Una misión estadounidense para llevar astronautas a la superficie de Marte será diferente a cualquier otro aterrizaje extraterrestre jamás realizado por la NASA.
Aunque la agencia espacial ha aterrizado con éxito nueve misiones robóticas en Marte desde sus primeras misiones a la superficie en 1976 con el Proyecto Viking, llevar humanos a Marte de forma segura requerirá nuevas tecnologías para volar a través de la atmósfera marciana. Pero estas tecnologías y sistemas no se pueden probar exhaustivamente en la Tierra de antemano.
Desde 2019, un equipo de científicos de la NASA y sus socios han estado utilizando el software FUN3D de la NASA en supercomputadoras ubicadas en Oak Ridge Leadership Computing Facility, o OLCF, del Departamento de Energía, para realizar simulaciones de dinámica de fluidos computacional, o CFD, de un Marte a escala humana. módulo de aterrizaje. El OLCF es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE ubicada en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del DOE.
El proyecto de investigación en curso del equipo es un primer paso para determinar cómo aterrizar de forma segura un vehículo con humanos a bordo en la superficie de Marte.
"Por su propia naturaleza, no tenemos datos de validación para esto. Podemos realizar pruebas valiosas pero limitadas en instalaciones terrestres como un túnel de viento o en un campo balístico, pero tales enfoques no pueden capturar completamente la física que se encontrará en Marte. "No podemos realizar pruebas de vuelo en el entorno marciano real; es todo o nada cuando lleguemos allí. Por eso la supercomputación es tan importante", dijo Eric Nielsen, científico investigador principal del Centro de Investigación Langley de la NASA e investigador principal del programa. esfuerzo de cinco años en la OLCF.
A diferencia de las recientes misiones a Marte, los paracaídas no forman parte de la operación. En cambio, el principal candidato para llevar humanos a Marte es la retropropulsión:disparar cohetes orientados hacia adelante integrados en el escudo térmico de la nave para desacelerar.
"Nunca antes habíamos volado algo así. La pregunta fundamental desde el principio fue:"¿Podremos controlar este vehículo de forma segura?", dijo Nielsen.
La razón por la que la NASA está investigando la retropropulsión en lugar de los paracaídas convencionales es una cuestión de física. Los módulos de aterrizaje anteriores en Marte pesaban alrededor de 1 tonelada; un vehículo que transporte astronautas y todos sus sistemas de soporte vital pesará entre 20 y 50 veces más, o aproximadamente el tamaño de una casa de dos pisos. La delgada atmósfera de Marte, unas 100 veces menos densa que la de la Tierra, no permitiría el aterrizaje en paracaídas de una nave tan grande.
"Con un vehículo convencional, volamos a través de un ambiente muy limpio y predecible. Todo eso se pierde con este concepto, donde viajaremos a través de un ambiente extremadamente dinámico que consiste en gases de escape de cohetes de alta energía", dijo un miembro del equipo de la NASA. y el experto en CFD Gabriel Nastac.
Con la orientación de los planificadores de misiones de la NASA, el equipo formuló un plan plurianual que consta de simulaciones cada vez más sofisticadas destinadas a la cuestión clave de la controlabilidad.
En 2019, el equipo realizó simulaciones CFD en la supercomputadora Summit con resoluciones de hasta 10 mil millones de elementos para caracterizar la aerodinámica estática del vehículo en configuraciones de aceleración anticipadas y velocidades de vuelo que van desde Mach 2,5 hasta Mach 0,8, condiciones en las que se requerirán los motores de cohete del vehículo. para la desaceleración inicial.
A lo largo de 2020, un intenso esfuerzo de desarrollo de código se centró en trasladar las capacidades generales de gas reactivo de FUN3D a los aceleradores de la unidad de procesamiento de gráficos, o GPU, de Summit.
"Lograr un rendimiento eficiente de un solucionador CFD de cuadrícula no estructurada frente a núcleos complejos cargados de física es un desafío enorme en un entorno informático basado en GPU. Pero finalmente pudimos reestructurar segmentos críticos de código para ofrecer el rendimiento que buscábamos. ", dijo el científico informático investigador de la NASA Aaron Walden, quien lidera el desarrollo de software de arquitectura múltiple del equipo.
El trabajo preparó el escenario para una importante campaña de 2021 que permitió al equipo abordar las complejas interacciones de los motores de cohetes de oxígeno líquido/metano con la atmósfera marciana, que se compone principalmente de dióxido de carbono y nitrógeno. Un petabyte (equivalente a 1000 terabytes) de datos de salida para cada simulación realizada utilizando entre 15 000 y 20 000 GPU en Summit arrojó información clave sobre las diferencias críticas en la aerodinámica del vehículo frente a las observadas utilizando el supuesto de gas perfecto de la simulación anterior.
Para la campaña de 2022, el equipo dio un gran paso adelante al incorporar al flujo de trabajo el software de mecánica de vuelo de última generación de la NASA conocido como Programa para optimizar trayectorias simuladas II, o POST2. Yendo más allá de las simulaciones que suponen una condición de vuelo estática, el equipo buscó ahora "volar" el vehículo en el entorno de supercomputación virtual. Esta prueba representaría un primer intento de cuantificar y abordar las dinámicas inestables críticas que se encontrarían durante un descenso motorizado real a la superficie marciana.
El equipo reclutó a expertos clave del Laboratorio de Diseño de Sistemas Aeroespaciales de Georgia Tech; Este grupo estaba dirigido por Brad Robertson. Estos expertos ya habían pasado varios años desarrollando un algoritmo de acoplamiento para reemplazar los modelos aerodinámicos de bajo orden dentro de POST2 con simulaciones FUN3D basadas en física en tiempo real para, en última instancia, realizar simulaciones de trayectoria de alta fidelidad que aprovechan sofisticados algoritmos de control de vuelo.
"Acoplar FUN3D y POST2 fue todo un desafío. Tuvimos que hacer malabarismos con cinco o seis marcos de referencia y las transformaciones de datos entre ellos. Pero la recompensa fue poder adoptar todo el arduo trabajo realizado por otros ingenieros de la NASA en guía detallada, navegación y control. y modelos de propulsión y reunirlos todos en una única simulación multifísica unificada", dijo el miembro del equipo Zach Ernst, estudiante de doctorado de Georgia Tech en ese momento, que trabajó con el pasante graduado de la NASA Hayden Dean en el esfuerzo.
La incorporación de POST2 supuso un desafío adicional. Debido a que POST2 está sujeto a regulaciones de control de exportaciones más restrictivas que FUN3D, al miembro del equipo Kevin Jacobson se le asignó la tarea de desarrollar un paradigma de acoplamiento remoto en el que POST2 se ejecutaría en una instalación de la NASA mientras se comunicaba en tiempo real con FUN3D ejecutándose a escala de liderazgo en el OLCF. .
Establecer y mantener esta conexión teniendo en cuenta los firewalls, las interrupciones de la red y los programadores de trabajos presentó numerosos desafíos. Este trabajo requirió aproximadamente un año de planificación y coordinación con el personal de ciberseguridad y los administradores de sistemas en ambas instalaciones.
El esfuerzo adicional dio sus frutos cuando el equipo logró su objetivo a largo plazo de volar una parte sustancial de la fase de descenso en el entorno virtual.
La llegada de la supercomputadora Frontier de OLCF no podría haber llegado en mejor momento para el proyecto. Ahora que la potencia informática a exaescala (un trillón o más de cálculos por segundo) es ahora una realidad, el equipo podría darse el lujo de reintroducir el modelado físico deseado y otras lecciones aprendidas durante la vida del proyecto.
En 2023, el equipo se centró en la simulación definitiva que habían esperado años antes:un vuelo de prueba verdaderamente autónomo y de circuito cerrado que aprovecha el sistema de supercomputación más potente del mundo.
Mientras que los ocho motores principales se utilizan para controlar el cabeceo (rotación hacia arriba y hacia abajo) y la guiñada (rotación de lado a lado) mientras el sistema de guía apunta a la zona de aterrizaje designada, POST2 también emite comandos para indicarle a FUN3D que dispare periódicamente cuatro Módulos del sistema de control de reacción, o RCS, dispuestos circunferencialmente alrededor de la parte trasera del módulo de aterrizaje para realizar correcciones de balanceo en vuelo.
"Estas capacidades serán fundamentales para evaluar la capacidad de control de los vehículos futuros", dijo Alex Hickey de Georgia Tech, quien dirigió el desarrollo del modelado RCS.
El objetivo a largo plazo del equipo se hizo realidad a finales de 2023, cuando el personal de OLCF ayudó a coordinar una secuencia cuidadosa de trabajos de alta prioridad durante un período de dos semanas a escala en Frontier.
"Por primera vez pudimos volver a la cuestión original de controlar de forma segura este tipo de vehículos en vuelo autónomo", afirmó Nielsen. "En una simulación CFD aeroespacial típica, se podrían calcular uno o dos segundos de tiempo físico. Aquí, Frontier nos permitió realizar con éxito 35 segundos de vuelo controlado, descendiendo desde 8 kilómetros (aproximadamente 5 millas) de altitud hasta aproximadamente 1 kilómetro (0,6 millas). ) a medida que el vehículo se acercaba a su fase de aterrizaje.
"La resolución, el modelado físico y la duración temporal están más allá de cualquier cosa que podamos intentar en un sistema informático convencional de alto rendimiento", añadió Nielsen. "La pura velocidad de las GPU implementadas a escala de liderazgo es realmente habilitante y estamos profundamente agradecidos por los muchos oportunidades y experiencia de clase mundial que la OLCF ha brindado."
Más información: Jan-Renee Carlson et al, Simulaciones de alta fidelidad de trayectorias de descenso de vehículos de aterrizaje en Marte a escala humana, Foro AIAA AVIATION 2023 (2023). DOI:10.2514/6.2023-3693
Ashley M. Korzun et al, Aplicación de un enfoque de simulación de remolinos independientes con química de velocidad finita a entornos operativos de retropropulsión relevantes para Marte, Foro AIAA SCITECH 2022 (2022). DOI:10.2514/6.2022-2298
Gabriel Nastac et al, Investigación computacional del efecto de la química en entornos de retropropulsión supersónica de Marte, Foro AIAA SCITECH 2022 (2022). DOI:10.2514/6.2022-2299
Proporcionado por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge
