Möglicherweise haben Sie einen Flugsimulator in einem Computerspiel oder in einem Wissenschaftsmuseum geflogen. Eine Landung ohne Absturz ist immer der schwierigste Teil. Aber das ist nichts im Vergleich zu der Herausforderung, vor der Ingenieure stehen, eine Flugsimulation der sehr großen Fahrzeuge zu entwickeln, die Menschen zur Erkundung der Marsoberfläche benötigen. Der Rote Planet stellt Astronauten vor unzählige Herausforderungen, nicht zuletzt die Anreise dorthin.
Hier kommen die Benutzer-Supercomputer des Department of Energy Office of Science ins Spiel. Forscher der Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) des DOE arbeiten mit Ingenieuren und Wissenschaftlern der NASA zusammen, um den Prozess der Verlangsamung eines riesigen Raumfahrzeugs auf seinem Weg zur Marsoberfläche zu simulieren .
Die Landung von Raumfahrzeugen auf dem Mars ist für die NASA nichts Neues. Mit dem Viking-Projekt führte die Agentur 1976 ihre ersten Missionen zum Planeten durch. Seitdem hat die NASA acht weitere Marslandungen erfolgreich durchgeführt.
Das Besondere an diesem Ziel ist die Tatsache, dass es viel schwieriger ist, die riesigen Raumschiffe zu landen, die für die Erforschung durch Menschen erforderlich sind, als für Robotermissionen. Die Roboterfahrzeuge nutzen Fallschirme, um durch die Marsatmosphäre abzubremsen. Aber ein Raumschiff, das Menschen befördert, wird etwa 20 bis 50 Mal schwerer sein.
Ein so großes Fahrzeug kann einfach keine Fallschirme benutzen. Stattdessen muss sich die NASA auf Retroantriebe verlassen. Diese Technologie verwendet Raketen, die nach vorne schießen, um das Fahrzeug zu verlangsamen, wenn es sich der Oberfläche nähert.
Der Einsatz von Retroantrieben bringt eine Reihe von Herausforderungen mit sich. Die hochenergetischen Abgase des Raketentriebwerks interagieren sowohl mit dem Fahrzeug als auch mit der Marsatmosphäre. Diese Dynamik verändert die Art und Weise, wie das Team das Fahrzeug führen und kontrollieren muss. Darüber hinaus können Ingenieure nicht vollständig nachbilden, wie ein Flug auf dem Mars auf der Erde ablaufen würde. Obwohl sie Raumfahrzeuge in Windkanälen testen und andere Werkzeuge verwenden können, sind diese Werkzeuge kein perfekter Ersatz oder direktes Analogon für die Marsumgebung.
Um die Lücken zu schließen, wandte sich die NASA an die OLCF-Supercomputer und ihre erfahrenen Informatiker. Theoretisch könnten Programme, die auf Supercomputern laufen, die Marsumgebung und viele der komplexen Physik, die mit der Verwendung von Retroantrieben verbunden sind, vollständig simulieren.
Das Projektteam hat sich auf FUN3D verlassen, eine langjährige Suite von Softwaretools, die modellieren, wie sich Flüssigkeiten – einschließlich Luft – bewegen. Ingenieure erstellten die erste Version des Codes Ende der 1980er Jahre und haben seitdem kontinuierlich erhebliche Verbesserungen vorgenommen. Agenturen und Unternehmen der Luft- und Raumfahrttechnik haben damit große Herausforderungen angegangen.
Die aktuellen Mars-Bemühungen begannen 2019 auf Summit, dem damals schnellsten Computer der OLCF. Die ersten Simulationen gingen von festen Bedingungen aus. Sie simulierten nur einen Punkt entlang der Flugbahn des Fahrzeugs. Diese frühen Versionen ermöglichten es Wissenschaftlern, die Auswirkungen von Fluggeschwindigkeiten, Triebwerkseinstellungen und mehr zu bewerten. Weitere Entwicklungen ermöglichten es den Ingenieuren, reale Gaseffekte zu untersuchen.
Sie könnten für die Flüssigsauerstoff-Methan-Raketentriebwerke und die kohlendioxidreiche Marsatmosphäre verantwortlich sein. Selbst diese frühen Simulationen führten typischerweise zu Datensätzen im Petabyte-Bereich. Um ein einziges Petabyte zu speichern, wären etwa 1.000 leistungsstarke Heimcomputer nötig. Aber selbst das waren keine vollständigen Simulationen – das war noch nicht möglich.
Der nächste Schritt bestand darin, eine ganz neue Software in die Simulation zu integrieren – das Program to Optimize Simulated Trajectories (POST2). Die NASA hat POST2 entwickelt, um die Flugmechanik für ein breites Anwendungsspektrum zu analysieren. Während die ersten Simulationen auf statischen Bedingungen beruhten, ermöglichte POST2 den Wissenschaftlern, das Fahrzeug in der Simulation dynamisch zu „fliegen“. Das Team engagierte Forscher des Aerospace Systems Design Laboratory der Georgia Tech.
Zuvor hatten sie einzigartige Strategien entwickelt, um POST2 mit hochpräzisen aerodynamischen Simulationen zu koppeln. Die Integration von POST2 erforderte außerdem eine Änderung des Projektablaufs durch die Ingenieure. Aus Sicherheitsgründen war die Nutzung der Software auf NASA-Rechnersysteme beschränkt. Daher musste das Team sicherstellen, dass die NASA-Systeme reibungslos mit Summit am OLCF kommunizieren konnten.
Die Lösung von Problemen mit Firewalls, Netzwerkunterbrechungen und anderen Programmen erforderte ein ganzes Jahr Planung für die Cybersicherheits- und Systemadministrationsteams an beiden Standorten!
Der jüngste Fortschritt bestand darin, die gesamte Simulation auf den neuesten und leistungsstärksten Computer bei OLCF zu verlagern – Frontier. Frontier ist der erste Exascale-Computer der Welt und deutlich leistungsfähiger als frühere Supercomputer. Mit einer Reihe koordinierter Durchläufe über einen Zeitraum von zwei Wochen führte das Team seine bisher aufwendigste Flugsimulation durch.
Es handelte sich um einen 35-sekündigen Abstieg im geschlossenen Regelkreis von 5 Meilen Höhe auf etwa 0,6 Meilen. Die Simulation verlangsamte das Fahrzeug von 1.200 Meilen pro Stunde auf etwa 450 Meilen pro Stunde. POST2 war in der Lage, das Fahrzeug mithilfe seiner acht Hauptmotoren und vier Reaktionskontrollsystemmodule autonom und stabil zu steuern.
Mit der immensen Leistung, die Frontier am OLCF bereitstellt, schreiten NASA-Ingenieure voran, um neue Grenzen in der Raumfahrt zu überwinden.