Framtida rymdfarkoster på väg till månen eller bortom kommer att dra nytta av kraftfulla datorsimuleringar som pågår vid University of Michigan som modellerar partikelkaoset som satt igång av raketdrivna landningar.

Under nedstigning, avgasplymer fluidiserar ytjord och damm, bildar kratrar och stöter landaren med grova, slipande partiklar. Denna åtgärd presenterar en mängd variabler som kan äventyra en landning. Vår nuvarande förståelse av dessa miljontals interaktioner är baserad på data som är, i vissa fall, 40 till 50 år gammal.

"Mycket av tillgänglig data som användes i designstadiet, inklusive för det kommande Mars 2020-uppdraget, är baserad på Apollo-erans data, " sa Jesse Capecelatro, en biträdande professor i maskinteknik vid U-M.

"Landningsrelevant data är väldigt svårt att generera eftersom man inte bara kan köra ett experiment på jorden. Befintliga matematiska modeller går sönder under dessa mer extrema förhållanden när partiklar närmar sig överljudshastigheter. Vår grupp utvecklar nya numeriska algoritmer som möjliggör sådana simuleringar. "

Capecelatro leder ett team som utvecklar fysikbaserade modeller som kan integreras i koder som används av NASA för att hjälpa till att förutsäga vad som kommer att hända när en rymdfarkost försöker landa miljontals miles hemifrån.

Han är specialiserad på "stökiga turbulenta flöden" och simulering av beteendet hos vätskor gjorda av två faser av materia - i det här fallet fasta partiklar suspenderade i en gas.

Mars 2020 Perseverance är planerad att starta från Cape Canaveral den 30 juli och landa den 18 februari, 2021. Capecelatro kommer att analysera dess härkomstdata och införliva dem i sina modeller.

Vad vi vet och varför det inte räcker

Apollo-erans landningar visade att stört ytmaterial kan spridas upp till en halv mil, utgör faror inte bara på själva landaren utan för närliggande fordon eller landningsplatser. Trots framsteg som gjorts under åren sedan, landningar förblir fyllda med potentiella faror.

För åtta år sedan, en vindsensor på Curiosity-rovern skadades under sin Mars-landning. Och i april 2019, Israels SpaceIL-landare, Beresheet, var minuter från landning på månen när kommunikationen misslyckades och farkosten kraschade.

När NASA går mot nya besättningsuppdrag under Artemis-programmet, detta arbete blir viktigare. Inte bara människor ombord höjer insatserna, de betyder större nyttolaster och, senare, starkare avgasplymer som interagerar med planetens yta.

Mot avancerade fysikbaserade prediktiva modeller

Mycket av arbetet utförs på Great Lakes, UM:s senaste högpresterande datorkluster. Det gör det möjligt för forskargruppen att dela upp problemet över hundratals, och till och med tusentals, av processorer samtidigt. Därför, varje processor gör en del av arbetet och behöver bara lagra en liten del av den totala datan.

Men även de mest kraftfulla datorerna i världen just nu kan bara lösa så många av dessa interaktioner. För att gå djupare, Capecelatro använder modeller – bästa gissningar baserade på all tillgänglig data – för att driva simuleringarna ytterligare. Målet är att tillhandahålla ett ramverk som NASA kan använda för att bättre förutsäga hur olika konstruktioner kommer att påverka marken och landningen, och justera.

"De största superdatorerna idag kan kanske hantera tusen partiklar där vi direkt fångar all flödesfysik, " sa Capecelatro. "Så gör en full, kvadratkilometer landningsplats är uteslutet.

"Våra simuleringar ger den grundläggande insikten om flödesfysiken som behövs för att utveckla förbättrade matematiska modeller som deras koder behöver för att simulera en fullskalig landningshändelse."