Du kanske har flugit en flygsimulator i ett datorspel eller på ett vetenskapsmuseum. Att landa utan att krascha är alltid det svåraste. Men det är ingenting jämfört med utmaningen som ingenjörer står inför att utveckla en flygsimulering av de mycket stora fordon som behövs för att människor ska kunna utforska Mars yta. Den röda planeten innebär otaliga utmaningar för astronauter, av vilka inte minst tar sig dit.
Det är där Department of Energy Office of Sciences användaranläggning superdatorer kommer in. Forskare vid DOE:s Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) arbetar med NASA-ingenjörer och forskare för att simulera processen att sakta ner en enorm rymdfarkost när den rör sig mot Mars yta .
Att landa rymdfarkoster på Mars är inte nytt för NASA. Byrån körde sina första uppdrag till planeten 1976 med Viking-projektet. Sedan dess har NASA framgångsrikt genomfört ytterligare åtta Mars-landningar.
Det som gör det här målet annorlunda är det faktum att det är mycket svårare att landa den enorma rymdfarkost som krävs för mänsklig utforskning än de för robotuppdrag. Robotfordonen använder fallskärmar för att bromsa genom Mars atmosfär. Men en rymdfarkost som transporterar människor kommer att vara cirka 20 till 50 gånger tyngre.
Ett så här stort fordon kan helt enkelt inte använda fallskärmar. Istället kommer NASA att behöva förlita sig på retrodrivning. Den här tekniken använder raketer som skjuter framåt för att bromsa fordonet när det närmar sig ytan.
Ett antal utmaningar kommer med att använda retrodrivning. Avgaserna från raketmotorn med hög energi samverkar med både fordonet och Mars-atmosfären. Den dynamiken förändrar hur teamet behöver vägleda och kontrollera fordonet. Dessutom kan ingenjörer helt replikera hur en flygning på Mars skulle gå på jorden. Även om de kan testa rymdfarkoster i vindtunnlar och använda andra verktyg, är dessa verktyg inte en perfekt ersättning eller direkt analog för Marsmiljön.
För att fylla i luckorna vände sig NASA till OLCF-superdatorerna och deras expertdatavetare. I teorin kan program som körs på superdatorer till fullo simulera Marsmiljön och många av den komplexa fysik som är förknippad med användning av retropropulsion.
Projektgruppen har förlitat sig på FUN3D, en mångårig svit av mjukvaruverktyg som modellerar hur vätskor – inklusive luft – rör sig. Ingenjörer skapade den första versionen av koden i slutet av 1980-talet och har kontinuerligt gjort stora förbättringar sedan dess. Byråer och företag inom flyg- och rymdteknik har använt det för att ta sig an stora utmaningar.
Den nuvarande Mars-satsningen började 2019 på Summit, OLCF:s snabbaste dator vid den tiden. De initiala simuleringarna antog fasta förhållanden. De simulerade bara en punkt längs fordonets bana. Dessa tidiga versioner gjorde det möjligt för forskare att utvärdera effekterna av flyghastigheter, motorinställningar och mer. Ytterligare utvecklingar gjorde det möjligt för ingenjörer att utforska verkliga gaseffekter.
De kan stå för raketmotorerna med flytande syre och metan och den koldioxidtunga atmosfären på mars. Även dessa tidiga simuleringar resulterade vanligtvis i petabyte-stora datamängder. Det skulle krävas cirka 1 000 kraftfulla hemdatorer för att lagra en enda petabyte. Men inte ens dessa var fullständiga simuleringar – det var inte möjligt än.
Nästa steg var att införliva en helt ny mjukvara i simuleringen – programmet för att optimera simulerade banor (POST2). NASA utvecklade POST2 för att analysera flygmekanik för ett brett spektrum av applikationer. Medan initiala simuleringar förlitade sig på statiska förhållanden, tillät POST2 forskare att dynamiskt "flyga" fordonet i simuleringen. Teamet engagerade forskare från Georgia Techs Aerospace Systems Design Laboratory.
De hade tidigare utvecklat unika strategier för att koppla POST2 med aerodynamiska simuleringar med hög kvalitet. Att införliva POST2 krävde också att ingenjörer ändrade projektets arbetsflöde. Användningen av programvaran var begränsad till NASAs datorsystem av säkerhetsskäl. Som sådan behövde teamet säkerställa att NASA-systemen kunde kommunicera smidigt med Summit på OLCF.
Att lösa problem med brandväggar, nätverksavbrott och andra program krävde ett helt års planering för cybersäkerhets- och systemadministrationsteamen vid båda anläggningarna!
Det senaste framstegen innebar att flytta över hela simuleringen till den nyaste och mest kraftfulla datorn på OLCF—Frontier. Frontier är den första exascale-datorn i världen och är betydligt kraftfullare än tidigare superdatorer. Med en serie koordinerade körningar under en tvåveckorsperiod körde teamet sin hittills mest utarbetade flygsimulering.
Det var en 35-sekunders nedstigning från 5 miles höjd till cirka 0,6 miles. Simuleringen bromsade fordonet från 1 200 miles per timme till cirka 450 miles per timme. POST2 kunde självstyra fordonet på ett stabilt sätt med sina åtta huvudmotorer och fyra reaktionsstyrsystemsmoduler.
Med den enorma kraft som Frontier tillhandahåller på OLCF går NASA-ingenjörer framåt för att ta sig an nya gränser inom rymdresor.
Tillhandahålls av US Department of Energy
