Understøtter fremtiden for Mars-udforskning med supercomputere

Du har måske fløjet en flysimulator i et computerspil eller på et videnskabsmuseum. At lande uden at styrte er altid den sværeste del. Men det er ingenting sammenlignet med den udfordring, som ingeniører står over for at udvikle en flyvesimulering af de meget store køretøjer, der er nødvendige for, at mennesker kan udforske Mars' overflade. Den røde planet udgør utallige udfordringer for astronauter, hvoraf ikke mindst når dertil.

Det er her, Department of Energy Office of Sciences brugerfaciliteters supercomputere kommer ind i billedet. Forskere ved DOE's Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) arbejder sammen med NASA-ingeniører og videnskabsmænd for at simulere processen med at bremse et enormt rumfartøj, når det bevæger sig mod Mars' overflade .

Landing af rumfartøjer på Mars er ikke nyt for NASA. Agenturet kørte sine første missioner til planeten i 1976 med Viking-projektet. Siden da har NASA med succes gennemført otte yderligere Mars-landinger.

Det, der gør dette mål anderledes, er det faktum, at det er meget sværere at lande det enorme rumfartøj, der kræves til menneskelig udforskning, end dem til robotmissioner. Robotkøretøjerne bruger faldskærme til at decelerere gennem Mars atmosfære. Men et rumfartøj, der transporterer mennesker, vil være omkring 20 til 50 gange tungere.

Et så stort køretøj kan simpelthen ikke bruge faldskærme. I stedet bliver NASA nødt til at stole på retro-fremdrift. Denne teknologi bruger raketter, der skyder fremad for at bremse køretøjet, når det nærmer sig overfladen.

En række udfordringer følger med at bruge retro fremdrift. Den højenergiske raketmotors udstødning interagerer med både køretøjet og Mars-atmosfæren. Denne dynamik ændrer, hvordan teamet skal guide og kontrollere køretøjet. Derudover kan ingeniører ikke fuldt ud kopiere, hvordan en flyvning på Mars ville gå på Jorden. Selvom de kan teste rumfartøjer i vindtunneler og bruge andre værktøjer, er disse værktøjer ikke en perfekt erstatning eller direkte analog til Mars-miljøet.

For at udfylde hullerne henvendte NASA sig til OLCF-supercomputere og deres ekspertdatamatikere. I teorien kunne programmer, der kører på supercomputere fuldt ud simulere Mars-miljøet og mange af den komplekse fysik, der er forbundet med at bruge tilbagedrift.

Projektteamet har stolet på FUN3D, en mangeårig suite af softwareværktøjer, der modellerer, hvordan væsker – inklusive luft – bevæger sig. Ingeniører skabte den første version af koden i slutningen af ​​1980'erne og har løbende foretaget store forbedringer siden da. Agenturer og virksomheder inden for aeronautik og rumteknologi har brugt det til at tackle store udfordringer.

Den nuværende Mars-indsats begyndte i 2019 på Summit, OLCFs hurtigste computer på det tidspunkt. De indledende simuleringer antog faste forhold. De simulerede kun et punkt langs køretøjets bane. Disse tidlige versioner gjorde det muligt for forskere at evaluere virkningerne af flyvehastigheder, motorindstillinger og mere. Yderligere udviklinger gjorde det muligt for ingeniører at udforske reelle gaseffekter.

De kunne forklare de flydende oxygen-methan raketmotorer og den kuldioxidtunge Mars-atmosfære. Selv disse tidlige simuleringer resulterede typisk i datasæt på størrelse med petabyte. Det ville tage omkring 1.000 kraftfulde hjemmecomputere at lagre en enkelt petabyte. Men selv disse var ikke fulde simuleringer – det var ikke muligt endnu.

Det næste trin var at inkorporere et helt nyt stykke software i simuleringen - programmet til at optimere simulerede baner (POST2). NASA udviklede POST2 til at analysere flyvemekanik til en bred vifte af applikationer. Mens indledende simuleringer var afhængige af statiske forhold, tillod POST2 forskere at dynamisk "flyve" køretøjet i simuleringen. Holdet engagerede forskere fra Georgia Techs Aerospace Systems Design Laboratory.

De havde tidligere udviklet unikke strategier til at koble POST2 med high-fidelity aerodynamiske simuleringer. Inkorporering af POST2 krævede også, at ingeniører ændrede projektarbejdsgangen. Softwarens brug var begrænset til NASAs computersystemer af sikkerhedsmæssige årsager. Som sådan skulle holdet sikre, at NASA-systemerne kunne kommunikere gnidningsløst med Summit at OLCF.

Løsning af problemer med firewalls, netværksafbrydelser og andre programmer krævede et helt års planlægning for cybersikkerheds- og systemadministrationsteamene på begge faciliteter!

Det seneste fremskridt involverede at flytte hele simuleringen over til den nyeste og mest kraftfulde computer hos OLCF—Frontier. Den første exascale-computer i verden, Frontier, er enormt kraftigere end tidligere supercomputere. Med en række koordinerede kørsler over en periode på to uger kørte holdet sin hidtil mest omfattende flysimulering.

Det var en 35-sekunders nedstigning med lukket sløjfe fra 5 miles højde til cirka 0,6 miles. Simuleringen bremsede køretøjet fra 1.200 miles i timen til cirka 450 miles i timen. POST2 var i stand til autonomt at styre køretøjet på en stabil måde ved hjælp af dets otte hovedmotorer og fire reaktionskontrolsystemmoduler.

Med den enorme kraft leveret af Frontier hos OLCF bevæger NASA-ingeniører sig fremad for at tackle nye grænser inden for rumfart.

Leveret af det amerikanske energiministerium