Planlægger en jævn landing på Mars
En amerikansk mission til at lande astronauter på overfladen af Mars vil være ulig nogen anden udenjordisk landing nogensinde foretaget af NASA.
Selvom rumfartsorganisationen med succes har landet ni robotmissioner på Mars siden dens første overflademissioner i 1976 med Viking-projektet, vil det kræve nye teknologier til at flyve gennem Mars-atmosfæren sikkert at bringe mennesker til Mars. Men disse teknologier og systemer kan ikke testes grundigt på Jorden på forhånd.
Siden 2019 har et hold af NASA-forskere og deres partnere brugt NASA's FUN3D-software på supercomputere placeret ved Department of Energy's Oak Ridge Leadership Computing Facility, eller OLCF, til at udføre computational fluid dynamics, eller CFD, simuleringer af en Mars i menneskeskala lander. OLCF er en DOE Office of Science brugerfacilitet beliggende ved DOE's Oak Ridge National Laboratory.
Holdets igangværende forskningsprojekt er et første skridt i at bestemme, hvordan man sikkert kan lande et køretøj med mennesker ombord på overfladen af Mars.
"I sagens natur har vi ikke valideringsdata for dette. Vi kan lave værdifulde, men begrænsede test i jordfaciliteter som en vindtunnel eller på en ballistisk rækkevidde, men sådanne tilgange kan ikke fuldt ud fange den fysik, der vil blive mødt på Mars Vi kan ikke fly-teste i det faktiske Mars-miljø – det er alt eller intet, når vi når dertil. Det er derfor, supercomputing er så kritisk, siger Eric Nielsen, en seniorforsker ved NASAs Langley Research Center. femårig indsats hos OLCF.
I modsætning til de seneste Mars-missioner er faldskærme ikke en del af operationen. I stedet er den førende kandidat til at lande mennesker på Mars retropropulsion – affyring af fremadrettede raketter indbygget i fartøjets varmeskjold for at bremse.
"Vi har aldrig fløjet noget lignende før. Det grundlæggende spørgsmål fra starten var:"Skal vi være i stand til sikkert at kontrollere dette køretøj?'" sagde Nielsen.
Grunden til, at NASA undersøger tilbagedrift frem for konventionelle faldskærme, er et spørgsmål om fysik. Tidligere Mars-landere har vejet omkring 1 ton; et køretøj, der transporterer astronauter og alle deres livsstøttesystemer, vil veje 20 til 50 gange mere, eller på størrelse med et to-etagers hus. Mars' tynde atmosfære - omkring 100 gange mindre tæt end Jordens - vil ikke understøtte en faldskærmslanding for så stort et fartøj.
"Med et konventionelt køretøj flyver vi gennem et meget rent, forudsigeligt miljø. Alt dette går ud af vinduet med dette koncept, hvor vi vil rejse gennem et ekstremt dynamisk miljø bestående af højenergi raketudstødning," sagde NASA-teammedlem. og CFD-ekspert Gabriel Nastac.
Med vejledning fra NASA-missionsplanlæggere formulerede holdet en flerårig plan bestående af stadig mere sofistikerede simuleringer rettet mod det centrale spørgsmål om kontrollerbarhed.
I 2019 udførte holdet CFD-simuleringer på Summit-supercomputeren ved opløsninger på op til 10 milliarder elementer for at karakterisere statisk køretøjs aerodynamik ved forventede gasspjældsindstillinger og flyvehastigheder fra Mach 2,5 ned til Mach 0,8, forhold, hvor køretøjets raketmotorer vil være påkrævet for indledende deceleration.
Gennem hele 2020 fokuserede en intens kodeudviklingsindsats på at overføre FUN3D's generelle reaktionsgas-kapaciteter til Summits grafikprocessor- eller GPU-acceleratorer.
"At realisere den effektive ydeevne af en CFD-løser med ustruktureret gitter i lyset af komplekse fysikfyldte kerner er en enorm udfordring i et GPU-baseret computermiljø. Men vi var i sidste ende i stand til at omstrukturere kritiske kodesegmenter for at levere den ydeevne, vi var ude efter. ," sagde NASA-forsker, computerforsker Aaron Walden, som leder teamets multi-arkitektur softwareudvikling.
Arbejdet satte scenen for en vigtig 2021-kampagne, der gjorde det muligt for holdet at adressere de komplekse vekselvirkninger mellem flydende oxygen/methan raketmotorer med Mars-atmosfæren, som primært består af kuldioxid og nitrogen. En petabyte (svarende til 1.000 terabyte) af outputdata for hver simulering udført ved hjælp af 15.000-20.000 GPU'er på Summit gav nøgleindsigt i kritiske forskelle i køretøjets aerodynamik versus dem, der blev observeret ved hjælp af den tidligere simulerings antagelse om perfekt gas.
For 2022-kampagnen tog holdet et stort skridt fremad ved at inkorporere den avancerede NASA-flymekaniksoftware kendt som Program to Optimize Simulated Trajectories II eller POST2 i arbejdsgangen. Ud over simuleringer, der antager en statisk flyvetilstand, forsøgte holdet nu at "flyve" køretøjet i det virtuelle supercomputing-miljø. Denne test ville repræsentere et første forsøg på at kvantificere og adressere kritisk ustabil dynamik, der ville blive stødt på under en faktisk drevet nedstigning til Mars-overfladen.
Holdet hyrede nøgleeksperter fra Georgia Techs Aerospace Systems Design Laboratory; denne gruppe blev ledet af Brad Robertson. Disse eksperter havde allerede brugt flere år på at udvikle en koblingsalgoritme til at erstatte de aerodynamiske modeller af lav orden inden for POST2 med fysikbaserede FUN3D-simuleringer i realtid for i sidste ende at realisere high-fidelity banesimuleringer, der udnytter sofistikerede flyvekontrolalgoritmer.
"Koblingen af FUN3D og POST2 var noget af en udfordring. Vi var nødt til at jonglere med fem eller seks referencerammer og datatransformationerne mellem dem. Men belønningen var at kunne adoptere alt det hårde arbejde udført af andre NASA-ingeniører med detaljeret vejledning, navigation, kontrol og fremdriftsmodeller og for at bringe dem alle sammen i en enkelt, samlet multifysisk simulering," sagde teammedlem Zach Ernst, en doktorgradsstuderende i Georgia Tech på det tidspunkt, som arbejdede med NASA-praktikant Hayden Dean om indsatsen.
Inkorporeringen af POST2 gav en ekstra udfordring. Fordi POST2 er underlagt mere restriktive eksportkontrolregler end FUN3D, fik teammedlem Kevin Jacobson til opgave at udvikle et fjernkoblingsparadigme, hvor POST2 ville udføres på en NASA-facilitet, mens han kommunikerer i realtid med FUN3D, der kører på lederskala hos OLCF .
Etablering og vedligeholdelse af denne forbindelse, mens der blev taget højde for firewalls, netværksafbrydelser og jobplanlæggere, gav adskillige udfordringer. Dette arbejde krævede omkring et års planlægning og koordinering med cybersikkerhedspersonale og systemadministratorer på begge faciliteter.
Den ekstra indsats betalte sig, da holdet nåede deres langsigtede mål om at flyve en væsentlig del af nedstigningsfasen i det virtuelle miljø.
Ankomsten af OLCF's Frontier-supercomputer kunne ikke være kommet på et bedre tidspunkt for projektet. Med exascale computerkraft (en kvintillion eller flere beregninger pr. sekund) nu en realitet, kunne teamet tillade sig at genindføre den ønskede fysiske modellering og andre erfaringer, der er indhøstet i løbet af projektets levetid.
I 2023 fokuserede holdet på den ultimative simulering, de havde håbet på år tidligere:en virkelig autonom testflyvning med lukket sløjfe, der udnytter verdens mest kraftfulde supercomputing-system.
Mens de otte hovedmotorer bruges til at styre pitch (op-og-ned-rotation) og yaw (side-til-side-rotation), da styresystemet sigter mod den udpegede landingszone, udsender POST2 også kommandoer til at instruere FUN3D til periodisk at skyde fire reaktionskontrolsystem, eller RCS, moduler arrangeret rundt om bagsiden af landeren for at udføre rullekorrektioner under flyvning.
"Disse egenskaber vil være afgørende for at vurdere styrbarheden af fremtidige køretøjer," sagde Georgia Techs Alex Hickey, der ledede udviklingen af RCS-modelleringen.
Holdets langsigtede mål blev en realitet i slutningen af 2023, da OLCF-medarbejdere hjalp med at koordinere en omhyggelig sekvens af højt prioriterede job over en to-ugers periode i stor skala på Frontier.
"For første gang var vi i stand til at vende tilbage til det oprindelige spørgsmål om sikker kontrol af denne type køretøjer i autonom flyvning," sagde Nielsen. "I en typisk rumfarts-CFD-simulering kan man beregne et sekund eller to af fysisk tid. Her gjorde Frontier os i stand til med succes at flyve 35 sekunders kontrolleret flyvning, nedadgående fra 8 kilometers (ca. 5 miles) højde til omkring 1 kilometer (0,6 miles) ), da køretøjet nærmede sig sin landingsfase.
"Opløsningen, den fysiske modellering og den tidsmæssige varighed er længere end noget, vi kunne prøve på et konventionelt højtydende computersystem," tilføjede Nielsen. muligheder og ekspertise i verdensklasse, som OLCF har leveret."
Flere oplysninger: 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 til Mars-relevante retropropulsion-driftsmiljøer, 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
Leveret af Oak Ridge National Laboratory
Varme artikler
-
Officiel:Kinas månesonde vil bære fransk, russisk gearDette filbillede stillet til rådighed af China National Space Administration den 16. december, 2020, viser Tianwen-1-sonden på vej til Mars. Kinas første Mars-rover får navnet Zhurong efter en traditi -
Rosetta optrævler dannelsen af solopgangsjetflyTil venstre:Kort efter solopgang, imponerende gas- og støvstråler kan ses over Hapi-regionen på kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko. Til højre:Computersimuleringer gengiver disse strukturer. Kredit:© ES -
Lys fra 36.000 milliarder milliarder miles væk? Ja, en MegamaserForskere mener, at megamasere opstår, når galakser kolliderer, producerer nye stjerner og føder massive sorte huller. NASA Goddard Hvis der er én ting, vi ved med sikkerhed om vores univers, så er -
To uger med videnskab og videreESA-astronaut Luca Parmitano etablerer University of Edinburgh-eksperimentet Biorock ved at installere eksperimentbeholdere i de små temperaturkontrollerede Kubik-kuvøser ombord på den internationale
- Det mest spektakulære himmelsyn, du aldrig vil se
- Elon Musk siger, at en vellykket jomfruflyvning for Falcon Heavy er usandsynlig (opdatering)
- ALMA afslører kulstofrige, organiske fødselsmiljøer for planeter
- Største brand vokser, tvinger evakuering af dyrelivsstation
- Hjælper synshandicappede børn med at mærke universet
- Ny teknologiplatform til molekylbaseret elektronik