Es posible que hayas pilotado un simulador de vuelo en un juego de ordenador o en un museo de ciencias. Aterrizar sin estrellarse es siempre la parte más difícil. Pero eso no es nada comparado con el desafío al que se enfrentan los ingenieros para desarrollar una simulación de vuelo de los vehículos de gran tamaño necesarios para que los humanos exploren la superficie de Marte. El Planeta Rojo plantea innumerables desafíos a los astronautas, uno de los cuales es llegar allí.

Ahí es donde entran en juego las supercomputadoras de las instalaciones de usuario de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía. Los investigadores de Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) del DOE están trabajando con ingenieros y científicos de la NASA para simular el proceso de desaceleración de una enorme nave espacial a medida que avanza hacia la superficie de Marte. .

El aterrizaje de naves espaciales en Marte no es nuevo para la NASA. La agencia realizó sus primeras misiones al planeta en 1976 con el proyecto Viking. Desde entonces, la NASA ha realizado con éxito ocho aterrizajes adicionales en Marte.

Lo que hace que este objetivo sea diferente es el hecho de que es mucho más difícil aterrizar las enormes naves espaciales necesarias para la exploración humana que las de misiones robóticas. Los vehículos robóticos utilizan paracaídas para desacelerar a través de la atmósfera de Marte. Pero una nave espacial que transporte humanos será entre 20 y 50 veces más pesada.

Un vehículo de este tamaño simplemente no puede usar paracaídas. En cambio, la NASA necesitará depender de la retropropulsión. Esta tecnología utiliza cohetes que se disparan hacia adelante para reducir la velocidad del vehículo a medida que se acerca a la superficie.

El uso de la retropropulsión conlleva una serie de desafíos. El escape de alta energía del motor del cohete interactúa tanto con el vehículo como con la atmósfera marciana. Esas dinámicas cambian la forma en que el equipo necesita guiar y controlar el vehículo. Además, los ingenieros no pueden replicar completamente cómo sería un vuelo a Marte en la Tierra. Si bien pueden probar naves espaciales en túneles de viento y utilizar otras herramientas, esas herramientas no son un reemplazo perfecto ni un análogo directo del entorno marciano.

Para llenar los vacíos, la NASA recurrió a las supercomputadoras OLCF y a sus expertos informáticos. En teoría, los programas que se ejecutan en supercomputadoras podrían simular completamente el entorno marciano y muchas de las complejas físicas asociadas con el uso de la retropropulsión.

El equipo del proyecto ha confiado en FUN3D, un conjunto de herramientas de software de larga data que modela cómo se mueven los fluidos, incluido el aire. Los ingenieros crearon la primera versión del código a finales de la década de 1980 y desde entonces han realizado importantes mejoras continuamente. Agencias y empresas del sector aeronáutico y de tecnología espacial lo han utilizado para afrontar grandes retos.

El esfuerzo actual en Marte comenzó en 2019 en Summit, la computadora más rápida de OLCF en ese momento. Las simulaciones iniciales asumieron condiciones fijas. Simularon solo un punto a lo largo de la trayectoria del vehículo. Esas primeras versiones permitieron a los científicos evaluar los impactos de las velocidades de vuelo, la configuración del motor y más. Otros desarrollos permitieron a los ingenieros explorar los efectos reales del gas.

Podrían explicar los motores de los cohetes de oxígeno líquido y metano y la atmósfera marciana rica en dióxido de carbono. Incluso estas primeras simulaciones generalmente daban como resultado conjuntos de datos del tamaño de petabytes. Se necesitarían alrededor de 1.000 potentes ordenadores domésticos para almacenar un solo petabyte. Pero ni siquiera estas eran simulaciones completas; eso aún no era posible.

El siguiente paso fue incorporar un software completamente nuevo a la simulación:el Programa para optimizar trayectorias simuladas (POST2). La NASA desarrolló POST2 para analizar la mecánica de vuelo para una amplia gama de aplicaciones. Si bien las simulaciones iniciales se basaron en condiciones estáticas, POST2 permitió a los científicos "volar" dinámicamente el vehículo en la simulación. El equipo contrató a investigadores del Laboratorio de Diseño de Sistemas Aeroespaciales de Georgia Tech.

Anteriormente habían desarrollado estrategias únicas para acoplar POST2 con simulaciones aerodinámicas de alta fidelidad. La incorporación de POST2 también requirió que los ingenieros cambiaran el flujo de trabajo del proyecto. El uso del software se limitó a los sistemas informáticos de la NASA por razones de seguridad. Como tal, el equipo necesitaba garantizar que los sistemas de la NASA pudieran comunicarse sin problemas con la Cumbre en OLCF.

¡Resolver problemas con firewalls, interrupciones de red y otros programas requirió un año completo de planificación por parte de los equipos de administración de sistemas y ciberseguridad en ambas instalaciones!

El último avance implicó trasladar toda la simulación a la computadora más nueva y poderosa de OLCF:Frontier. Frontier, la primera computadora a exaescala del mundo, es enormemente más poderosa que las supercomputadoras anteriores. Con una serie de ejecuciones coordinadas durante un período de dos semanas, el equipo realizó su simulación de vuelo más elaborada hasta la fecha.

Fue un descenso en circuito cerrado de 35 segundos desde 5 millas de altitud hasta aproximadamente 0,6 millas. La simulación redujo la velocidad del vehículo de 1200 millas por hora a aproximadamente 450 millas por hora. POST2 pudo controlar el vehículo de forma autónoma y estable utilizando sus ocho motores principales y cuatro módulos del sistema de control de reacción.

Con el inmenso poder proporcionado por Frontier en OLCF, los ingenieros de la NASA están avanzando para abordar nuevas fronteras en los viajes espaciales.

Proporcionado por el Departamento de Energía de EE. UU.