Summit supercomputer simulerer, hvordan mennesker vil bremse under Mars-landing

Den type køretøj, der skal transportere folk til den røde planet, formår at være "som et to-etagers hus, du forsøger at lande på en anden planet. Varmeskjoldet foran på køretøjet er lidt over 16 meter i diameter , og selve køretøjet, under landing, vejer snesevis af metriske tons. Det er stort, " sagde Ashley Korzun, en forskningsluftfartsingeniør ved NASAs Langley Research Center.

Et køretøj til menneskelig udforskning vil veje betydeligt mere end det velkendte, bilstørrelse rovere som Curiosity, som er blevet udsendt til planetens overflade med faldskærm.

"Du kan ikke bruge faldskærme til at lande meget store nyttelaster på overfladen af ​​Mars, " sagde Korzun. "Fysikken bryder bare sammen. Du skal gøre noget andet."

NASA forventer, at mennesker vil rejse til Mars i midten af ​​slutningen af ​​2030'erne, så ingeniører har været på tegnebrættet i nogen tid. Nu, de har en lovende løsning inden for tilbagedrift, eller motordrevet deceleration.

"I stedet for at skubbe dig fremad, retropropulsion motorer bremser dig, som bremser, " sagde Korzun.

ledet af Eric Nielsen, seniorforsker ved NASA Langley, et hold af videnskabsmænd og ingeniører inklusive Korzun bruger Summit, verdens hurtigste supercomputer ved det amerikanske energiministeriums (DOE's) Oak Ridge National Laboratory (ORNL), at simulere tilbagedrift for landende mennesker på Mars.

"Vi er i stand til at demonstrere en ret revolutionerende præstation på Summit i forhold til, hvad vi var vant til med en konventionel computertilgang, sagde Nielsen.

Holdet bruger sin computational fluid dynamics (CFD) kode kaldet FUN3D til at modellere køretøjets Mars-nedstigning. CFD-applikationer bruger store ligningssystemer til at simulere de små vekselvirkninger mellem væsker (inklusive gasser) under flow og turbulens - i dette tilfælde, at fange de aerodynamiske effekter skabt af landingsfartøjet og atmosfæren.

"FUN3D og selve computeregenskaberne har været fuldstændig spilskiftende, giver os mulighed for at komme videre med teknologiudvikling til tilbagedrift, som har applikationer på jorden, månen og Mars, " sagde Korzun.

Fastgør afsatsen

NASA har allerede med succes indsat otte landere på Mars, herunder mobile videnskabelige laboratorier udstyret med kameraer, sensorer, og kommunikationsenheder – og forskere er bekendt med planetens andre verdensmæssige udfordringer.

Mars atmosfære er omkring 100 gange tyndere (mindre tæt) end Jordens, hvilket resulterer i en hurtig nedstigning fra kredsløb - omkring seks til syv minutter i stedet for 35- til 40 minutters genindtræden for Jorden.

"Vi kan ikke matche al den relevante fysik i jord- eller flytests på Jorden, så vi er meget afhængige af beregningsevne, " sagde Korzun. "Dette er virkelig den første mulighed - på dette niveau af troskab og opløsning - at vi har været i stand til at se, hvad der sker med køretøjet, mens det sænker farten med motorerne tændt."

Under tilbagedrift, køretøjet er følsomt over for store variationer i aerodynamiske kræfter, som kan påvirke motorens ydeevne og besætningens evne til at kontrollere og lande køretøjet på et målrettet sted.

Holdet har brug for en kraftfuld supercomputer som 200-petaflop-topmødet til at simulere hele køretøjet, mens det navigerer i en række atmosfæriske forhold og motorforhold.

For at forudsige, hvad der vil ske i Mars-atmosfæren, og hvordan motorerne skal designes og kontrolleres for besætningens succes og sikkerhed, forskere er nødt til at undersøge ustabile og turbulente strømme på tværs af længde- og tidsskalaer - fra centimeter til kilometer og fra brøkdele af et sekund til minutter. For nøjagtigt at replikere disse fjerne forhold, holdet skal modellere de store dimensioner af landeren og dens motorer, de lokale atmosfæriske forhold, og motorernes forhold langs nedstigningsbanen.

På topmødet, holdet modellerer landeren på flere punkter i dens seks til syv minutter lange nedstigning. For at karakterisere flowadfærden på tværs af hastigheder lige fra supersonisk til subsonisk, forskere kører ensembler (suiter af individuelle simuleringer) for at løse væskedynamik med en opløsning på op til 10 milliarder elementer med så meget som 200 terabyte information gemt pr. kørsel.

"En af de primære fordele ved Summit for os er maskinens hastighed, sagde Nielsen.

Himmelsk hastighed

Nielsens team brugte flere år på at optimere FUN3D – en kode, der har avanceret aerodynamisk modellering i flere årtier – for ny GPU-teknologi ved hjælp af CUDA, en programmeringsplatform, der fungerer som mellemled mellem GPU'er og traditionelle programmeringssprog som C++. Ved at udnytte hastigheden af ​​Summits GPU'er, Nielsens team rapporterer en 35-dobbelt stigning i ydeevne pr. compute node.

"Vi ville typisk vente fem til seks måneder på at få et tilsvarende svar ved hjælp af CPU-teknologi i et kapacitetsmiljø, hvilket betyder mange mindre kørsler. På topmødet, vi får disse svar om cirka fire til fem dage, sagde han. Desuden Summit gør det muligt for os at udføre fem eller seks sådanne simuleringer samtidigt, i sidste ende reducere ekspeditionstiden fra to eller tre år til en arbejdsuge."

Forskerholdet omfatter visualiseringsspecialister ved NASAs Ames Research Center, som tager de kvantitative data og transformerer dem til et actionbillede af, hvad der sker.

"Visualiseringen er en stor takeaway fra Summit-kapaciteten, hvilket har gjort det muligt for os at fange meget små flowstrukturer såvel som virkelig store flowstrukturer, " sagde Korzun. "Jeg kan se, hvad der sker lige ved raketmotorens dyseudgang, samt ti meter frem i den retning, køretøjet kører."

Mens teammedlemmerne fortsætter med at indsamle nye Summit-data, de tænker på de næste skridt til at designe et menneskeligt efterforskningskøretøj til Mars.

"Selvom vi vender tilbage til månen, NASAs langsigtede mål er den menneskelige udforskning af Mars' overflade. Disse resultater informerer test, såsom vindtunneltest, som vi vil gøre i de næste par år, " sagde Korzun. "Så disse data vil være nyttige i meget lang tid."