Все эти изображения относятся к одному и тому же моменту симуляции. Два слева показывают различные аспекты химии, средний правый показывает температуру, а самый правый показывает скорость в числах Маха. Фото: Министерство энергетики США.
Возможно, вы летали на авиасимуляторе в компьютерной игре или в научном музее. Приземлиться без аварии – всегда самое сложное. Но это ничто по сравнению с задачей, с которой сталкиваются инженеры при разработке модели полета очень больших транспортных средств, необходимых людям для исследования поверхности Марса. Красная планета ставит перед астронавтами бесчисленные задачи, не последняя из которых – добраться туда.
Вот тут-то и вступают в действие суперкомпьютеры пользовательского центра Управления науки Министерства энергетики. Исследователи из Центра управления лидерством в Ок-Ридже (OLCF) Министерства энергетики США работают с инженерами и учеными НАСА над моделированием процесса замедления огромного космического корабля, когда он движется к поверхности Марса. .
Посадка космического корабля на Марс не новость для НАСА. Агентство провело свои первые миссии на планету в 1976 году в рамках проекта «Викинг». С тех пор НАСА успешно осуществило еще восемь посадок на Марс.
Отличительной особенностью этой цели является тот факт, что посадить огромный космический корабль, необходимый для исследования человеком, гораздо сложнее, чем для роботизированных миссий. Роботизированные транспортные средства используют парашюты для замедления в атмосфере Марса. Но космический корабль, перевозящий людей, будет примерно в 20–50 раз тяжелее.
Транспортное средство такого размера просто не может использовать парашюты. Вместо этого НАСА придется полагаться на ретро-движение. Эта технология использует ракеты, которые стреляют вперед, чтобы замедлить транспортное средство при приближении к поверхности.
Использование ретро-движения сопряжено с рядом проблем. Выхлопы высокоэнергетического ракетного двигателя взаимодействуют как с транспортным средством, так и с марсианской атмосферой. Эта динамика меняет то, как команде необходимо направлять и контролировать автомобиль. Кроме того, инженеры не могут полностью повторить то, как полет на Марс проходил бы на Земле. Хотя они могут тестировать космические корабли в аэродинамических трубах и использовать другие инструменты, эти инструменты не являются идеальной заменой или прямым аналогом марсианской среды.
Чтобы заполнить пробелы, НАСА обратилось к суперкомпьютерам OLCF и их экспертам-компьютерщикам. Теоретически программы, работающие на суперкомпьютерах, могут полностью моделировать марсианскую среду и многие сложные физические процессы, связанные с использованием ретродвижения.
Команда проекта использовала FUN3D, давний набор программных инструментов, моделирующих движение жидкостей, включая воздух. Инженеры создали первую версию кода в конце 1980-х годов и с тех пор постоянно вносили значительные улучшения. Агентства и компании в области аэронавтики и космических технологий использовали его для решения серьезных проблем.
Нынешние исследования Марса начались в 2019 году на Summit, самом быстром компьютере OLCF на тот момент. Первоначальное моделирование предполагало фиксированные условия. Они смоделировали только одну точку на траектории транспортного средства. Эти ранние версии позволили ученым оценить влияние скорости полета, настроек двигателя и многого другого. Дальнейшие разработки позволили инженерам изучить реальные эффекты газа.
Они могли бы объяснить работу ракетных двигателей с жидким кислородом и метаном и марсианской атмосферы, насыщенной углекислым газом. Даже эти ранние симуляции обычно приводили к получению наборов данных размером в петабайты. Для хранения одного петабайта потребуется около 1000 мощных домашних компьютеров. Но даже это не были полноценные симуляции — это было еще невозможно.
Следующим шагом было включение в моделирование совершенно нового программного обеспечения — программы оптимизации моделируемых траекторий (POST2). НАСА разработало POST2 для анализа механики полета для широкого спектра приложений. В то время как первоначальные симуляции основывались на статических условиях, POST2 позволил ученым динамически «управлять» транспортным средством в симуляции. Команда привлекла исследователей из Лаборатории проектирования аэрокосмических систем Технологического института Джорджии.
Ранее они разработали уникальные стратегии объединения POST2 с высокоточным аэродинамическим моделированием. Внедрение POST2 также потребовало от инженеров изменения рабочего процесса проекта. Использование программного обеспечения было ограничено вычислительными системами НАСА по соображениям безопасности. Таким образом, команде необходимо было обеспечить бесперебойную связь систем НАСА с Summit в OLCF.
Решение проблем с межсетевыми экранами, перебоями в работе сети и другими программами потребовало целого года планирования для команд кибербезопасности и системного администрирования на обоих объектах!
Последнее достижение заключалось в переносе всего моделирования на новейший и самый мощный компьютер OLCF — Frontier. Frontier — первый в мире экзафлопсный компьютер, значительно более мощный, чем предыдущие суперкомпьютеры. С помощью серии скоординированных запусков в течение двухнедельного периода команда провела самую сложную на сегодняшний день имитацию полета.
Это был 35-секундный спуск по замкнутому контуру с высоты 5 миль до высоты примерно 0,6 мили. Моделирование замедлило автомобиль с 1200 миль в час до примерно 450 миль в час. POST2 смог автономно и стабильно управлять транспортным средством, используя восемь главных двигателей и четыре модуля системы управления реакцией.
Благодаря огромной мощности, предоставляемой Frontier в OLCF, инженеры НАСА продвигаются вперед, открывая новые горизонты космических путешествий.
Информация от: Министерством энергетики США.
