|
Тестирование технологий для полета на Марс
|
|
|
|
Возможно, вы летали на авиасимуляторе в компьютерной игре или в научном музее. Приземление без крушения - всегда самая сложная часть. Но это ничто по сравнению с задачей, стоящей перед инженерами при разработке симулятора полета очень больших транспортных средств, необходимых людям для исследования поверхности Марса. Красная планета ставит перед астронавтами бесчисленные задачи, не последняя из которых - добраться туда. Вот тут-то и пригодятся суперкомпьютеры для пользователей Научного центра Министерства энергетики США. Исследователи из Центра лидерских вычислений Министерства энергетики США в Ок-Ридже (OLCF) совместно с инженерами и учеными НАСА моделируют процесс замедления движения огромного космического корабля по мере его приближения к поверхности Марса. Посадка космических аппаратов на Марс не является чем-то новым для НАСА. Агентство осуществило свои первые полеты на планету в 1976 году в рамках проекта "Викинг". С тех пор НАСА успешно осуществило еще восемь посадок на Марс.
|
|
|
|
Отличие этой цели в том, что посадить огромный космический корабль, необходимый для исследования Марса человеком, гораздо сложнее, чем для роботизированных миссий. Роботизированные транспортные средства используют парашюты для снижения скорости в атмосфере Марса. Но космический корабль с людьми на борту будет примерно в 20-50 раз тяжелее. Аппарат такого размера просто не может использовать парашюты. Вместо этого НАСА придется полагаться на реактивную тягу. В этой технологии используются ракеты, которые выстреливаются вперед, чтобы замедлить аппарат по мере приближения к поверхности. Использование ретро-двигателя сопряжено с рядом сложностей. Выхлопные газы ракетного двигателя высокой энергии взаимодействуют как с транспортным средством, так и с атмосферой Марса. Эта динамика меняет то, как команда должна управлять транспортным средством. Кроме того, инженеры не могут полностью воспроизвести то, как проходил бы полет на Марс на Земле. Хотя они могут тестировать космические аппараты в аэродинамических трубах и использовать другие инструменты, эти инструменты не являются идеальной заменой или прямым аналогом для марсианских условий.
|
|
|
Чтобы заполнить пробелы, НАСА обратилось к суперкомпьютерам OLCF и их экспертам-компьютерщикам. Теоретически, программы, работающие на суперкомпьютерах, могут полностью имитировать марсианскую среду и многие сложные физические процессы, связанные с использованием ретропропульции. Команда проекта использовала FUN3D, давно известный набор программных средств, моделирующих движение жидкостей, в том числе воздуха. Инженеры создали первую версию программного кода в конце 1980-х годов и с тех пор постоянно вносили существенные улучшения. Агентства и компании, занимающиеся аэронавтикой и космическими технологиями, используют его для решения серьезных задач. Нынешние исследования на Марсе начались в 2019 году на Summit, самом быстром компьютере OLCF на тот момент. Первоначальные расчеты предполагали фиксированные условия. Они моделировали только одну точку на траектории космического аппарата. Эти ранние версии позволили ученым оценить влияние скорости полета, настроек двигателя и многого другого. Дальнейшие разработки позволили инженерам изучить реальное воздействие газов.
|
|
|
|
Они могли бы объяснить использование жидкокислородно-метановых ракетных двигателей и насыщенную углекислым газом атмосферу Марса. Даже эти ранние модели, как правило, приводили к получению наборов данных размером в петабайт. Для хранения одного петабайта потребовалось бы около 1000 мощных домашних компьютеров. Но даже это не было полноценным моделированием — пока это было невозможно. Следующим шагом стало внедрение в моделирование совершенно нового программного обеспечения — программы для оптимизации моделируемых траекторий (POST2). NASA разработало POST2 для анализа механики полета в широком спектре применений. В то время как первоначальное моделирование проводилось в статических условиях, POST2 позволил ученым динамически "управлять" транспортным средством в процессе моделирования. Команда привлекла исследователей из лаборатории проектирования аэрокосмических систем Технологического института Джорджии. Ранее они разработали уникальные стратегии для сопряжения POST2 с высокоточным аэродинамическим моделированием.
|
|
|
|
Внедрение POST2 также потребовало от инженеров изменения рабочего процесса проекта. Использование программного обеспечения было ограничено вычислительными системами НАСА по соображениям безопасности. Таким образом, команде необходимо было обеспечить бесперебойную связь систем NASA с Summit в OLCF. Решение проблем с брандмауэрами, перебоями в работе сети и другими программами потребовало от команд кибербезопасности и системного администрирования на обоих объектах целого года планирования! Последним достижением стало перенос всего процесса моделирования на новейший и самый мощный компьютер OLCF—Frontier. Frontier, первый в мире компьютер exascale, значительно мощнее предыдущих суперкомпьютеров. Проведя серию скоординированных полетов в течение двух недель, команда провела самую сложную на сегодняшний день симуляцию полета. Это был 35-секундный спуск по замкнутой траектории с высоты 5 миль примерно до 0,6 мили. В ходе моделирования скорость автомобиля снизилась со 1200 миль в час примерно до 450 миль в час. POST2 смог стабильно автономно управлять транспортным средством, используя восемь основных двигателей и четыре модуля системы управления реакцией. Благодаря огромной мощности, предоставляемой Frontier в OLCF, инженеры НАСА продвигаются вперед, чтобы покорить новые рубежи в космических путешествиях.
|
|
|
|
Источник
|
