Science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Plannen voor een soepele landing op Mars

Onmiddellijke oplossingshoeveelheden weergegeven voor een statische Mach 1.4-oplossing op een mesh bestaande uit 33 miljard elementen met behulp van 33.880 GPU's, of 90% van Frontier. Van links naar rechts tonen contouren de massafracties van het hydroxylradicaal en H₂O, de temperatuur in Kelvin en het lokale Mach-getal. Credit:Gabriel Nastac/NASA

Een Amerikaanse missie om astronauten op het oppervlak van Mars te laten landen zal anders zijn dan elke andere buitenaardse landing die ooit door NASA is ondernomen.



Hoewel de ruimtevaartorganisatie sinds de eerste oppervlaktemissies in 1976 met het Viking Project met succes negen robotmissies op Mars heeft geland, zal het veilig brengen van mensen naar Mars nieuwe technologieën vereisen om door de atmosfeer van Mars te kunnen vliegen. Maar deze technologieën en systemen kunnen niet vooraf uitvoerig op aarde worden getest.

Sinds 2019 gebruikt een team van NASA-wetenschappers en hun partners NASA's FUN3D-software op supercomputers in de Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) van het Department of Energy om computationele vloeistofdynamica (CFD) simulaties uit te voeren van een Mars op menselijke schaal. lander. De OLCF is een gebruikersfaciliteit van het DOE Office of Science in het Oak Ridge National Laboratory van DOE.

Het lopende onderzoeksproject van het team is een eerste stap in het bepalen hoe je een voertuig met mensen aan boord veilig op het oppervlak van Mars kunt laten landen.

“Van nature hebben we hier geen validatiegegevens voor. We kunnen waardevolle maar beperkte tests uitvoeren op grondfaciliteiten zoals een windtunnel of op een ballistisch bereik, maar dergelijke benaderingen kunnen de fysica die we op Mars tegenkomen niet volledig vastleggen. We kunnen geen vliegproeven doen in de werkelijke omgeving van Mars – het is alles of niets als we daar aankomen. Daarom is supercomputing zo cruciaal”, zegt Eric Nielsen, senior onderzoeker bij NASA’s Langley Research Center en hoofdonderzoeker van het ruimtevaartonderzoek. vijfjarige inspanning bij het OLCF.

Anders dan bij recente Marsmissies maken parachutes geen deel uit van de operatie. In plaats daarvan is retropropulsie de belangrijkste kandidaat voor het landen van mensen op Mars:het afvuren van naar voren gerichte raketten die in het hitteschild van het ruimtevaartuig zijn ingebouwd om te vertragen.

"We hebben nog nooit met zoiets gevlogen. De fundamentele vraag was vanaf het begin:'Zullen we dit voertuig veilig kunnen besturen?'" zei Nielsen.

Credit:Oak Ridge National Laboratory

De reden dat NASA retrovoortstuwing onderzoekt in plaats van conventionele parachutes is een kwestie van natuurkunde. Eerdere Marslanders wogen ongeveer 1 ton; een voertuig dat astronauten en al hun levensondersteunende systemen vervoert, zal 20 tot 50 keer meer wegen, of ongeveer de grootte van een huis van twee verdiepingen. De dunne atmosfeer van Mars – ongeveer 100 keer minder dicht dan die van de aarde – zal een parachutelanding voor zo'n groot ruimtevaartuig niet ondersteunen.

"Met een conventioneel voertuig vliegen we door een zeer schone, voorspelbare omgeving. Dat alles gaat uit het raam met dit concept, waarbij we door een extreem dynamische omgeving zullen reizen die bestaat uit hoogenergetische raketuitlaatgassen", aldus NASA-teamlid en CFD-expert Gabriel Nastac.

Onder begeleiding van NASA-missieplanners formuleerde het team een ​​meerjarenplan bestaande uit steeds geavanceerdere simulaties gericht op de sleutelvraag van de beheersbaarheid.

In 2019 voerde het team CFD-simulaties uit op de Summit-supercomputer met resoluties tot 10 miljard elementen om de statische aerodynamica van voertuigen te karakteriseren bij verwachte gasklepinstellingen en vliegsnelheden variërend van Mach 2,5 tot Mach 0,8, omstandigheden waarin de raketmotoren van het voertuig nodig zullen zijn. voor initiële vertraging.

Gedurende 2020 was een intensieve codeontwikkelingsinspanning gericht op het overbrengen van de algemene reactiegasmogelijkheden van FUN3D naar Summit's grafische verwerkingseenheid, of GPU-versnellers.

"Het realiseren van efficiënte prestaties van een ongestructureerde CFD-oplosser in het licht van complexe, met fysica beladen kernels is een enorme uitdaging in een GPU-gebaseerde computeromgeving. Maar we waren uiteindelijk in staat om kritische codesegmenten te herstructureren om de prestaties te leveren waar we naar op zoek waren ", zegt computerwetenschapper Aaron Walden van NASA, die leiding geeft aan de multi-architectuursoftwareontwikkeling van het team.

Het werk vormde de basis voor een belangrijke campagne in 2021 die het team in staat stelde de complexe interacties van de vloeibare zuurstof/methaan-raketmotoren met de atmosfeer van Mars, die voornamelijk uit koolstofdioxide en stikstof bestaat, aan te pakken. Een petabyte (equivalent aan 1.000 terabytes) aan outputgegevens voor elke simulatie uitgevoerd met 15.000-20.000 GPU's op Summit leverde belangrijke inzichten op in kritische verschillen in de aerodynamica van voertuigen versus de verschillen die werden waargenomen met behulp van de perfecte-gas-aanname van de eerdere simulatie.

Credit:Oak Ridge National Laboratory

Voor de campagne van 2022 zette het team een ​​grote stap voorwaarts door de ultramoderne NASA-vluchtmechanicasoftware, bekend als het Program to Optimize Simulated Trajectories II, of POST2, in de workflow op te nemen. Het team ging verder dan simulaties die uitgaan van een statische vluchttoestand en probeerde het voertuig nu te 'vliegen' in de virtuele supercomputeromgeving. Deze test zou een eerste poging zijn om de kritieke onstabiele dynamiek te kwantificeren en aan te pakken die men tegenkomt tijdens een feitelijke gemotoriseerde afdaling naar het oppervlak van Mars.

Het team schakelde belangrijke experts in van het Aerospace Systems Design Laboratory van Georgia Tech; deze groep werd geleid door Brad Robertson. Deze experts waren al enkele jaren bezig met het ontwikkelen van een koppelingsalgoritme om de aerodynamische modellen van lage orde binnen POST2 te vervangen door real-time, op fysica gebaseerde FUN3D-simulaties om uiteindelijk hifi-trajectsimulaties te realiseren die gebruik maken van geavanceerde vluchtcontrole-algoritmen.

"Het koppelen van FUN3D en POST2 was een behoorlijke uitdaging. We moesten met vijf of zes referentieframes en de gegevenstransformaties daartussen jongleren. Maar de beloning was dat we al het harde werk van andere NASA-ingenieurs op het gebied van gedetailleerde begeleiding, navigatie en controle konden overnemen. en voortstuwingsmodellen en om ze allemaal samen te brengen in één enkele, verenigde, multifysische simulatie", zegt teamlid Zach Ernst, destijds een doctoraatsstudent aan Georgia Tech, die aan dit onderzoek samenwerkte met NASA-afgestudeerde stagiair Hayden Dean.

Het integreren van POST2 bracht een extra uitdaging met zich mee. Omdat POST2 onderworpen is aan strengere exportcontroleregels dan FUN3D, kreeg teamlid Kevin Jacobson de taak om een ​​paradigma voor koppeling op afstand te ontwikkelen waarin POST2 zou worden uitgevoerd op een NASA-faciliteit terwijl het in realtime zou communiceren met FUN3D dat op leiderschapsschaal draait bij de OLCF. .

Het tot stand brengen en onderhouden van deze verbinding, rekening houdend met firewalls, netwerkonderbrekingen en taakplanners, bracht talloze uitdagingen met zich mee. Dit werk vergde ongeveer een jaar planning en coördinatie met cyberbeveiligingspersoneel en systeembeheerders bij beide faciliteiten.

De extra inspanningen wierpen hun vruchten af ​​toen het team hun langetermijndoelstelling bereikte:een substantieel deel van de afdalingsfase in de virtuele omgeving vliegen.

De komst van OLCF's Frontier-supercomputer had voor het project niet op een beter moment kunnen komen. Nu de rekenkracht op exaschaal (een triljoen of meer berekeningen per seconde) werkelijkheid is geworden, kon het team het zich veroorloven om de gewenste fysieke modellering en andere lessen die tijdens de looptijd van het project zijn geleerd opnieuw te introduceren.

Credit:Oak Ridge National Laboratory

In 2023 concentreerde het team zich op de ultieme simulatie waar ze jaren eerder op hadden gehoopt:een werkelijk autonome testvlucht met gesloten lus, waarbij gebruik werd gemaakt van 's werelds krachtigste supercomputersysteem.

Terwijl de acht hoofdmotoren worden gebruikt om de pitch (op-en-neer rotatie) en gier (zijwaartse rotatie) te regelen terwijl het geleidingssysteem zich richt op de aangewezen landingszone, geeft POST2 ook opdrachten om FUN3D te instrueren om periodiek vier af te vuren reactiecontrolesysteem, of RCS, modules die rondom de achterkant van de lander zijn gerangschikt om rolcorrecties tijdens de vlucht uit te voeren.

"Deze mogelijkheden zullen van cruciaal belang zijn voor het beoordelen van de bestuurbaarheid van toekomstige voertuigen", zegt Alex Hickey van Georgia Tech, die leiding gaf aan de ontwikkeling van de RCS-modellering.

Het langetermijndoel van het team werd eind 2023 werkelijkheid, toen OLCF-medewerkers hielpen bij het coördineren van een zorgvuldige reeks taken met hoge prioriteit gedurende een periode van twee weken op grote schaal op Frontier.

"Voor het eerst konden we terugkeren naar de oorspronkelijke vraag van het veilig besturen van dit type voertuig tijdens autonome vluchten", aldus Nielsen. "In een typische CFD-simulatie in de ruimtevaart zou je een seconde of twee fysieke tijd kunnen berekenen. Hier stelde Frontier ons in staat om met succes 35 seconden gecontroleerde vlucht te vliegen, afdalend van 8 kilometer (ongeveer 5 mijl) hoogte naar ongeveer 1 kilometer (0,6 mijl). ) toen het voertuig de landingsfase naderde.

"De resolutie, fysieke modellering en temporele duur gaan alles te boven wat we zouden kunnen proberen op een conventioneel krachtig computersysteem", voegde Nielsen eraan toe. kansen en expertise van wereldklasse die het OLCF heeft geboden."

Meer informatie: Jan-Renee Carlson et al., High-Fidelity-simulaties van Mars Lander-afdalingstrajecten op menselijke schaal, AIAA AVIATION 2023 Forum (2023). DOI:10.2514/6.2023-3693

Ashley M. Korzun et al., Toepassing van een vrijstaande Eddy-simulatiebenadering met eindige-snelheidschemie op Mars-relevante retropropulsion-bedrijfsomgevingen, AIAA SCITECH 2022 Forum (2022). DOI:10.2514/6.2022-2298

Gabriel Nastac et al., Computationeel onderzoek naar het effect van chemie op supersonische retropropulsie-omgevingen op Mars, AIAA SCITECH 2022 Forum (2022). DOI:10.2514/6.2022-2299

Geleverd door Oak Ridge National Laboratory




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Hoe slaapwandelen werkt
  2. Eerste celkaart van 20, 000 cellen in zoogdierembryo
  3. Herintroductie van bizons in graslanden vergroot de plantendiversiteit, droogtebestendigheid, studievondsten
  4. Hoe soorten ontstaan:wat de verwarde geschiedenis van de relaties tussen ijsberen en bruine beren ons vertelt
  5. G2-fase: wat gebeurt er in deze subfase van de celcyclus?
  6. De lange en korte van een supergen voor efficiënte bestuiving
  7. Komen er haaien samen voor de kust van Noord-Carolina? Missie gelanceerd om haar waarheid te bewijzen
  8. Hersenonderzoek onthult hoe insecten de weg naar huis vinden
  9. Video:De aanval van invasieve soorten overleven

Wetenschap