Ett amerikanskt uppdrag för att landa astronauter på Mars yta kommer att vara olik någon annan utomjordisk landning som NASA någonsin genomfört.
Även om rymdorganisationen framgångsrikt har landat nio robotuppdrag på Mars sedan sina första ytuppdrag 1976 med Viking Project, kommer det att kräva ny teknik för att flyga genom Mars atmosfär för att säkert föra människor till Mars. Men dessa tekniker och system kan inte testas heltäckande på jorden i förväg.
Sedan 2019 har ett team av NASA-forskare och deras partners använt NASA:s FUN3D-programvara på superdatorer som finns vid Department of Energys Oak Ridge Leadership Computing Facility, eller OLCF, för att utföra beräkningsvätskedynamik, eller CFD, simuleringar av en Mars i mänsklig skala lander. OLCF är en DOE Office of Science-användaranläggning belägen vid DOE:s Oak Ridge National Laboratory.
Teamets pågående forskningsprojekt är ett första steg i att avgöra hur man säkert kan landa ett fordon med människor ombord på Mars yta.
"Till sin natur har vi inga valideringsdata för detta. Vi kan göra värdefulla men begränsade tester i markanläggningar som en vindtunnel eller på en ballistisk räckvidd, men sådana tillvägagångssätt kan inte helt fånga fysiken som kommer att mötas på Mars Vi kan inte flygtesta i den faktiska Mars-miljön – det är allt eller ingenting när vi kommer dit. Det är därför superdatorer är så avgörande, säger Eric Nielsen, seniorforskare vid NASA:s Langley Research Center. femårig insats vid OLCF.
Till skillnad från de senaste Mars-uppdragen är fallskärmar inte en del av operationen. Istället är den ledande kandidaten för att landa människor på Mars retropropulsion – att avfyra framåtriktade raketer inbyggda i farkostens värmesköld för att bromsa in.
"Vi har aldrig flugit något liknande förut. Den grundläggande frågan från början var:"Kommer vi att kunna kontrollera det här fordonet på ett säkert sätt?'" sa Nielsen.
Anledningen till att NASA undersöker retropropulsion snarare än konventionella fallskärmar är en fråga om fysik. Tidigare Mars-landare har vägt cirka 1 ton; ett fordon som bär astronauter och alla deras livsuppehållande system kommer att väga 20 till 50 gånger mer, eller ungefär lika stort som ett tvåvåningshus. Mars tunna atmosfär – ungefär 100 gånger mindre tät än jordens – kommer inte att stödja en fallskärmslandning för en så stor farkost.
"Med ett konventionellt fordon flyger vi genom en mycket ren, förutsägbar miljö. Allt detta går ut genom fönstret med detta koncept, där vi kommer att färdas genom en extremt dynamisk miljö som består av raketavgaser med hög energi", säger NASA-teammedlemmen och CFD-experten Gabriel Nastac.
Med vägledning från NASAs uppdragsplanerare formulerade teamet en flerårsplan bestående av allt mer sofistikerade simuleringar som syftar till nyckelfrågan om kontrollerbarhet.
Under 2019 genomförde teamet CFD-simuleringar på Summit-superdatorn i upplösningar på upp till 10 miljarder element för att karakterisera statisk fordons aerodynamik vid förväntade gasinställningar och flyghastigheter från Mach 2,5 ner till Mach 0,8, förhållanden där fordonets raketmotorer kommer att krävas för initial retardation.
Under hela 2020 fokuserade en intensiv kodutvecklingssatsning på att portera FUN3D:s allmänna reagerande gaskapacitet till Summits grafikprocessorenhet, eller GPU, acceleratorer.
"Att förverkliga effektiv prestanda för en CFD-lösare med ostrukturerat rutnät inför komplexa fysikladdade kärnor är en enorm utmaning i en GPU-baserad datormiljö. Men vi kunde till slut omstrukturera kritiska kodsegment för att leverera den prestanda vi var ute efter , säger NASA-forskaren Aaron Walden, som leder teamets programvaruutveckling med flera arkitekturer.
Arbetet satte scenen för en viktig kampanj 2021 som gjorde det möjligt för teamet att ta itu med de komplexa interaktionerna mellan raketmotorerna för flytande syre och metan med Mars-atmosfären, som i första hand består av koldioxid och kväve. En petabyte (motsvarande 1 000 terabyte) av utdata för varje simulering som utfördes med 15 000–20 000 GPU:er på Summit gav viktiga insikter om kritiska skillnader i fordons aerodynamik jämfört med de som observerades med den tidigare simuleringens antagande om perfekt gas.
För 2022 års kampanj tog teamet ett stort steg framåt genom att införliva den toppmoderna NASA-flygmekanikmjukvaran känd som Program to Optimize Simulated Trajectories II, eller POST2, i arbetsflödet. Utöver simuleringar som antar ett statiskt flygtillstånd, försökte teamet nu "flyga" fordonet i den virtuella superdatormiljön. Detta test skulle representera ett första försök att kvantifiera och ta itu med kritisk instabil dynamik som skulle påträffas under en verklig nedstigning till Mars-ytan.
Teamet anlitade nyckelexperter från Georgia Techs Aerospace Systems Design Laboratory; denna grupp leddes av Brad Robertson. Dessa experter hade redan ägnat flera år åt att utveckla en kopplingsalgoritm för att ersätta de lågordnade aerodynamiska modellerna inom POST2 med fysikbaserade FUN3D-simuleringar i realtid för att slutligen realisera banasimuleringar med hög kvalitet som utnyttjar sofistikerade flygkontrollalgoritmer.
"Att koppla FUN3D och POST2 var en ganska utmaning. Vi var tvungna att jonglera med fem eller sex referensramar och datatransformationerna mellan dem. Men belöningen var att kunna ta tillvara allt det hårda arbete som andra NASA-ingenjörer gjort med detaljerad vägledning, navigering, kontroll och framdrivningsmodeller och att föra dem alla till en enda, enhetlig, multifysisk simulering, säger teammedlemmen Zach Ernst, doktorand i Georgia Tech vid den tiden, som arbetade med NASA-praktikanten Hayden Dean om insatsen.
Att införliva POST2 gav en ytterligare utmaning. Eftersom POST2 är föremål för mer restriktiva exportkontrollbestämmelser än FUN3D, fick teammedlemmen Kevin Jacobson i uppdrag att utveckla ett fjärrkopplingsparadigm där POST2 skulle köras på en NASA-anläggning samtidigt som den kommunicerade i realtid med FUN3D som körs i ledarskala på OLCF .
Att etablera och upprätthålla denna anslutning samtidigt som man tog hänsyn till brandväggar, nätverksavbrott och jobbschemaläggare innebar många utmaningar. Detta arbete krävde ungefär ett år av planering och samordning med cybersäkerhetspersonal och systemadministratörer vid båda anläggningarna.
Den extra ansträngningen gav resultat när teamet uppnådde sitt långsiktiga mål att flyga en betydande del av nedstigningsfasen i den virtuella miljön.
Ankomsten av OLCF:s superdator Frontier kunde inte ha kommit vid en bättre tidpunkt för projektet. Med exascale beräkningskraft (en kvintiljon eller fler beräkningar per sekund) nu en realitet, kunde teamet ha råd att återinföra den önskade fysiska modelleringen och andra lärdomar under projektets livstid.
År 2023 fokuserade teamet på den ultimata simuleringen de hade hoppats på flera år tidigare:en verkligt autonom testflygning med sluten loop som utnyttjar världens mest kraftfulla superdatorsystem.
Medan de åtta huvudmotorerna används för att styra pitch (upp-och-ned-rotation) och girning (sida-till-sida-rotation) när styrsystemet syftar till den angivna landningszonen, utfärdar POST2 också kommandon för att instruera FUN3D att periodiskt avfyra fyra reaktionskontrollsystem, eller RCS, moduler anordnade i omkretsled runt landarens baksida för att utföra rullningskorrigeringar under flygning.
"Dessa funktioner kommer att vara avgörande för att bedöma styrbarheten hos framtida fordon", säger Georgia Techs Alex Hickey, som ledde utvecklingen av RCS-modelleringen.
Teamets långsiktiga mål blev verklighet i slutet av 2023, då OLCF-personal hjälpte till med att samordna en noggrann sekvens av högprioriterade jobb under en tvåveckorsperiod i stor skala på Frontier.
"För första gången kunde vi återgå till den ursprungliga frågan om att säkert kontrollera den här typen av fordon under autonom flygning," sa Nielsen. "I en typisk flyg-CFD-simulering kan man räkna ut en sekund eller två av fysisk tid. Här gjorde Frontier det möjligt för oss att framgångsrikt flyga 35 sekunders kontrollerad flygning, nedåtgående från 8 kilometers höjd till cirka 1 kilometer (0,6 miles) ) när fordonet närmade sig sin landningsfas.
"Upplösningen, den fysiska modelleringen och den tidsmässiga varaktigheten är bortom allt vi skulle kunna pröva på ett konventionellt högpresterande datorsystem," tillade Nielsen. möjligheter och expertis i världsklass som OLCF har tillhandahållit."
Mer information: Jan-Renee Carlson et al, High-Fidelity Simulations of Human-Scale Mars Lander Descent Trajectories, AIAA AVIATION 2023 Forum (2023). DOI:10.2514/6.2023-3693
Ashley M. Korzun et al, Application of a Detached Eddy Simulation Approach with Finite-Rate Chemistry to Mars-relevant Retropropulsion Operating Environments, AIAA SCITECH 2022 Forum (2022). DOI:10.2514/6.2022-2298
Gabriel Nastac et al, Computational Investigation of the Effect of Chemistry on Mars Supersonic Retropropulsion Environments, AIAA SCITECH 2022 Forum (2022). DOI:10.2514/6.2022-2299
Tillhandahålls av Oak Ridge National Laboratory
