Toekomstige ruimtevaartuigen op weg naar de maan of daarbuiten zullen profiteren van krachtige computersimulaties die aan de gang zijn aan de Universiteit van Michigan en die de deeltjeschaos die in gang wordt gezet door raketstuwraket-aangedreven landingen modelleren.

Tijdens de afdaling, uitlaatpluimen maken oppervlaktegrond en stof vloeibaar, kraters vormen en de lander beuken met grove, schurende deeltjes. Deze actie presenteert een groot aantal variabelen die een landing in gevaar kunnen brengen. Ons huidige begrip van die miljoenen interacties is gebaseerd op gegevens, dat wil zeggen:in sommige gevallen, 40 tot 50 jaar oud.

"Veel van de beschikbare gegevens die in de ontwerpfase worden gebruikt, inclusief voor de komende missie naar Mars 2020, is gebaseerd op gegevens uit het Apollo-tijdperk, " zei Jesse Capecelatro, een assistent-professor werktuigbouwkunde aan de U-M.

"Landingsrelevante gegevens zijn erg moeilijk te genereren, omdat je niet zomaar een experiment op aarde kunt uitvoeren. Bestaande wiskundige modellen vallen in deze extremere omstandigheden uiteen wanneer deeltjes supersonische snelheden naderen. Onze groep ontwikkelt nieuwe numerieke algoritmen die dergelijke simulaties mogelijk maken. "

Capecelatro leidt een team dat op fysica gebaseerde modellen ontwikkelt die kunnen worden opgenomen in codes die door NASA worden gebruikt om te helpen voorspellen wat er zal gebeuren wanneer een ruimtevaartuig miljoenen kilometers van huis probeert te landen.

Hij is gespecialiseerd in "rommelige turbulente stromingen" en het simuleren van het gedrag van vloeistoffen gemaakt van twee fasen van materie - in dit geval vaste deeltjes gesuspendeerd in een gas.

De Mars 2020 Perseverance is gepland om op 30 juli te lanceren vanaf Cape Canaveral en te landen op 18 februari. 2021. Capecelatro zal de afdalingsgegevens analyseren en in zijn modellen opnemen.

Wat we weten en waarom het niet genoeg is

Landingen in het Apollo-tijdperk toonden aan dat verstoord oppervlaktemateriaal zich tot een halve mijl kan verspreiden, niet alleen gevaar opleveren voor de lander zelf, maar ook voor naburige voertuigen of landingsplaatsen. Ondanks de vooruitgang die in de jaren daarna is geboekt, landingen blijven vol potentiële gevaren.

Acht jaar geleden, een windsensor op de Curiosity rover werd beschadigd tijdens de landing op Mars. En in april 2019, Israëls SpaceIL-lander, bereblad, was minuten van de landing op de maan toen de communicatie faalde en het vaartuig neerstortte.

Terwijl NASA op weg is naar nieuwe bemande missies onder het Artemis-programma, dit werk wordt belangrijker. Niet alleen mensen aan boord verhogen de inzet, ze betekenen grotere ladingen en, vervolgens, sterkere uitlaatpluimen die in wisselwerking staan ​​met het oppervlak van de planeet.

Op weg naar geavanceerde, op fysica gebaseerde voorspellende modellen

Veel van het werk wordt uitgevoerd op Grote Meren, U-M's nieuwste high-performance computercluster. Dat stelt het onderzoeksteam in staat om het probleem over honderden te verdelen, en zelfs duizenden, van verwerkers tegelijk. Daarom, elke processor doet een deel van het werk en hoeft slechts een klein deel van de totale gegevens op te slaan.

Maar zelfs de krachtigste computers ter wereld kunnen momenteel maar een beperkt aantal van deze interacties oplossen. Om dieper te gaan, Capecelatro gebruikt modellen - de beste schattingen op basis van alle beschikbare gegevens - om de simulaties verder te ontwikkelen. Het doel is om een ​​raamwerk te bieden dat NASA kan gebruiken om beter te voorspellen hoe verschillende ontwerpen de grond en de landing zullen beïnvloeden, en aanpassen.

"De grootste supercomputers van vandaag kunnen misschien duizend deeltjes aan waar we direct alle stromingsfysica kunnen vastleggen, "Zei Capecelatro. "Dus een volledige, vierkante kilometer landingsplaats is uitgesloten.

"Onze simulaties bieden het fundamentele inzicht in de stromingsfysica die nodig is om verbeterde wiskundige modellen te ontwikkelen die hun codes nodig hebben om een ​​landingsgebeurtenis op volledige schaal te simuleren."