_ Planificarea pentru o lină aterizare pe Marte

O misiune americană de aterizare a astronauților pe suprafața lui Marte va fi diferită de orice altă aterizare extraterestră întreprinsă vreodată de NASA.

Deși agenția spațială a aterizat cu succes nouă misiuni robotice pe Marte de la primele sale misiuni la suprafață în 1976 cu Proiectul Viking, aducerea în siguranță a oamenilor pe Marte va necesita noi tehnologii pentru zborul prin atmosfera marțiană. Dar aceste tehnologii și sisteme nu pot fi testate cuprinzător pe Pământ în prealabil.

Din 2019, o echipă de oameni de știință NASA și partenerii lor au folosit software-ul FUN3D al NASA pe supercalculatoarele situate la Oak Ridge Leadership al Departamentului de Energie. Computing Facility, sau OLCF, pentru a efectua simulări de dinamică computațională a fluidelor, sau CFD, ale unui aterizare la scară umană pe Marte. OLCF este o facilitate pentru utilizatori DOE Office of Science situată la Laboratorul Național Oak Ridge al DOE.

Proiectul de cercetare în curs de desfășurare al echipei este un prim pas în determinarea modului de aterizare în siguranță a unui vehicul cu oameni la bord pe suprafața planetei Marte. .

„Prin însăși natura sa, nu avem date de validare pentru acest lucru. Putem face teste valoroase, dar limitate, în instalații terestre, cum ar fi un tunel de vânt sau pe o zonă balistică, dar astfel de abordări nu pot surprinde pe deplin. fizica care va fi întâlnită pe Marte. Nu putem testa în zbor în mediul marțian real - este totul sau nimic când ajungem acolo. De aceea supercalcularea este atât de importantă", a spus Eric Nielsen, cercetător senior la NASA. Centrul de Cercetare Langley și investigator principal pentru efortul de cinci ani la OLCF.

Spre deosebire de misiunile recente pe Marte, parașutele nu fac parte din operațiune. În schimb, principalul candidat pentru aterizarea oamenilor pe Marte este retropropulsia - tragerea de rachete orientate spre înainte încorporate în scutul termic al navei pentru a decelera.

„Nu am mai zburat niciodată așa ceva până acum. Întrebarea fundamentală de la începutul a fost: „Vom fi capabili să controlăm acest vehicul în siguranță?’”, a spus Nielsen.

Motivul pentru care NASA investighează retropropulsiunea mai degrabă decât parașutele convenționale este o chestiune de fizică. aproximativ 1 tonă; un vehicul care transportă astronauți și toate sistemele lor de susținere a vieții va cântări de 20 până la 50 de ori mai mult, sau aproximativ dimensiunea unei case cu două etaje. Atmosfera subțire a lui Marte - de aproximativ 100 de ori mai puțin densă decât cea a Pământului - nu va sprijiniți o aterizare cu parașuta pentru o ambarcațiune atât de mare.

„Cu un vehicul convențional, zburăm printr-un mediu foarte curat, previzibil. Toate acestea ies pe fereastra cu acest concept, în care vom călători printr-un mediu extrem de dinamic, constând din evacuarea rachetelor de înaltă energie”, a declarat membrul echipei NASA și expert CFD Gabriel Nastac.

Cu îndrumarea de la Planificatorii misiunii NASA, echipa a formulat un plan multianual constând din simulări din ce în ce mai sofisticate care vizează problema cheie a controlabilității.

În 2019, echipa a efectuat simulări CFD pe supercomputerul Summit la rezoluții de până la 10 miliarde de elemente pentru a caracterizează aerodinamica statică a vehiculului la setările anticipate ale accelerației și vitezele de zbor care variază de la Mach 2,5 până la Mach 0,8, condiții în care motoarele rachete ale vehiculului vor fi necesare pentru decelerația inițială.

Pe parcursul anului 2020, un efort intens de dezvoltare a codului a fost concentrat. despre portarea capabilităților generale de gaz de reacție ale FUN3D la acceleratoarele Summit pentru unitatea de procesare grafică sau GPU.

„Realizarea performanței eficiente a unui solutor CFD cu grilă nestructurată în fața unor nuclee complexe încărcate de fizică este o provocare enormă. într-un mediu de calcul bazat pe GPU. Dar, în cele din urmă, am reușit să restructuram segmente critice de cod pentru a oferi performanța pe care o urmărim”, a declarat cercetătorul de la NASA Aaron Walden, care conduce dezvoltarea de software multi-arhitectură a echipei.

Lucrările au pregătit terenul pentru o campanie importantă din 2021, care a permis echipei să abordeze interacțiunile complexe ale motoarelor de rachete cu oxigen lichid/metan cu atmosfera marțiană, care constă în principal din dioxid de carbon și azot. Un petaoctet (echivalent cu 1.000 de teraocteți) de date de ieșire pentru fiecare simulare efectuată folosind 15.000-20.000 de GPU-uri pe Summit a oferit informații cheie asupra diferențelor critice în aerodinamica vehiculului față de cele observate folosind ipoteza gazului perfect a simulării anterioare.

Pentru campania din 2022, echipa a făcut un pas important înainte prin încorporarea în fluxul de lucru a software-ului de ultimă generație de mecanică de zbor NASA, cunoscut sub numele de Programul de optimizare a traiectoriilor simulate II, sau POST2. Trecând dincolo de simulările care presupun o condiție de zbor statică, echipa a căutat acum să „zboare” vehiculul în mediul virtual de supercomputer. Acest test ar reprezenta o primă încercare de cuantificare și abordare a dinamicii critice instabile care ar fi întâlnite în timpul unei coborâri efective pe suprafața marțiană.

Echipa a recrutat experți cheie de la Laboratorul de proiectare a sistemelor aerospațiale de la Georgia Tech; acest grup era condus de Brad Robertson. Acești experți au petrecut deja câțiva ani dezvoltând un algoritm de cuplare pentru a înlocui modelele aerodinamice de ordin scăzut din POST2 cu simulări FUN3D în timp real, bazate pe fizică, pentru a realiza, în cele din urmă, simulări de traiectorie de înaltă fidelitate, care folosesc algoritmi sofisticați de control al zborului.

„Cuplarea FUN3D și POST2 a fost o provocare destul de mare. A trebuit să jonglam cu cinci sau șase cadre de referință și cu transformările de date dintre ele. Dar recompensa a fost posibilitatea de a adopta toată munca grea depusă de alți ingineri NASA cu îndrumări detaliate, modele de navigație, control și propulsie și să le aducem pe toate într-o simulare unică, multifizică”, a declarat membrul echipei Zach Ernst, doctorand în Georgia Tech la acea vreme, care a lucrat cu Hayden Dean, stagiar absolvent al NASA, la acest efort.

Incorporarea POST2 a adus o provocare suplimentară. Deoarece POST2 este supus unor reglementări mai restrictive de control al exportului decât FUN3D, membrul echipei Kevin Jacobson a fost însărcinat să dezvolte o paradigmă de cuplare la distanță în care POST2 să se execute într-o facilitate NASA în timp ce comunică în timp real cu FUN3D care rulează la scară de conducere la OLCF. .

Stabilirea și menținerea acestei conexiuni în timp ce se ține cont de firewall-uri, întreruperi ale rețelei și programatori de lucrări a prezentat numeroase provocări. Această muncă a necesitat aproximativ un an de planificare și coordonare cu personalul de securitate cibernetică și cu administratorii de sistem din ambele facilități.

Efortul suplimentar a dat roade atunci când echipa și-a atins obiectivul pe termen lung de a zbura o parte substanțială a fazei de coborâre. în mediul virtual.

Sosirea supercomputerului Frontier al OLCF nu ar fi putut veni într-un moment mai bun pentru proiect. Cu puterea de calcul exascale (un quintilion sau mai multe calcule pe secundă) acum o realitate, echipa și-ar putea permite să reintroducă modelarea fizică dorită și alte lecții învățate de-a lungul duratei de viață a proiectului.

În 2023, echipa s-au concentrat pe simularea supremă pe care o speraseră cu ani în urmă: un zbor de probă cu adevărat autonom, în buclă închisă, care folosește cel mai puternic sistem de supercalculator din lume.

În timp ce cele opt motoare principale sunt folosite pentru a controla pasul (în sus și -rotație în jos) și rotire (rotație laterală) deoarece sistemul de ghidare vizează zona de aterizare desemnată, POST2 emite, de asemenea, comenzi pentru a instrui FUN3D să declanșeze periodic patru sisteme de control al reacției, sau RCS, module dispuse circumferențial în jurul spatelui aterizarea să efectueze corecții de rulare în zbor.

„Aceste capacități vor fi esențiale pentru evaluarea controlabilității viitoarelor vehicule”, a declarat Alex Hickey de la Georgia Tech, care a condus dezvoltarea modelării RCS.

Obiectivul pe termen lung al echipei a devenit realitate la sfârșitul anului 2023, deoarece personalul OLCF a ajutat la coordonarea unei secvențe atentă de locuri de muncă cu prioritate ridicată pe o perioadă de două săptămâni la scară pe Frontier.

„Pentru prima dată, am putut reveni la întrebarea inițială de a controla în siguranță acest tip de vehicul în zbor autonom”, a spus Nielsen. „Într-o simulare CFD aerospațială tipică, s-ar putea calcula o secundă sau două de timp fizic. Aici, Frontier ne-a permis să zburăm cu succes 35 de secunde de zbor controlat, coborând de la 8 kilometri (aproximativ 5 mile) altitudine la aproximativ 1 kilometru (0,6 mile). ) pe măsură ce vehiculul se apropia de faza de aterizare.

„Rezoluția, modelarea fizică și durata temporală depășesc orice am putea încerca pe un sistem de calcul convențional de înaltă performanță”, a adăugat Nielsen „Viteza totală a GPU-urilor. implementată la scară de conducere este cu adevărat favorabilă și suntem profund recunoscători pentru numeroasele oportunități și expertiza de clasă mondială pe care OLCF le-a oferit.”

(Fluierul)