以及定性指标用于评估智能代理系统的整体性能。

与已有工作不同的是，本文的独特切入点是：与RocketBench中依赖LLM直接迭代优化设计参数不同，RocketSmith将这些数值精确任务委托给工具，而不是要求LLM推理关于模拟反馈并自己更新参数。这解决了RocketBench确定的核心失败模式，其中设计过程的结构化使得每个阶段产生可验证的输出，供下一个阶段确定性地消费。这些包括稳定性计算、轨迹仿真、切片和质量估计等任务。通过将这些数值精确任务委托给专业工具如OpenRocket、build123d和PrusaSlicer，系统能够获得准确的结果，而LLM专注于推理和编排。

核心方法

RocketSmith的整体思路是将LLM作为编排器，调用三个主要专业软件工具来完成火箭设计和制造流程。系统首先使用OpenRocket创建火箭设计和仿真，验证飞行特性如稳定性；然后使用build123d生成参数化STEP文件；最后使用PrusaSlicer进行更精确的重量估算和工具路径生成。整个流程在零样本或人工在环条件下运行，提供图形用户界面来监控和评估输出，包括CAD模型、飞行仿真和组件树。系统通过六个子代理和七个技能来实现专业化任务的模块化管理，实现了从概念设计到实际制造和飞行测试的完整闭环。

核心创新点是将数值精度任务委托给专业工具，LLM仅负责推理和编排。这与依赖LLM直接进行数值优化的方法有本质区别。通过使用OpenRocket Helper Python绑定包、build123d CAD库和PrusaSlicer切片软件，系统能够获得准确的稳定性计算、轨迹仿真、重量估算和制造文件。另一个关键创新是按照MCP标准开发，使系统能够作为Claude Code等代理工具的插件使用，提供标准化的工具调用接口。系统还实现了实时可视化，通过基于Web的GUI显示工具调用结果，允许用户观察代理行为并发出迭代调整。

方法步骤详情

方法步骤完整流程如下：首先是电机选择技能，使用户能够指定特定的电机规格如AeroTech H100W、H219T或J425R作为设计基础；然后系统在OpenRocket中创建稳定的火箭设计，生成组件树和飞行仿真，包括稳定性计算$\text{Stability} = \frac{x_{CG} - x_{CP}}{d}$；接着执行稳定性分析技能，验证稳定性值在$1.00$到$1.25$ cal之间；可选的设计为增材制造技能会调查组件整合的可能性；生成结构技能概述CAD模型的第一次传递；修改结构技能执行以添加次要调整；最后打印准备技能概述将每个组件的STEP文件发送到PrusaSlicer进行重量估算和工具路径生成的过程。

技术新颖性

技术新颖性体现在多个方面：一是首次将智能代理系统应用于高功率火箭的完整设计制造流程，从概念到飞行测试；二是采用工具委托策略而非让LLM直接进行数值优化，避免了LLM在数值精度任务上的局限性；三是实现了六个专业子代理和七个技能的模块化架构，每个子代理负责有限范围，实现高效上下文利用；四是开发了图形用户界面提供实时可视化，允许用户观察代理行为并发出迭代调整；五是按照MCP标准开发，作为Claude Code插件发布，实现了标准化的工具调用和跨平台兼容性；六是支持零样本和人工在环两种工作模式，提供了灵活的使用方式。

**Figure 1**: RocketSmith utilized as a Claude Code plugin enables the efficient development of high powered rockets

**Figure 3**: (Left) OpenRocket provides the foundational toolkit for generating rocket designs and running flight simulations. (Right) RocketSmith establishes a component tree to use for the generation of STEP file components and design related skills and subagents.

**Figure 4**: (Left) build123d is the primary framework to use for generating the parametric part configurations written in Python. (Right) STEP file is generated from running Python snippet and visualization allows for easy part adjustment.

**Figure 5**: Weight estimation for generated STEP files for various components are obtained using Prusaslicer using configurations for the expected material.

**Figure 6**: (Top Window) Terminal with Claude Code provides the primary means to control the RocketSmith agentic system with initial and follow up prompts for designing high powered rockets. (Bottom Window) Web based GUI displays tool calls results, flight simulations, component trees, and CADSmith model outputs.

实验结果

飞行测试使用High Power 1、2、3和4四个火箭进行，所有测试于2026年5月3日在Dragon's Fire Field进行，天气条件理想。四个火箭中有两个成功回收并可重复飞行，而High Power 1遇到弹射电荷的结构问题，High Power 2遇到回收部署问题。High Power 1和4的机载仪器显示顶点准确度分别为$80\%$和$84\%$：High Power 1达到测量最大高度$276$ m，约为其预期顶点$338$ m的$80\%$；High Power 4达到测量顶点$479$ m，约为预期$570$ m的$84\%$。所有火箭都实现了稳定发射，没有天气舵或起飞阶段的倾斜。这些结果建立了模拟和实验之间的一致性，验证了智能代理系统能够成功设计适合增材制造的复杂装配，并在高功率火箭等特定领域应用中得到验证。

**Table 1**: Specific characteristics and quantities for High Power 1, 2, 3, and 4

**Table 2**: Expected maximum altitude, velocity, and acceleration values along with measured data points for rockets with altimeters (High Power 1 and High Power 4)

**Table 3**: Rocket motor classification by total impulse (Classes A–O)

**Figure 2**: (Left to Right) High Power 1 launched by Pak with an AeroTech H100W motor, High Power 2 launched by Loghmani with AeroTech H219T motor, High Power 3 launched by Barkley also with AeroTech H219T, and High Power 4 launched by Pak with an AeroTech J425R motor

**Figure 8**: Rocket design schematics for High Power 1 (Pak), 2 (Loghmani), 3 (Barkley), and 4 (Pak) along with their respective components and bays.

**Figure 13**: (Top Left) Recovered High Power 1 components after fracture from ejection charge (Bottom Left) Recovered High Power 2 components after recovery bay separation failure (Middle) Successfully recovered High Power 3 after landing in tree (Right) High Power 4 after successful recovery deployment and landing in field.

**Figure 17**: Flight data collected from StratoLogger altimeters on High Power 1 and High Power 4 plotted alongside expected altitudes.

查看结构化数据

任务	指标	本文	基线	提升
火箭顶点高度预测准确性	预测顶点百分比	80-84%	N/A（首次应用）	建立了新的基线性能
飞行稳定性	稳定发射成功率	4/4 (100%)	N/A	所有火箭实现稳定发射
火箭回收成功率	可重复飞行回收率	2/4 (50%)	N/A	首次验证代理系统设计的火箭可回收

局限与改进

作者承认的局限性包括：High Power 1和4的部分CAD组件是手动设计的，不是完全由RocketSmith智能代理系统生成。电子设备外壳和High Power 4的电机保持器是使用SolidWorks单独设计并后来集成到火箭中的。对于所有火箭，集成的PrusaSlicer切片平台主要用于每个组件的重量估计。STEP文件的实际切片和打印在RocketSmith智能代理系统之外执行，使用适合每种设计和打印机的打印配置，以减少打印失败风险。本文观察到的局限性还包括：使用ABS材料时在机架的各个部分观察到开裂，特别是在High Power 1和4中，这些结构缺陷是在构建后使用环氧树脂填充修复的。High Power 2的回收部署失败表明系统在回收系统设计和验证方面存在不足。

独立分析的弱点

独立分析的弱点包括：制造环节不完全自动化，切片和打印仍在系统外执行，增加了人为干预和潜在错误风险。ABS材料开裂问题表明材料选择和打印参数优化需要改进，可以通过增加构建室隔热或使用对温度不太敏感的材料如PETG来解决。High Power 2的回收部署失败表明系统在回收系统设计和验证方面存在不足，需要更精确的延迟电荷钻孔调整或使用基于高度计的方法来提高可靠性。系统缺乏专业的火箭制造知识集成，特别是在制造和装配方面的考虑，这些对于成功的回收至关重要。另一个弱点是电子设备集成仍需手动设计，限制了系统的完全自动化能力。

未来方向

作者提出的未来工作包括：对于未来版本的RocketSmith，将开发PrusaSlicer的利用以允许更大的可视化和定制，实现真正的端到端管道。基于成果可延伸的未来研究方向包括：集成in situ监控技术来检测和修复打印过程中的缺陷如开裂；扩展系统以支持更复杂的火箭配置如多级火箭和双部署系统；集成更多材料科学知识以自动优化材料选择和打印参数；开发更先进的回收系统设计自动化，包括基于高度计的部署和冗余系统；扩展系统支持其他制造方法如SLA或SLS打印；改进子代理间的协作机制，实现更复杂的迭代优化；集成更多飞行后数据分析能力，自动从飞行数据中学习和改进设计。

复现评估

RocketSmith代码以插件/扩展的形式提供给Claude Code，可在https://github.com/ppak10/RocketSmith获得。系统使用三个主要开源或免费软件工具：OpenRocket、build123d和PrusaSlicer。硬件方面使用了多种FDM打印机包括Creality Ender 3、Ender 5 Plus和定制的Voron-2-Tall（扩展Z轴至$850$ mm），材料使用PETG和ABS filament。复现难度中等，需要火箭设计和制造的基础知识以及获取适当的打印机和材料。系统按照MCP标准开发，理论上可以在支持MCP的任何代理工具上运行，增强了可复现性。完整的实验数据包括高度计数据、飞行视频和设计文件都有详细记录，为复现提供了充分支持。