Квадрокоптер НАСА с шестью пассажирами в режиме зависания (вне эффекта земли). Q-критерий — мера степени завихренности в аэродинамическом потоке — изоповерхности, окрашенные в соответствии с величиной завихренности, показывают вихревой след, где синий цвет — низкий, а пурпурный — высокий. На заднем плане показан коэффициент давления, где черный — низкий, а белый — высокий. Понимание сложного потока и аэродинамических взаимодействий многороторных транспортных средств является ключом к проектированию будущих воздушных такси. Фото: НАСА/Патриция Вентура Диас.
Высокопроизводительные вычислительные системы НАСА играют ключевую роль в реализации многих миссий агентства от концепции до применения в реальном мире. Наши суперкомпьютеры — от повышения точности глобальных прогнозов погоды для прогностических организаций (таких как NOAA) для предупреждения о сильных штормах до проектирования будущих воздушных такси для безопасных полетов людей в городских районах, до испытаний конструкции парашютов для посадки космических кораблей на Луну и другие планеты — наши суперкомпьютеры ресурсы и эксперты способствуют развитию науки и техники на благо человечества.
Эти и многие другие проекты будут представлены на гибридной выставке агентства во время SC23, Международной конференции по высокопроизводительным вычислениям, сетям, хранению и анализу. В этом году конференция пройдет в Денвере 12–17 ноября.
1. Имитация безопасности воздушного такси у земли
С развитием городских транспортных средств аэромобильности (UAM) в ближайшем будущем люди, возможно, начнут пользоваться воздушными такси. Исследователи, изучающие аэродинамические характеристики различных конструкций UAM, в этом году сосредоточились на моделировании, чтобы проанализировать, как эти транспортные средства ведут себя вблизи земли. Многие из концепций самолетов UAM, разработанных агентством, имеют несущие винты, как и вертолеты.
Суперкомпьютеры в Центре передовых суперкомпьютеров НАСА (NAS) в Исследовательском центре Эймса НАСА в Силиконовой долине в Калифорнии выполняют сложные высокоточные вычислительные симуляции гидродинамики, которые детально фиксируют взаимодействие между роторами, другими компонентами транспортных средств и поверхностью земли.
Такое моделирование позволяет ученым лучше понять аэродинамику транспортных средств и поток, создаваемый роторами вокруг транспортных средств, и обнаруживать потенциально опасные зоны с сильным ветром и порывами ветра. Данные моделирования позволяют команде прогнозировать изменения в том, как UAM ведут себя вблизи земли, и предоставлять рекомендации по безопасному передвижению экипажа и пассажиров рядом с транспортными средствами.
2. Прогнозирование сильнейших штормов в рамках глобальной компьютерной модели
Обычным топливом для сильных гроз, торнадо и ураганов является конвекция — энергичные движения атмосферы вверх и вниз, которые вертикально переносят тепло и влагу. Центры оперативного прогнозирования погоды обычно прогнозируют погоду в конвективном масштабе, используя региональные компьютерные модели с ограниченной областью, поскольку глобальные модели с разрешением конвекции требуют слишком большой вычислительной мощности.
Исследователи из Центра космических полетов Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, адаптировали свою глобальную модель системы наблюдения Земли Годдарда (GEOS) для применения более мелкого разрешения сетки от 2 до 4 километров (около 1,25–2,5 миль) над континентальной частью Соединенных Штатов.
Прогнозы GEOS, выполняемые на суперкомпьютере Discover Центра климатического моделирования НАСА (NCCS) и суперкомпьютере NAS Aitken, расширяют предсказуемость самых сильных штормов за пределы двух дней, в то же время лучше отражая локальные воздействия интенсивных осадков, ветров и жары. Текущее моделирование точно отслеживает экстремальные погодные явления 2023 года, включая ураганы Идалия и Ли и тропический шторм Офелия.
Ураган Идалия обрушился на северное побережье Мексиканского залива во Флориде 30 августа 2023 года. Отражательная способность радара по данным наблюдений (слева) и моделирования с помощью модели Годдардской системы наблюдения за Землей (GEOS) на расстоянии 4 км (2,5 мили) (в центре) и 12 км. Разрешение (7,5 миль) (справа) визуализирует внутреннюю структуру Идалии. В то время как оба прогноза GEOS отражали выход Идалии на берег в пределах нескольких миль от фактического выхода на берег за несколько дней до этого, 4-километровый прогноз улучшил представление значений центрального давления, скорости приземного ветра, очень компактного глаза и полосовой конвекции, спиральной направленной внутрь с юго-востока. Фото: НАСА/Уильям Путман.
3. Защита космических капсул во время входа на планету, спуска и посадки.
Космические капсулы НАСА предназначены для того, чтобы выдерживать вход в атмосферу планеты на гиперзвуковых скоростях и защищать свою полезную нагрузку – или свой экипаж – от экстремальных температур, возникающих во время входа. Помимо тепла, космический корабль также может столкнуться с нестабильностью, поскольку во время спуска он замедляется из-за аэродинамического сопротивления.
Чтобы количественно оценить и понять эту дополнительную опасность, исследователи из НАСА Эймс использовали суперкомпьютеры агентства «Плеяды» и «Электра» для моделирования условий свободного полета капсул на протяжении всей траектории входа на планету. Это сложное моделирование используется для анализа динамики полета капсулы и выявления любых рисков, которые нестабильность может представлять на более позднем этапе траектории полета. Результаты анализа помогают инженерам разрабатывать средства входа для исследования планет, помогая обеспечить успех программ НАСА, включая Артемиду и предстоящую миссию «Стрекоза» к крупнейшему спутнику Сатурна, Титану.
4. Преобразование и отображение данных науки о Земле
С момента основания агентства в 1958 году перед НАСА стояла задача широко распространять информацию о своей деятельности и результатах. Одним из новых проектов НАСА по связям с общественностью является Информационный центр Земли (EIC), который представляет визуализацию необработанных данных наблюдений и моделей на наборе информационных панелей, организованных как Центр управления полетами НАСА для нашей планеты. Инсталляция EIC в штаб-квартире НАСА в Вашингтоне включает в себя многопанельную гиперстену для отображения широкоформатной анимации, окруженную порталами меньшего размера, изображающими ряд «жизненно важных признаков» Земли.
Разнообразные источники данных включают моделирование, выполненное на суперкомпьютере NCCS Discover, а также наблюдения со спутников и наземных приборов, поддерживаемых НАСА и партнерами. С момента открытия в конце июня 2023 года EIC привлек множество посетителей: от высокопоставленных лиц до учеников начальной школы. Кроме того, информация EIC помогает политикам, ученым и пользователям данных НАСА, таким как фермеры, владельцы бизнеса и исследователи.
Моделирование свободного полета транспортного средства с технологией адаптивного развертывания входа и размещения, показывающее Q-критерий, который является мерой степени завихренности в аэродинамическом потоке. Изоконтуры обозначают вихревую структуру: более низкую завихренность синим цветом и более высокую завихренность красным. Фото: НАСА/Джозеф Брок.
5. Использование автономных бортовых научных агентов для исследования планет.
Исследователи из инициативы НАСА «Миссии по распределенным системам Годдарда» работают над тем, чтобы миссии в дальний космос были адаптируемыми и могли автономно интерпретировать и реагировать на недавно собранные научные данные, используя бортовой программный «агент», а не ждать новых инструкций с Земли на каждом этапе полета. Миссия. Для тестирования этой новой автономной миссии они выбрали Энцелад, ледяной океанский спутник Сатурна и одну из наиболее многообещающих целей для поиска жизни в нашей Солнечной системе.
В рамках смоделированного сценария миссии ученые смоделировали различные траектории и орбиты восьми небольших космических кораблей, чтобы создать первое стабильное созвездие вокруг Энцелада, которое обеспечит глобальное покрытие Луны для сбора научных наблюдений. Команда задействовала своего автономного бортового научного агента для анализа смоделированных данных в «реальном времени».
Агент использует несколько моделей машинного обучения для обработки и интерпретации относительных количеств различных соединений, обнаруженных в ледяных шлейфах Европы — индикаторов возможности существования жизни — автономно интерпретирует эти данные, затем принимает решения, влияющие на последующий анализ или приоритетную передачу данных на основе предварительных данных. -программированные цели миссии.
