Potresti aver pilotato un simulatore di volo in un gioco per computer o in un museo della scienza. Atterrare senza schiantarsi è sempre la parte più difficile. Ma questo non è niente in confronto alla sfida che gli ingegneri stanno affrontando per sviluppare una simulazione di volo dei grandissimi veicoli necessari agli esseri umani per esplorare la superficie di Marte. Il Pianeta Rosso pone innumerevoli sfide agli astronauti, non ultima quella di arrivarci.

È qui che entrano in gioco i supercomputer delle strutture utente del Department of Energy Office of Science. I ricercatori dell'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) del DOE stanno lavorando con ingegneri e scienziati della NASA per simulare il processo di rallentamento di un enorme veicolo spaziale mentre si muove verso la superficie di Marte .

L'atterraggio di veicoli spaziali su Marte non è una novità per la NASA. L'agenzia ha condotto le sue prime missioni sul pianeta nel 1976 con il progetto Viking. Da allora, la NASA ha effettuato con successo altri otto atterraggi su Marte.

Ciò che rende questo obiettivo diverso è il fatto che è molto più difficile far atterrare l'enorme veicolo spaziale necessario per l'esplorazione umana rispetto a quelli per le missioni robotiche. I veicoli robotici utilizzano i paracadute per decelerare attraverso l'atmosfera di Marte. Ma un veicolo spaziale che trasporta esseri umani sarà da 20 a 50 volte più pesante.

Un veicolo così grande semplicemente non può usare i paracadute. Invece, la NASA dovrà fare affidamento sulla retropropulsione. Questa tecnologia utilizza razzi che sparano in avanti per rallentare il veicolo mentre si avvicina alla superficie.

Una serie di sfide derivano dall’uso della retropropulsione. Lo scarico del motore a razzo ad alta energia interagisce sia con il veicolo che con l'atmosfera marziana. Queste dinamiche cambiano il modo in cui il team deve guidare e controllare il veicolo. Inoltre, gli ingegneri non possono replicare completamente come andrebbe un volo su Marte sulla Terra. Sebbene possano testare veicoli spaziali nelle gallerie del vento e utilizzare altri strumenti, questi strumenti non sono un sostituto perfetto o un analogo diretto per l'ambiente marziano.

Per colmare le lacune, la NASA si è rivolta ai supercomputer OLCF e ai loro esperti informatici. In teoria, i programmi eseguiti su supercomputer potrebbero simulare completamente l'ambiente marziano e molti dei complessi fisici associati all'uso della retropropulsione.

Il team del progetto si è affidato a FUN3D, una suite di strumenti software di lunga data che modella il modo in cui i fluidi, compresa l'aria, si muovono. Gli ingegneri hanno creato la prima versione del codice alla fine degli anni '80 e da allora hanno apportato continui miglioramenti. Le agenzie e le aziende del settore aeronautico e della tecnologia spaziale lo hanno utilizzato per affrontare sfide importanti.

L'attuale sforzo su Marte è iniziato nel 2019 su Summit, all'epoca il computer più veloce dell'OLCF. Le simulazioni iniziali presupponevano condizioni fisse. Hanno simulato solo un punto lungo la traiettoria del veicolo. Quelle prime versioni hanno permesso agli scienziati di valutare gli impatti delle velocità di volo, delle impostazioni del motore e altro ancora. Ulteriori sviluppi hanno consentito agli ingegneri di esplorare gli effetti dei gas reali.

Potrebbero spiegare i motori a razzo a ossigeno liquido e metano e l’atmosfera marziana ricca di anidride carbonica. Anche queste prime simulazioni generalmente davano come risultato set di dati delle dimensioni di petabyte. Per archiviare un singolo petabyte sarebbero necessari circa 1.000 potenti computer domestici. Ma anche queste non erano simulazioni complete:non era ancora possibile.

Il passo successivo è stato quello di incorporare un software completamente nuovo nella simulazione:il Programma per ottimizzare le traiettorie simulate (POST2). La NASA ha sviluppato POST2 per analizzare la meccanica del volo per un'ampia gamma di applicazioni. Mentre le simulazioni iniziali si basavano su condizioni statiche, POST2 ha consentito agli scienziati di "volare" dinamicamente il veicolo nella simulazione. Il team ha coinvolto ricercatori dell'Aerospace Systems Design Laboratory della Georgia Tech.

Avevano precedentemente sviluppato strategie uniche per accoppiare POST2 con simulazioni aerodinamiche ad alta fedeltà. L'incorporazione di POST2 ha inoltre richiesto agli ingegneri di modificare il flusso di lavoro del progetto. L'uso del software era limitato ai sistemi informatici della NASA per motivi di sicurezza. Pertanto, il team doveva garantire che i sistemi della NASA potessero comunicare senza problemi con il Summit dell'OLCF.

La risoluzione dei problemi relativi a firewall, interruzioni di rete e altri programmi ha richiesto un anno intero di pianificazione per i team di sicurezza informatica e amministrazione di sistema in entrambe le strutture!

L'ultimo progresso ha comportato lo spostamento dell'intera simulazione sul computer più nuovo e potente dell'OLCF—Frontier. Il primo computer exascale al mondo, Frontier è enormemente più potente dei precedenti supercomputer. Con una serie di corse coordinate nell'arco di due settimane, il team ha eseguito la simulazione di volo più elaborata mai realizzata fino ad oggi.

È stata una discesa a circuito chiuso di 35 secondi da un'altitudine di 5 miglia a circa 0,6 miglia. La simulazione ha rallentato il veicolo da 1.200 miglia orarie a circa 450 miglia orarie. POST2 è stato in grado di controllare autonomamente il veicolo in modo stabile utilizzando i suoi otto motori principali e quattro moduli del sistema di controllo della reazione.

Grazie all'immensa potenza fornita da Frontier all'OLCF, gli ingegneri della NASA stanno andando avanti per affrontare nuove frontiere nei viaggi spaziali.

Fornito dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti