Una missione statunitense per far atterrare gli astronauti sulla superficie di Marte sarà diversa da qualsiasi altro atterraggio extraterrestre mai intrapreso dalla NASA.
Sebbene l’agenzia spaziale abbia fatto atterrare con successo nove missioni robotiche su Marte dalle sue prime missioni di superficie nel 1976 con il Progetto Viking, portare gli esseri umani su Marte in sicurezza richiederà nuove tecnologie per il volo attraverso l’atmosfera marziana. Ma queste tecnologie e questi sistemi non possono essere testati in anticipo sulla Terra in modo completo.
Dal 2019, un team di scienziati della NASA e i loro partner utilizzano il software FUN3D della NASA sui supercomputer situati presso l'Oak Ridge Leadership Computing Facility, o OLCF, del Dipartimento dell'Energia, per condurre simulazioni di fluidodinamica computazionale, o CFD, di un Marte a scala umana. lander. L'OLCF è una struttura per gli utenti del DOE Office of Science situata presso l'Oak Ridge National Laboratory del DOE.
Il progetto di ricerca in corso del team è un primo passo per determinare come far atterrare in sicurezza un veicolo con esseri umani a bordo sulla superficie di Marte.
"Per la sua stessa natura, non disponiamo di dati di validazione per questo. Possiamo eseguire test preziosi ma limitati in strutture a terra come una galleria del vento o su un campo balistico, ma tali approcci non possono catturare completamente la fisica che si incontrerà su Marte." Non possiamo effettuare test di volo nell'ambiente marziano reale:quando arriveremo lì sarà tutto o niente, ecco perché il supercalcolo è di fondamentale importanza", ha affermato Eric Nielsen, ricercatore senior presso il Langley Research Center della NASA e ricercatore principale del progetto. impegno quinquennale presso l'OLCF.
A differenza delle recenti missioni su Marte, i paracadute non fanno parte dell'operazione. Invece, il principale candidato per lo sbarco di esseri umani su Marte è la retropropulsione, ovvero il lancio di razzi rivolti in avanti integrati nello scudo termico del velivolo per decelerare.
"Non abbiamo mai volato nulla di simile prima. La domanda fondamentale fin dall'inizio è stata:" Saremo in grado di controllare in sicurezza questo veicolo?'", ha detto Nielsen.
Il motivo per cui la NASA sta studiando la retropropulsione piuttosto che i paracadute convenzionali è una questione di fisica. I precedenti lander su Marte pesavano circa 1 tonnellata; un veicolo che trasporta gli astronauti e tutti i loro sistemi di supporto vitale peserà da 20 a 50 volte di più, o avrà le dimensioni di una casa a due piani. La sottile atmosfera di Marte, circa 100 volte meno densa di quella terrestre, non supporterebbe l'atterraggio con il paracadute di un velivolo così grande.
"Con un veicolo convenzionale, voliamo attraverso un ambiente molto pulito e prevedibile. Tutto ciò va fuori dalla finestra con questo concetto, dove viaggeremo attraverso un ambiente estremamente dinamico costituito da scarichi di razzi ad alta energia", ha affermato un membro del team della NASA. e l'esperto di CFD Gabriel Nastac.
Sotto la guida dei pianificatori delle missioni della NASA, il team ha formulato un piano pluriennale composto da simulazioni sempre più sofisticate mirate alla questione chiave della controllabilità.
Nel 2019, il team ha condotto simulazioni CFD sul supercomputer Summit con risoluzioni fino a 10 miliardi di elementi per caratterizzare l'aerodinamica statica del veicolo con impostazioni previste dell'acceleratore e velocità di volo che vanno da Mach 2,5 fino a Mach 0,8, condizioni in cui saranno necessari i motori a razzo del veicolo. per la decelerazione iniziale.
Nel corso del 2020, un intenso sforzo di sviluppo del codice si è concentrato sul trasferimento delle capacità generali del gas di reazione di FUN3D sugli acceleratori dell'unità di elaborazione grafica, o GPU, di Summit.
"Realizzare prestazioni efficienti di un solutore CFD a griglia non strutturata a fronte di kernel complessi carichi di fisica è una sfida enorme in un ambiente informatico basato su GPU. Ma alla fine siamo stati in grado di ristrutturare segmenti critici di codice per fornire le prestazioni che cercavamo ," ha affermato Aaron Walden, scienziato informatico ricercatore della NASA, che guida lo sviluppo del software multi-architettura del team.
Il lavoro ha posto le basi per un’importante campagna del 2021 che ha consentito al team di affrontare le complesse interazioni dei motori a razzo a ossigeno liquido/metano con l’atmosfera marziana, che consiste principalmente di anidride carbonica e azoto. Un petabyte (equivalente a 1.000 terabyte) di dati di output per ciascuna simulazione condotta utilizzando 15.000-20.000 GPU su Summit ha prodotto informazioni chiave sulle differenze critiche nell'aerodinamica del veicolo rispetto a quelle osservate utilizzando il presupposto del gas perfetto della simulazione precedente.
Per la campagna 2022, il team ha compiuto un importante passo avanti incorporando nel flusso di lavoro il software all’avanguardia di meccanica di volo della NASA noto come Programma per ottimizzare le traiettorie simulate II, o POST2. Andando oltre le simulazioni che presuppongono una condizione di volo statica, il team ha ora cercato di "volare" il veicolo nell'ambiente di supercalcolo virtuale. Questo test rappresenterebbe un primo tentativo di quantificare e affrontare le dinamiche instabili critiche che si incontrerebbero durante un'effettiva discesa motorizzata sulla superficie marziana.
Il team ha arruolato esperti chiave dell'Aerospace Systems Design Laboratory della Georgia Tech; questo gruppo era guidato da Brad Robertson. Questi esperti avevano già trascorso diversi anni a sviluppare un algoritmo di accoppiamento per sostituire i modelli aerodinamici di basso ordine all'interno di POST2 con simulazioni FUN3D in tempo reale e basate sulla fisica per realizzare infine simulazioni di traiettoria ad alta fedeltà che sfruttano sofisticati algoritmi di controllo di volo.
"Accoppiare FUN3D e POST2 è stata una vera sfida. Abbiamo dovuto destreggiarci tra cinque o sei sistemi di riferimento e le trasformazioni dei dati tra di loro. Ma la ricompensa è stata quella di poter adottare tutto il duro lavoro svolto da altri ingegneri della NASA su guida dettagliata, navigazione, controllo e modelli di propulsione e di riunirli tutti in un'unica simulazione multifisica unificata," ha affermato il membro del team Zach Ernst, all'epoca uno studente di dottorato della Georgia Tech, che ha lavorato allo sforzo con lo stagista laureato della NASA Hayden Dean.
L’incorporazione di POST2 ha comportato un’ulteriore sfida. Poiché POST2 è soggetto a normative sul controllo delle esportazioni più restrittive rispetto a FUN3D, al membro del team Kevin Jacobson è stato assegnato il compito di sviluppare un paradigma di accoppiamento remoto in cui POST2 verrebbe eseguito su una struttura della NASA comunicando in tempo reale con FUN3D in esecuzione su scala di leadership presso l'OLCF .
Stabilire e mantenere questa connessione tenendo conto di firewall, interruzioni di rete e pianificazione dei lavori ha presentato numerose sfide. Questo lavoro ha richiesto circa un anno di pianificazione e coordinamento con il personale di sicurezza informatica e gli amministratori di sistema di entrambe le strutture.
Lo sforzo aggiuntivo è stato ripagato quando il team ha raggiunto l'obiettivo a lungo termine di volare una parte sostanziale della fase di discesa nell'ambiente virtuale.
L'arrivo del supercomputer Frontier di OLCF non poteva arrivare in un momento migliore per il progetto. Con la potenza di calcolo exascala (un quintilione o più di calcoli al secondo) ormai una realtà, il team ha potuto permettersi di reintrodurre la modellazione fisica desiderata e altre lezioni apprese nel corso del progetto.
Nel 2023, il team si è concentrato sulla simulazione definitiva che sperava anni prima:un volo di prova a circuito chiuso veramente autonomo che sfruttasse il sistema di supercalcolo più potente del mondo.
Mentre gli otto motori principali vengono utilizzati per controllare il beccheggio (rotazione su e giù) e l'imbardata (rotazione da lato a lato) mentre il sistema di guida punta alla zona di atterraggio designata, POST2 emette anche comandi per istruire FUN3D ad attivare periodicamente quattro sistema di controllo della reazione, o RCS, moduli disposti circonferenzialmente attorno alla parte posteriore del lander per eseguire correzioni di rollio in volo.
"Queste capacità saranno fondamentali per valutare la controllabilità dei veicoli futuri", ha affermato Alex Hickey di Georgia Tech, che ha guidato lo sviluppo della modellazione RCS.
L'obiettivo a lungo termine del team è diventato realtà alla fine del 2023, quando il personale dell'OLCF ha contribuito a coordinare un'attenta sequenza di lavori ad alta priorità su larga scala su Frontier per un periodo di due settimane.
"Per la prima volta siamo stati in grado di tornare alla questione originale del controllo sicuro di questo tipo di veicolo durante il volo autonomo", ha affermato Nielsen. "In una tipica simulazione CFD aerospaziale, si potrebbe calcolare un secondo o due di tempo fisico. In questo caso, Frontier ci ha permesso di effettuare con successo 35 secondi di volo controllato, scendendo da 8 chilometri (circa 5 miglia) di altitudine a circa 1 chilometro (0,6 miglia) ) mentre il veicolo si avvicinava alla fase di atterraggio.
"La risoluzione, la modellazione fisica e la durata temporale vanno oltre qualsiasi cosa potremmo tentare su un sistema di elaborazione convenzionale ad alte prestazioni", ha aggiunto Nielsen. "La pura velocità delle GPU implementate su scala leader è davvero abilitante e siamo profondamente grati per i molti opportunità e competenze di livello mondiale fornite dall'OLCF."
Ulteriori informazioni: Jan-Renee Carlson et al, Simulazioni ad alta fedeltà delle traiettorie di discesa del lander su Marte su scala umana, Forum AIAA AVIATION 2023 (2023). DOI:10.2514/6.2023-3693
Ashley M. Korzun et al, Applicazione di un approccio di simulazione di vortici distaccati con chimica a velocità finita agli ambienti operativi di retropropulsione rilevanti per Marte, Forum AIAA SCITECH 2022 (2022). DOI:10.2514/6.2022-2298
Gabriel Nastac et al, Indagine computazionale sull'effetto della chimica sugli ambienti di retropropulsione supersonica di Marte, Forum AIAA SCITECH 2022 (2022). DOI:10.2514/6.2022-2299
Fornito da Oak Ridge National Laboratory
