Het type voertuig dat mensen naar de Rode Planeet zal vervoeren, wordt "als een huis met twee verdiepingen dat je op een andere planeet probeert te landen. Het hitteschild aan de voorkant van het voertuig heeft een diameter van iets meer dan 16 meter , en het voertuig zelf, tijdens de landing, weegt tientallen tonnen. Het is enorm, " zei Ashley Korzun, een onderzoeksruimtevaartingenieur bij NASA's Langley Research Center.

Een voertuig voor menselijke verkenning zal aanzienlijk meer wegen dan het bekende, autogrote rovers zoals Curiosity, die per parachute naar het planeetoppervlak zijn gebracht.

"Je kunt geen parachutes gebruiken om zeer grote ladingen op het oppervlak van Mars te landen, ' zei Korzun. 'De fysica werkt gewoon niet meer. Je moet iets anders doen."

NASA verwacht dat mensen halverwege tot eind 2030 naar Mars zullen reizen, ingenieurs zitten dus al een tijdje aan de tekentafel. Nutsvoorzieningen, ze hebben een veelbelovende oplossing in retropropulsie, of motoraangedreven vertraging.

"In plaats van je vooruit te duwen, retrovoortstuwingsmotoren vertragen je, zoals remmen, ' zei Korzun.

Onder leiding van Eric Nielsen, een senior onderzoeker bij NASA Langley, een team van wetenschappers en ingenieurs, waaronder Korzun, gebruikt Summit, 's werelds snelste supercomputer in het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), om retrovoortstuwing te simuleren voor het landen van mensen op Mars.

"We zijn in staat om behoorlijk revolutionaire prestaties op Summit te demonstreren in vergelijking met wat we gewend waren met een conventionele computerbenadering, ' zei Nielsen.

Het team gebruikt de computational fluid dynamics (CFD) code genaamd FUN3D om de Mars-afdaling van het voertuig te modelleren. CFD-toepassingen gebruiken grote stelsels van vergelijkingen om de kleinschalige interacties van vloeistoffen (inclusief gassen) tijdens stroming en turbulentie te simuleren - in dit geval om de aerodynamische effecten van het landingsvoertuig en de atmosfeer vast te leggen.

"FUN3D en de computercapaciteit zelf zijn volledig baanbrekend geweest, waardoor we verder kunnen gaan met de technologische ontwikkeling voor retropropulsie, die toepassingen heeft op aarde, de maan en Mars, ' zei Korzun.

De landing plakken

NASA heeft al met succes acht landers op Mars ingezet, inclusief mobiele wetenschappelijke laboratoria uitgerust met camera's, sensoren, en communicatieapparatuur - en onderzoekers zijn bekend met de buitenaardse uitdagingen van de planeet.

De atmosfeer van Mars is ongeveer 100 keer dunner (minder dicht) dan die van de aarde, wat resulteert in een snelle afdaling uit een baan om de aarde - ongeveer zes tot zeven minuten in plaats van de 35 tot 40 minuten durende terugkeertijd voor de aarde.

"We kunnen niet alle relevante natuurkunde evenaren in grond- of vliegtesten op aarde, dus we zijn erg afhankelijk van rekencapaciteit, "Zei Korzun. "Dit is echt de eerste kans - op dit niveau van trouw en vastberadenheid - dat we hebben kunnen zien wat er met het voertuig gebeurt als het vertraagt ​​​​met de motoren aan."

Tijdens retropropulsie, het voertuig is gevoelig voor grote variaties in aerodynamische krachten, die van invloed kunnen zijn op de motorprestaties en het vermogen van de bemanning om het voertuig te besturen en op een gerichte locatie te landen.

Het team heeft een krachtige supercomputer nodig, zoals de 200-petaflop Summit, om het hele voertuig te simuleren terwijl het door een reeks atmosferische en motoromstandigheden navigeert.

Om te voorspellen wat er zal gebeuren in de atmosfeer van Mars en hoe de motoren moeten worden ontworpen en gecontroleerd voor het succes en de veiligheid van de bemanning, onderzoekers moeten onstabiele en turbulente stromingen over lengte- en tijdschalen onderzoeken - van centimeters tot kilometers en van fracties van een seconde tot minuten. Om deze verre omstandigheden nauwkeurig na te bootsen, het team moet de grote afmetingen van de lander en zijn motoren modelleren, de plaatselijke atmosferische omstandigheden, en de condities van de motoren langs het daaltraject.

Op de top, het team modelleert de lander op meerdere punten tijdens zijn afdaling van zes tot zeven minuten. Om het stromingsgedrag te karakteriseren bij snelheden variërend van supersonisch tot subsonisch, onderzoekers voeren ensembles (suites van individuele simulaties) uit om vloeistofdynamica op te lossen met een resolutie van maximaal 10 miljard elementen met maar liefst 200 terabyte aan informatie die per run wordt opgeslagen.

"Een van de belangrijkste voordelen van Summit voor ons is de enorme snelheid van de machine, ' zei Nielsen.

Hemelse snelheid

Het team van Nielsen heeft verschillende jaren besteed aan het optimaliseren van FUN3D - een code die al tientallen jaren geavanceerde aerodynamische modellering heeft - voor nieuwe GPU-technologie met behulp van CUDA, een programmeerplatform dat fungeert als intermediair tussen GPU's en traditionele programmeertalen zoals C++. Door gebruik te maken van de snelheid van de GPU's van Summit, Het team van Nielsen meldt een prestatieverbetering van 35 keer per rekenknooppunt.

"We zouden doorgaans vijf tot zes maanden wachten om een ​​gelijkwaardig antwoord te krijgen met behulp van CPU-technologie in een capaciteitsomgeving, wat betekent dat er veel kleinere runs zijn. Op de top, we krijgen die antwoorden over ongeveer vier tot vijf dagen, "zei hij. "Bovendien, Summit stelt ons in staat om vijf of zes van dergelijke simulaties tegelijkertijd uit te voeren, uiteindelijk verkorten doorlooptijd van twee of drie jaar tot een werkweek."

Het onderzoeksteam omvat visualisatiespecialisten van NASA's Ames Research Center, die de kwantitatieve gegevens nemen en deze omzetten in een actiefoto van wat er gebeurt.

"De visualisatie is een groot voordeel van de Summit-mogelijkheid, waardoor we zowel zeer kleine stromingsstructuren als echt grote stromingsstructuren hebben kunnen vastleggen, "Zei Korzun. "Ik kan zien wat er gebeurt bij de uitlaat van de raketmotor, evenals tientallen meters vooruit in de richting waarin het voertuig rijdt."

Terwijl de teamleden nieuwe Summit-gegevens blijven verzamelen, ze denken na over de volgende stappen om een ​​menselijk verkenningsvoertuig voor Mars te ontwerpen.

"Ook al keren we terug naar de maan, NASA's langetermijndoelstelling is de menselijke verkenning van het oppervlak van Mars. Deze resultaten zijn informatief voor testen, zoals windtunneltesten, dat we de komende jaren gaan doen, "Zei Korzun. "Dus deze gegevens zullen heel lang nuttig zijn."