El tipo de vehículo que llevará a la gente al Planeta Rojo se perfila como "una casa de dos pisos que estás intentando aterrizar en otro planeta. El escudo térmico en la parte delantera del vehículo tiene un diámetro de poco más de 16 metros". , y el propio vehículo, durante el aterrizaje, pesa decenas de toneladas métricas. Es enorme, "dijo Ashley Korzun, un ingeniero aeroespacial de investigación en el Centro de Investigación Langley de la NASA.

Un vehículo para la exploración humana pesará considerablemente más que el familiar, rovers del tamaño de un automóvil como el Curiosity, que se han desplegado a la superficie planetaria en paracaídas.

"No se pueden usar paracaídas para aterrizar cargas útiles muy grandes en la superficie de Marte, "Dijo Korzun." La física simplemente se rompe. Tienes que hacer otra cosa ".

La NASA espera que los humanos viajen a Marte a mediados o finales de la década de 2030, así que los ingenieros han estado en la mesa de redacción durante algún tiempo. Ahora, tienen una solución prometedora en retropropulsión, o desaceleración accionada por motor.

"En lugar de empujarte hacia adelante, los motores de retropropulsión te ralentizan, como frenos, "Dijo Korzun.

Dirigido por Eric Nielsen, un científico investigador senior en NASA Langley, un equipo de científicos e ingenieros, incluido Korzun, está utilizando Summit, la supercomputadora más rápida del mundo en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), para simular retropropulsión para el aterrizaje de humanos en Marte.

"Podemos demostrar un rendimiento bastante revolucionario en Summit en relación con lo que estábamos acostumbrados con un enfoque informático convencional, "Dijo Nielsen.

El equipo utiliza su código de dinámica de fluidos computacional (CFD) llamado FUN3D para modelar el descenso marciano del vehículo. Las aplicaciones CFD utilizan grandes sistemas de ecuaciones para simular las interacciones a pequeña escala de los fluidos (incluidos los gases) durante el flujo y la turbulencia; en este caso, para capturar los efectos aerodinámicos creados por el vehículo de aterrizaje y la atmósfera.

"FUN3D y la capacidad informática en sí han cambiado completamente las reglas del juego, permitiéndonos avanzar en el desarrollo de tecnología para retropropulsión, que tiene aplicaciones en la Tierra, la luna y Marte, "Dijo Korzun.

Pegando el aterrizaje

La NASA ya ha desplegado con éxito ocho módulos de aterrizaje en Marte, incluidos los laboratorios científicos móviles equipados con cámaras, sensores, y dispositivos de comunicación, y los investigadores están familiarizados con los desafíos del otro mundo del planeta.

La atmósfera marciana es aproximadamente 100 veces más delgada (menos densa) que la de la Tierra, lo que resulta en un rápido descenso desde la órbita, alrededor de seis a siete minutos en lugar del tiempo de reentrada de 35 a 40 minutos para la Tierra.

"No podemos igualar toda la física relevante en las pruebas de vuelo o en tierra en la Tierra, por lo que dependemos mucho de la capacidad computacional ", Dijo Korzun." Esta es realmente la primera oportunidad, con este nivel de fidelidad y resolución, de que hemos podido ver lo que le sucede al vehículo cuando desacelera con los motores encendidos ".

Durante la retropropulsión, el vehículo es sensible a grandes variaciones en las fuerzas aerodinámicas, lo que puede afectar el rendimiento del motor y la capacidad de la tripulación para controlar y aterrizar el vehículo en una ubicación específica.

El equipo necesita una supercomputadora potente como la Summit de 200 petaflop para simular todo el vehículo mientras navega por una variedad de condiciones atmosféricas y del motor.

Para predecir lo que sucederá en la atmósfera marciana y cómo se deben diseñar y controlar los motores para el éxito y la seguridad de la tripulación, Los investigadores deben investigar los flujos turbulentos e inestables a lo largo de escalas de tiempo y longitud, de centímetros a kilómetros y de fracciones de segundo a minutos. Para replicar con precisión estas condiciones lejanas, el equipo debe modelar las grandes dimensiones del módulo de aterrizaje y sus motores, las condiciones atmosféricas locales, y las condiciones de los motores a lo largo de la trayectoria de descenso.

En la Cumbre, el equipo está modelando el módulo de aterrizaje en múltiples puntos en su descenso de seis a siete minutos. Para caracterizar los comportamientos de flujo a través de velocidades que van desde supersónicas a subsónicas, los investigadores ejecutan conjuntos (conjuntos de simulaciones individuales) para resolver la dinámica de fluidos a una resolución de hasta 10 mil millones de elementos con hasta 200 terabytes de información almacenada por ejecución.

"Uno de los principales beneficios de Summit para nosotros es la gran velocidad de la máquina, "Dijo Nielsen.

Velocidad celestial

El equipo de Nielsen pasó varios años optimizando FUN3D, un código que ha avanzado en el modelado aerodinámico durante varias décadas, para la nueva tecnología de GPU que usa CUDA, una plataforma de programación que sirve como intermediario entre las GPU y los lenguajes de programación tradicionales como C ++. Aprovechando la velocidad de las GPU de Summit, El equipo de Nielsen informa un aumento de 35 veces en el rendimiento por nodo de cómputo.

"Por lo general, esperaríamos de cinco a seis meses para obtener una respuesta equivalente utilizando la tecnología de CPU en un entorno de capacidad, lo que significa muchas carreras más pequeñas. En Summit, recibiremos esas respuestas en unos cuatro o cinco días, ", dijo." Además, Summit nos permite realizar cinco o seis simulaciones de este tipo simultáneamente, en última instancia, reduciendo el tiempo de respuesta de dos o tres años a una semana laboral ".

El equipo de investigación incluye especialistas en visualización en el Centro de Investigación Ames de la NASA, que toman los datos cuantitativos y los transforman en una toma de acción de lo que está sucediendo.

"La visualización es una gran lección de la capacidad Summit, lo que nos ha permitido capturar estructuras de flujo muy pequeñas, así como estructuras de flujo realmente grandes, "Dijo Korzun." Puedo ver lo que está sucediendo justo en la salida de la boquilla del motor cohete, así como decenas de metros más adelante en la dirección en la que viaja el vehículo ".

A medida que los miembros del equipo continúan recopilando nuevos datos de la Cumbre, están pensando en los próximos pasos para diseñar un vehículo de exploración humana para Marte.

"Aunque volvamos a la Luna, El objetivo a largo plazo de la NASA es la exploración humana de la superficie de Marte. Estos resultados informan las pruebas, como pruebas en túnel de viento, que estaremos haciendo en los próximos años, "Dijo Korzun." Así que estos datos serán útiles durante mucho tiempo ".