Il tipo di veicolo che trasporterà le persone sul Pianeta Rosso si preannuncia "come una casa a due piani che stai cercando di atterrare su un altro pianeta. Lo scudo termico sulla parte anteriore del veicolo ha un diametro di poco più di 16 metri , e il veicolo stesso, durante l'atterraggio, pesa decine di tonnellate. È enorme, "ha detto Ashley Korzun, un ingegnere aerospaziale di ricerca presso il Langley Research Center della NASA.

Un veicolo per l'esplorazione umana peserà molto di più del familiare, rover delle dimensioni di un'auto come Curiosity, che sono stati dispiegati sulla superficie planetaria tramite paracadute.

"Non puoi usare i paracadute per far atterrare carichi molto grandi sulla superficie di Marte, " ha detto Korzun. "La fisica si rompe appena. Devi fare qualcos'altro".

La NASA prevede che gli esseri umani viaggeranno su Marte tra la metà e la fine degli anni '30, quindi gli ingegneri sono stati al comitato di redazione per un po' di tempo. Ora, hanno una soluzione promettente nella retropropulsione, o decelerazione azionata dal motore.

"Invece di spingerti avanti, i motori a retropropulsione ti rallentano, come freni, " disse Korzun.

Guidato da Eric Nielsen, un ricercatore senior presso la NASA Langley, un team di scienziati e ingegneri tra cui Korzun sta usando Summit, il supercomputer più veloce del mondo presso l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), per simulare la retropropulsione per l'atterraggio di esseri umani su Marte.

"Siamo in grado di dimostrare prestazioni piuttosto rivoluzionarie su Summit rispetto a ciò a cui eravamo abituati con un approccio informatico convenzionale, ", ha detto Nielsen.

Il team usa il suo codice di fluidodinamica computazionale (CFD) chiamato FUN3D per modellare la discesa marziana del veicolo. Le applicazioni CFD utilizzano ampi sistemi di equazioni per simulare le interazioni su piccola scala dei fluidi (inclusi i gas) durante il flusso e la turbolenza, in questo caso, per catturare gli effetti aerodinamici creati dal veicolo di atterraggio e dall'atmosfera.

"FUN3D e la stessa capacità di calcolo hanno cambiato completamente le regole del gioco, permettendoci di andare avanti con lo sviluppo della tecnologia per la retropropulsione, che ha applicazioni sulla Terra, la luna e Marte, " disse Korzun.

Attaccare l'atterraggio

La NASA ha già schierato con successo otto lander su Marte, compresi laboratori scientifici mobili dotati di telecamere, sensori, e dispositivi di comunicazione e i ricercatori hanno familiarità con le sfide ultraterrene del pianeta.

L'atmosfera marziana è circa 100 volte più sottile (meno densa) di quella terrestre, il che si traduce in una rapida discesa dall'orbita, circa da sei a sette minuti invece dei 35-40 minuti di tempo di rientro per la Terra.

"Non possiamo eguagliare tutta la fisica rilevante nei test a terra o in volo sulla Terra, quindi dipendiamo molto dalla capacità di calcolo, " ha detto Korzun. "Questa è davvero la prima opportunità, a questo livello di fedeltà e risoluzione, che siamo stati in grado di vedere cosa succede al veicolo mentre rallenta con i suoi motori accesi".

Durante la retropropulsione, il veicolo è sensibile a grandi variazioni delle forze aerodinamiche, che possono influire sulle prestazioni del motore e sulla capacità dell'equipaggio di controllare e far atterrare il veicolo in una posizione mirata.

Il team ha bisogno di un potente supercomputer come il Summit da 200 petaflop per simulare l'intero veicolo mentre naviga in una serie di condizioni atmosferiche e del motore.

Per prevedere cosa accadrà nell'atmosfera marziana e come i motori dovrebbero essere progettati e controllati per il successo e la sicurezza dell'equipaggio, i ricercatori devono studiare flussi instabili e turbolenti su scale di lunghezza e tempo, da centimetri a chilometri e da frazioni di secondo a minuti. Per replicare accuratamente queste condizioni lontane, il team deve modellare le grandi dimensioni del lander e dei suoi motori, le condizioni atmosferiche locali, e le condizioni dei motori lungo la traiettoria di discesa.

in vetta, il team sta modellando il lander in più punti nella sua discesa da sei a sette minuti. Per caratterizzare i comportamenti del flusso attraverso velocità che vanno dal supersonico al subsonico, i ricercatori eseguono insiemi (suite di simulazioni individuali) per risolvere la fluidodinamica con una risoluzione fino a 10 miliardi di elementi con fino a 200 terabyte di informazioni archiviate per corsa.

"Uno dei principali vantaggi di Summit per noi è la velocità assoluta della macchina, ", ha detto Nielsen.

Velocità celeste

Il team di Nielsen ha trascorso diversi anni a ottimizzare FUN3D, un codice che ha avanzato la modellazione aerodinamica per diversi decenni, per la nuova tecnologia GPU utilizzando CUDA, una piattaforma di programmazione che funge da intermediario tra GPU e linguaggi di programmazione tradizionali come C++. Sfruttando la velocità delle GPU di Summit, Il team di Nielsen segnala un aumento di 35 volte delle prestazioni per nodo di calcolo.

"In genere aspettiamo dai cinque ai sei mesi per ottenere una risposta equivalente utilizzando la tecnologia della CPU in un ambiente di capacità, il che significa molte corse più piccole. in vetta, riceveremo quelle risposte in circa quattro o cinque giorni, " ha detto. "Inoltre, Summit ci consente di eseguire cinque o sei di queste simulazioni contemporaneamente, riducendo in definitiva i tempi di consegna da due o tre anni a una settimana lavorativa."

Il team di ricerca comprende specialisti di visualizzazione presso l'Ames Research Center della NASA, che prendono i dati quantitativi e li trasformano in una ripresa d'azione di ciò che sta accadendo.

"La visualizzazione è un grande vantaggio della capacità del Summit, che ci ha permesso di catturare strutture di flusso molto piccole e strutture di flusso molto grandi, " disse Korzun. "Posso vedere cosa sta succedendo proprio all'uscita dell'ugello del motore a razzo, così come decine di metri avanti nella direzione in cui il veicolo sta viaggiando."

Mentre i membri del team continuano a raccogliere nuovi dati del Summit, stanno pensando ai prossimi passi per la progettazione di un veicolo di esplorazione umana per Marte.

"Anche se stiamo tornando sulla Luna, L'obiettivo a lungo termine della NASA è l'esplorazione umana della superficie di Marte. Questi risultati stanno informando i test, come i test in galleria del vento, che faremo nei prossimi due anni, " disse Korzun. "Quindi questi dati saranno utili per molto tempo."