Мгновенные количества решения показаны для статического решения со скоростью 1,4 Маха на сетке, состоящей из 33 миллиардов элементов, с использованием 33 880 графических процессоров, или 90% Frontier. Слева направо контурами показаны массовые доли гидроксильного радикала и H₂O, температура в Кельвинах и местное число Маха. Фото: Габриэль Настак/НАСА.
Миссия США по высадке астронавтов на поверхность Марса будет непохожа на любую другую высадку внеземных существ, когда-либо предпринятую НАСА.
Хотя космическое агентство успешно высадило на Марс девять роботизированных миссий с момента своих первых наземных миссий в 1976 году в рамках проекта «Викинг», безопасная доставка людей на Марс потребует новых технологий для полета через марсианскую атмосферу. Но эти технологии и системы не могут быть предварительно всесторонне протестированы на Земле.
С 2019 года группа ученых НАСА и их партнеры используют программное обеспечение НАСА FUN3D на суперкомпьютерах, расположенных в Центре передовых вычислений в Ок-Ридже (OLCF) Министерства энергетики, для проведения вычислительной гидродинамики (CFD) моделирования Марса в человеческом масштабе. посадочный модуль. OLCF — это пользовательский центр Управления науки Министерства энергетики США, расположенный в Национальной лаборатории Министерства энергетики США в Ок-Ридже.
Текущий исследовательский проект команды является первым шагом в определении того, как безопасно посадить корабль с людьми на борту на поверхность Марса.
«По самой своей природе у нас нет проверочных данных для этого. Мы можем проводить ценные, но ограниченные испытания в наземных объектах, таких как аэродинамическая труба или на баллистическом полигоне, но такие подходы не могут полностью отразить физику, с которой придется столкнуться на Марсе. «Мы не можем провести летные испытания в реальной марсианской среде — когда мы доберемся туда, все или ничего. Вот почему суперкомпьютеры так важны», — сказал Эрик Нильсен, старший научный сотрудник Исследовательского центра НАСА в Лэнгли и главный исследователь Марса. пятилетние усилия в OLCF.
В отличие от недавних миссий на Марс, парашюты не являются частью операции. Вместо этого основным кандидатом на высадку людей на Марс является ретро-движение — запуск ракет, обращенных вперед, встроенных в тепловой экран корабля для замедления.
«Мы никогда раньше не летали на чем-то подобном. Фундаментальным вопросом с самого начала было: «Сможем ли мы безопасно управлять этим аппаратом?» — сказал Нильсен.
Причина, по которой НАСА исследует ретро-движение, а не обычные парашюты, кроется в физике. Предыдущие марсианские спускаемые аппараты весили около 1 тонны; Транспортное средство, перевозящее астронавтов и все их системы жизнеобеспечения, будет весить в 20–50 раз больше, то есть размером с двухэтажный дом. Тонкая атмосфера Марса — примерно в 100 раз менее плотная, чем земная — не выдержит парашютную посадку такого большого корабля.
«С обычным транспортным средством мы летаем через очень чистую, предсказуемую среду. Все это выходит за рамки этой концепции, где мы будем путешествовать через чрезвычайно динамичную среду, состоящую из высокоэнергетических выхлопов ракет», — сказал член команды НАСА. и эксперт CFD Габриэль Настак.
Под руководством специалистов по планированию миссий НАСА команда сформулировала многолетний план, состоящий из все более сложных симуляций, направленных на ключевой вопрос управляемости.
В 2019 году команда провела CFD-моделирование на суперкомпьютере Summit с разрешением до 10 миллиардов элементов, чтобы охарактеризовать статическую аэродинамику транспортного средства при ожидаемых настройках дроссельной заслонки и скоростях полета в диапазоне от 2,5 до 0,8 Маха, условий, в которых потребуются ракетные двигатели транспортного средства. для начального замедления.
В течение 2020 года интенсивные усилия по разработке кода были сосредоточены на переносе общих возможностей реагирующего газа FUN3D на графический процессор Summit, или графический процессор, ускорители.
«Реализация эффективной работы решателя CFD с неструктурированной сеткой в условиях сложных физических ядер является огромной проблемой в вычислительной среде на базе графических процессоров. Но в конечном итоге мы смогли реструктурировать критические сегменты кода, чтобы обеспечить производительность, к которой мы стремились. », — сказал исследователь НАСА по информатике Аарон Уолден, который возглавляет команду по разработке мультиархитектурного программного обеспечения.
Эта работа подготовила почву для важной кампании 2021 года, которая позволила команде изучить сложные взаимодействия ракетных двигателей на жидком кислороде и метане с марсианской атмосферой, которая состоит в основном из углекислого газа и азота. Петабайт (эквивалент 1000 терабайт) выходных данных для каждого моделирования, проведенного с использованием 15 000–20 000 графических процессоров на Summit, позволил получить ключевую информацию о критических различиях в аэродинамике транспортных средств по сравнению с теми, которые наблюдались с использованием предположения об идеальном газе предыдущего моделирования.
В рамках кампании 2022 года команда сделала важный шаг вперед, включив в рабочий процесс современное программное обеспечение НАСА для механики полета, известное как Программа оптимизации симулированных траекторий II, или POST2. Выйдя за рамки моделирования, предполагающего статические условия полета, команда теперь стремилась «управлять» транспортным средством в виртуальной суперкомпьютерной среде. Этот тест станет первой попыткой количественно оценить и устранить критическую неустойчивую динамику, с которой можно столкнуться во время фактического спуска на поверхность Марса.
Команда привлекла ключевых экспертов из Лаборатории проектирования аэрокосмических систем Технологического института Джорджии; эту группу возглавил Брэд Робертсон. Эти эксперты уже потратили несколько лет на разработку алгоритма сопряжения, позволяющего заменить аэродинамические модели низкого порядка в POST2 физическими симуляциями FUN3D в реальном времени, чтобы в конечном итоге реализовать высокоточное моделирование траектории, использующее сложные алгоритмы управления полетом.
«Соединение FUN3D и POST2 было довольно сложной задачей. Нам приходилось манипулировать пятью или шестью опорными системами и преобразованиями данных между ними. Но наградой стала возможность взять на себя всю тяжелую работу, проделанную другими инженерами НАСА по детальному наведению, навигации и контролю. и модели движения и объединить их все в единую, унифицированную мультифизическую симуляцию», — сказал член команды Зак Эрнст, в то время аспирант Технологического института Джорджии, который работал над этой работой вместе с выпускником-стажером НАСА Хайденом Дином.
Включение POST2 создало дополнительную проблему. Поскольку на POST2 распространяются более строгие правила экспортного контроля, чем на FUN3D, члену команды Кевину Джейкобсону было поручено разработать парадигму удаленного соединения, в которой POST2 будет выполняться на объекте НАСА, одновременно обмениваясь данными в режиме реального времени с FUN3D, работающим на лидирующем уровне в OLCF. .
Установление и поддержание этого соединения с учетом межсетевых экранов, сбоев в сети и планировщиков заданий представляло множество проблем. Эта работа потребовала около года планирования и координации с персоналом по кибербезопасности и системными администраторами на обоих объектах.
Дополнительные усилия окупились, когда команда достигла своей долгосрочной цели — пролететь значительную часть фазы снижения в виртуальной среде.
Появление суперкомпьютера Frontier компании OLCF пришло как нельзя кстати для проекта. Теперь, когда экзафлопсная вычислительная мощность (квинтиллион или более вычислений в секунду) стала реальностью, команда могла позволить себе вновь ввести желаемое физическое моделирование и другие уроки, извлеченные за время существования проекта.
В 2023 году команда сосредоточилась на идеальном моделировании, на которое они надеялись несколько лет назад: по-настоящему автономном испытательном полете с замкнутым контуром с использованием самой мощной в мире суперкомпьютерной системы.
В то время как восемь главных двигателей используются для управления тангажем (вращением вверх и вниз) и рысканьем (вращением из стороны в сторону), поскольку система наведения нацелена на назначенную зону приземления, POST2 также выдает команды, чтобы дать указание FUN3D периодически запускать четыре двигателя. Система управления реакцией, или RCS, модули, расположенные по окружности задней части посадочного модуля для выполнения коррекции крена в полете.
«Эти возможности будут иметь решающее значение для оценки управляемости будущих транспортных средств», — сказал Алекс Хики из Технологического института Джорджии, который руководил разработкой моделирования RCS.
Долгосрочная цель команды стала реальностью в конце 2023 года, когда сотрудники OLCF помогали в координации тщательной последовательности высокоприоритетных работ в течение двухнедельного периода в масштабном масштабе на Frontier.
«Впервые мы смогли вернуться к первоначальному вопросу о безопасном управлении этим типом транспортного средства в автономном полете», — сказал Нильсен. «В типичном аэрокосмическом CFD-моделировании можно вычислить секунду или две физического времени. Здесь Frontier позволил нам успешно пролететь 35 секунд контролируемого полета, спускаясь с высоты 8 километров (около 5 миль) до высоты около 1 километра (0,6 мили). ) по мере приближения транспортного средства к этапу приземления.
«Разрешение, физическое моделирование и временная продолжительность превосходят все, что мы могли бы попробовать в обычной высокопроизводительной вычислительной системе», — добавил Нильсен. «Самая высокая скорость графических процессоров, реализованных в лидерских масштабах, действительно позволяет, и мы глубоко благодарны за возможности и опыт мирового уровня, которые предоставил OLCF».
Информация от: Национальной лабораторией Ок-Ридж.
