Misschien heb je wel eens met een vluchtsimulator gevlogen in een computerspel of in een wetenschappelijk museum. Landen zonder te crashen is altijd het moeilijkste deel. Maar dat is niets vergeleken met de uitdaging waarmee ingenieurs worden geconfronteerd bij het ontwikkelen van een vluchtsimulatie van de zeer grote voertuigen die mensen nodig hebben om het oppervlak van Mars te verkennen. De Rode Planeet stelt astronauten voor talloze uitdagingen, en niet in de laatste plaats om daar te komen.

Dat is waar de supercomputers van het Department of Energy Office of Science in beeld komen. Onderzoekers van DOE's Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) werken samen met NASA-ingenieurs en wetenschappers om het proces te simuleren van het vertragen van een enorm ruimtevaartuig terwijl het zich richting het oppervlak van Mars beweegt. .

Het landen van ruimtevaartuigen op Mars is niet nieuw voor NASA. Het bureau voerde zijn eerste missies naar de planeet uit in 1976 met het Viking-project. Sindsdien heeft NASA met succes acht extra landingen op Mars uitgevoerd.

Wat dit doel anders maakt, is het feit dat het veel moeilijker is om het enorme ruimtevaartuig dat nodig is voor menselijke verkenning te landen dan dat voor robotmissies. De robotvoertuigen gebruiken parachutes om door de atmosfeer van Mars te vertragen. Maar een ruimtevaartuig dat mensen vervoert, zal ongeveer 20 tot 50 keer zwaarder zijn.

Een voertuig van deze omvang kan simpelweg geen parachutes gebruiken. In plaats daarvan zal NASA moeten vertrouwen op retro-voortstuwing. Deze technologie maakt gebruik van raketten die naar voren schieten om het voertuig te vertragen wanneer het het oppervlak nadert.

Er komen een aantal uitdagingen kijken bij het gebruik van retro-aandrijving. De hoogenergetische uitlaatgassen van de raketmotor werken samen met zowel het voertuig als de atmosfeer van Mars. Deze dynamiek verandert de manier waarop het team het voertuig moet besturen en controleren. Bovendien kunnen ingenieurs niet volledig repliceren hoe een vlucht op Mars op aarde zou verlopen. Hoewel ze ruimtevaartuigen in windtunnels kunnen testen en andere gereedschappen kunnen gebruiken, zijn deze gereedschappen geen perfecte vervanging of directe analogie voor de omgeving van Mars.

Om de hiaten op te vullen, wendde NASA zich tot de OLCF-supercomputers en hun deskundige computerwetenschappers. In theorie zouden programma's die op supercomputers draaien de omgeving van Mars en veel van de complexe fysica die gepaard gaat met het gebruik van retrovoortstuwing volledig kunnen simuleren.

Het projectteam heeft vertrouwd op FUN3D, een al lang bestaande reeks softwaretools die modelleert hoe vloeistoffen, inclusief lucht, bewegen. Ingenieurs hebben eind jaren tachtig de eerste versie van de code gemaakt en hebben sindsdien voortdurend grote verbeteringen aangebracht. Agentschappen en bedrijven in de lucht- en ruimtevaarttechnologie hebben het gebruikt om grote uitdagingen aan te pakken.

De huidige Mars-inspanning begon in 2019 op Summit, destijds de snelste computer van OLCF. Bij de initiële simulaties werd uitgegaan van vaste omstandigheden. Ze simuleerden slechts één punt op het traject van het voertuig. Dankzij die vroege versies konden wetenschappers de impact van vliegsnelheden, motorinstellingen en meer evalueren. Verdere ontwikkelingen stelden ingenieurs in staat echte gaseffecten te onderzoeken.

Ze zouden verantwoordelijk kunnen zijn voor de vloeibare zuurstof-methaan-raketmotoren en de koolstofdioxide-zware atmosfeer van Mars. Zelfs deze vroege simulaties resulteerden doorgaans in datasets van petabyte-formaat. Er zouden ongeveer 1.000 krachtige thuiscomputers nodig zijn om één petabyte op te slaan. Maar zelfs dit waren nog geen volledige simulaties; dat was nog niet mogelijk.

De volgende stap was het opnemen van een geheel nieuw stuk software in de simulatie:het Program to Optimize Simulated Trajectories (POST2). NASA heeft POST2 ontwikkeld om de vluchtmechanica voor een breed scala aan toepassingen te analyseren. Terwijl de initiële simulaties afhankelijk waren van statische omstandigheden, stelde POST2 wetenschappers in staat het voertuig in de simulatie dynamisch te "vliegen". Het team schakelde onderzoekers van het Aerospace Systems Design Laboratory van Georgia Tech in.

Ze hadden eerder unieke strategieën ontwikkeld om POST2 te koppelen aan hifi-aërodynamische simulaties. De integratie van POST2 vereiste ook dat ingenieurs de projectworkflow moesten veranderen. Het gebruik van de software was om veiligheidsredenen beperkt tot NASA-computersystemen. Daarom moest het team ervoor zorgen dat de NASA-systemen soepel konden communiceren met Summit at OLCF.

Het oplossen van problemen met firewalls, netwerkonderbrekingen en andere programma's vergde een heel jaar planning voor de cyberbeveiligings- en systeembeheerteams in beide faciliteiten!

De nieuwste stap was het verplaatsen van de hele simulatie naar de nieuwste en krachtigste computer bij OLCF:Frontier. Frontier, de eerste exaschaalcomputer ter wereld, is enorm krachtiger dan eerdere supercomputers. Met een reeks gecoördineerde vluchten gedurende een periode van twee weken voerde het team de meest uitgebreide vluchtsimulatie tot nu toe uit.

Het was een afdaling van 35 seconden met een gesloten lus van 8 km hoogte naar ongeveer 1 km. De simulatie vertraagde het voertuig van 1.200 mijl per uur naar ongeveer 450 mijl per uur. POST2 kon het voertuig op een stabiele manier autonoom besturen met behulp van de acht hoofdmotoren en vier reactiecontrolesysteemmodules.

Met de enorme kracht die Frontier bij OLCF levert, gaan NASA-ingenieurs vooruit om nieuwe grenzen in de ruimtevaart aan te pakken.

Aangeboden door het Amerikaanse ministerie van Energie