Den typ av fordon som ska transportera människor till den röda planeten håller på att bli "som ett tvåvåningshus som du försöker landa på en annan planet. Värmeskölden på framsidan av fordonet är drygt 16 meter i diameter , och själva fordonet, under landning, väger tiotals metriska ton. Den är enorm, " sa Ashley Korzun, en forskningsflygingenjör vid NASA:s Langley Research Center.

Ett fordon för mänsklig utforskning kommer att väga betydligt mer än det välbekanta, bilstora rovers som Curiosity, som har utplacerats till planetens yta med fallskärm.

"Du kan inte använda fallskärmar för att landa mycket stora nyttolaster på Mars yta, " Sa Korzun. "Fysiken bara går sönder. Du måste göra något annat."

NASA förväntar sig att människor ska resa till Mars i mitten till slutet av 2030-talet, så ingenjörer har suttit på ritbordet ett tag. Nu, de har en lovande lösning i retropropulsion, eller motordriven retardation.

"Istället för att driva dig framåt, retropropulsion motorer saktar ner dig, som bromsar, " sa Korzun.

Leds av Eric Nielsen, en senior forskare vid NASA Langley, ett team av forskare och ingenjörer inklusive Korzun använder Summit, världens snabbaste superdator vid det amerikanska energidepartementets (DOEs) Oak Ridge National Laboratory (ORNL), att simulera retropropulsion för landande människor på Mars.

"Vi kan visa ganska revolutionerande prestanda på Summit i förhållande till vad vi var vana vid med en konventionell datormetod, sa Nielsen.

Teamet använder sin CFD-kod (Computational Fluid Dynamics) som kallas FUN3D för att modellera fordonets Mars-nedstigning. CFD-tillämpningar använder stora ekvationssystem för att simulera småskaliga interaktioner mellan vätskor (inklusive gaser) under flöde och turbulens – i detta fall, för att fånga de aerodynamiska effekter som skapas av landningsfordonet och atmosfären.

"FUN3D och själva datorkapaciteten har förändrats helt, gör det möjligt för oss att gå vidare med teknikutveckling för retropropulsion, som har applikationer på jorden, månen och Mars, " sa Korzun.

Sticker landningen

NASA har redan framgångsrikt placerat ut åtta landare på Mars, inklusive mobila vetenskapslaboratorier utrustade med kameror, sensorer, och kommunikationsenheter – och forskare är bekanta med planetens andra världsliga utmaningar.

Mars atmosfär är ungefär 100 gånger tunnare (mindre tät) än jordens, vilket resulterar i en snabb nedstigning från omloppsbanan - ungefär sex till sju minuter snarare än 35 till 40 minuters återinträdestid för jorden.

"Vi kan inte matcha all relevant fysik i mark- eller flygtestning på jorden, så vi är mycket beroende av beräkningsförmåga, " sa Korzun. "Detta är verkligen den första möjligheten – på denna nivå av trohet och upplösning – att vi har kunnat se vad som händer med fordonet när det saktar ner med motorerna på."

Under retropropulsion, fordonet är känsligt för stora variationer i aerodynamiska krafter, vilket kan påverka motorns prestanda och besättningens förmåga att kontrollera och landa fordonet på en riktad plats.

Teamet behöver en kraftfull superdator som 200 petaflop Summit för att simulera hela fordonet när det navigerar i en rad atmosfäriska och motorförhållanden.

För att förutsäga vad som kommer att hända i Mars-atmosfären och hur motorerna ska utformas och kontrolleras för besättningens framgång och säkerhet, forskare måste undersöka ostadiga och turbulenta flöden över längd- och tidsskalor – från centimeter till kilometer och från bråkdelar av en sekund till minuter. För att exakt replikera dessa avlägsna förhållanden, teamet måste modellera de stora dimensionerna på landaren och dess motorer, de lokala atmosfäriska förhållandena, och förhållandena för motorerna längs nedstigningsbanan.

På toppmötet, teamet modellerar landaren vid flera punkter under dess sex till sju minuter långa nedstigning. För att karakterisera flödesbeteendet över hastigheter som sträcker sig från överljud till subljud, forskare kör ensembler (sviter av individuella simuleringar) för att lösa vätskedynamik med en upplösning på upp till 10 miljarder element med så mycket som 200 terabyte information lagrad per körning.

"En av de främsta fördelarna med Summit för oss är maskinens snabba hastighet, sa Nielsen.

Himmelsk hastighet

Nielsens team tillbringade flera år med att optimera FUN3D – en kod som har avancerad aerodynamisk modellering i flera decennier – för ny GPU-teknik med CUDA, en programmeringsplattform som fungerar som en mellanhand mellan GPU:er och traditionella programmeringsspråk som C++. Genom att utnyttja hastigheten på Summits GPU:er, Nielsens team rapporterar en 35-faldig ökning av prestanda per beräkningsnod.

"Vi skulle vanligtvis vänta fem till sex månader för att få ett likvärdigt svar med CPU-teknik i en kapacitetsmiljö, vilket innebär många mindre körningar. På toppmötet, vi får de svaren inom fyra till fem dagar, sade han. Dessutom, Summit gör det möjligt för oss att utföra fem eller sex sådana simuleringar samtidigt, i slutändan minskar handläggningstiden från två eller tre år till en arbetsvecka."

Forskargruppen inkluderar visualiseringsspecialister vid NASAs Ames Research Center, som tar den kvantitativa datan och omvandlar den till en actionbild av vad som händer.

"Visualiseringen är en stor takeaway från toppmötets förmåga, vilket har gjort det möjligt för oss att fånga mycket små flödesstrukturer såväl som riktigt stora flödesstrukturer, " sa Korzun. "Jag kan se vad som händer precis vid raketmotorns munstyckesutgång, samt tiotals meter framåt i den riktning som fordonet färdas."

När teammedlemmarna fortsätter att samla in ny Summit-data, de funderar på nästa steg för att designa ett mänskligt utforskningsfordon för Mars.

"Även om vi återvänder till månen, NASA:s långsiktiga mål är människans utforskning av Mars yta. Dessa resultat informerar tester, såsom vindtunneltestning, som vi kommer att göra under de kommande åren, " sa Korzun. "Så denna information kommer att vara användbar under mycket lång tid."