Fastgør landingen på Mars:Kraftig databehandling har til formål at reducere gætværk

Fremtidige rumfartøjer på vej til månen eller videre vil drage fordel af højdrevne computersimuleringer i gang ved University of Michigan, der modellerer partikelkaoset, der er sat i gang af raket-thruster-drevne landinger.

Under nedstigning, udstødningsfaner fluidiserer overfladejord og støv, danner kratere og støder landeren med grove, slibende partikler. Denne handling præsenterer et væld af variabler, der kan bringe en landing i fare. Vores nuværende forståelse af disse millioner af interaktioner er baseret på data, dvs. i nogle tilfælde, 40 til 50 år.

"Meget af de tilgængelige data brugt i designfasen, inklusive til den kommende Mars 2020-mission, er baseret på data fra Apollo-æraen, " sagde Jesse Capecelatro, en adjunkt i maskinteknik ved U-M.

"Landingsrelevante data er meget vanskelige at generere, fordi man ikke bare kan køre et eksperiment på Jorden. Eksisterende matematiske modeller bryder sammen under disse mere ekstreme forhold, når partikler nærmer sig supersoniske hastigheder. Vores gruppe er ved at udvikle nye numeriske algoritmer, der muliggør sådanne simuleringer. "

Capecelatro leder et team, der udvikler fysikbaserede modeller, der kan indarbejdes i koder, der bruges af NASA til at hjælpe med at forudsige, hvad der vil ske, når et rumfartøj forsøger at lande millioner af miles hjemmefra.

Han har specialiseret sig i "rodet turbulente strømme" og simulering af opførsel af væsker lavet af to faser af stof - i dette tilfælde faste partikler suspenderet i en gas.

Mars 2020 Perseverance er planlagt til at lancere fra Cape Canaveral den 30. juli og lande den 18. februar, 2021. Capecelatro vil analysere sine afstamningsdata og inkorporere dem i sine modeller.

Hvad vi ved, og hvorfor det ikke er nok

Apollo-æraens landinger viste, at forstyrret overflademateriale kan spredes op til en halv mil, udgør en fare ikke kun på selve landeren, men for nabokøretøjer eller landingspladser. På trods af fremskridt i årene siden, landinger er fortsat fyldt med potentielle farer.

For otte år siden, en vindsensor på Curiosity-roveren blev beskadiget under sin Mars-landing. Og i april 2019, Israels SpaceIL-lander, Beresheet, var minutter fra landing på månen, da kommunikationen svigtede, og fartøjet styrtede ned.

Mens NASA bevæger sig mod nye bemandede missioner under Artemis-programmet, dette arbejde bliver mere vigtigt. Ikke alene hæver mennesker ombord indsatsen, de betyder større nyttelast og, efterfølgende, stærkere udstødningsfaner, der interagerer med planetens overflade.

Mod avancerede fysikbaserede prædiktive modeller

Meget af arbejdet udføres på Great Lakes, UM's nyeste højtydende computerklynge. Det gør det muligt for forskerholdet at opdele problemet over hundreder, og endda tusinder, af processorer samtidigt. Derfor, hver processor udfører en del af arbejdet og behøver kun at gemme en lille brøkdel af de samlede data.

Men selv de mest kraftfulde computere i verden lige nu kan kun løse så mange af disse interaktioner. For at gå dybere, Capecelatro bruger modeller - bedste gæt baseret på alle tilgængelige data - til at skubbe simuleringerne videre. Målet er at give en ramme, NASA kan bruge til bedre at forudsige, hvordan forskellige designs vil påvirke jorden og landingen, og justere.

"De største supercomputere i dag kan måske håndtere tusind partikler, hvor vi direkte fanger al flowfysikken, " sagde Capecelatro. "Så laver en fuld, kvadratkilometer landingsplads er udelukket.

"Vores simuleringer giver den grundlæggende indsigt i den flowfysik, der er nødvendig for at udvikle forbedrede matematiske modeller, som deres koder har brug for for at simulere en landingsbegivenhed i fuld skala."