|
Миссия по высадке астронавтов на поверхность Марса
|
|
|
|
Миссия США по высадке астронавтов на поверхность Марса будет непохожа ни на одну другую внеземную высадку, когда-либо предпринятую НАСА. Хотя космическое агентство успешно отправило на Марс девять роботизированных миссий с момента своих первых наземных миссий в 1976 году в рамках проекта "Викинг", для безопасной доставки людей на Марс потребуются новые технологии для полета через марсианскую атмосферу. Но эти технологии и системы невозможно всесторонне протестировать на Земле заранее. С 2019 года команда ученых НАСА и их партнеры используют программное обеспечение NASA FUN3D на суперкомпьютерах, расположенных в вычислительном центре Oak Ridge Leadership Computing Facility Министерства энергетики, или OLCF, для проведения вычислительной гидродинамики, или CFD, моделирования марсианского посадочного модуля в масштабе человека. OLCF - это центр научных исследований Министерства энергетики США, расположенный в Национальной лаборатории Министерства энергетики в Ок-Ридже.
|
|
|
|
Текущий исследовательский проект команды является первым шагом в определении того, как безопасно посадить транспортное средство с людьми на борту на поверхность Марса. "По самой своей природе у нас нет подтверждающих данных для этого. Мы можем провести ценные, но ограниченные испытания в наземных условиях, таких как аэродинамическая труба или баллистический полигон, но такие подходы не могут полностью охватить физику, с которой придется столкнуться на Марсе. Мы не можем проводить летные испытания в реальных марсианских условиях - когда мы доберемся туда, будет либо все, либо ничего. Вот почему суперкомпьютеры так критически важны", - сказал Эрик Нильсен, старший научный сотрудник исследовательского центра НАСА в Лэнгли и главный исследователь пятилетней работы OLCF.
|
|
|
В отличие от недавних миссий на Марс, парашюты не являются частью операции. Вместо этого основным кандидатом для высадки людей на Марс является ретропропульсация — запуск ракет, направленных вперед, встроенных в теплозащитный экран корабля для замедления. "Мы никогда раньше не летали ни на чем подобном. Фундаментальный вопрос с самого начала звучал так: "Сможем ли мы безопасно управлять этим транспортным средством?" - сказал Нильсен. Причина, по которой НАСА исследует ретропропульсацию, а не обычные парашюты, заключается в физике. Предыдущие марсоходы весили около 1 тонны; транспортное средство, перевозящее астронавтов и все их системы жизнеобеспечения, будет весить в 20-50 раз больше, или примерно размером с двухэтажный дом. Тонкая атмосфера Марса — примерно в 100 раз менее плотная, чем земная, — не выдержит приземления с парашютом для такого большого корабля.
|
|
|
|
"На обычном транспортном средстве мы летим в очень чистой и предсказуемой среде. Все это выходит за рамки этой концепции, где мы будем путешествовать в чрезвычайно динамичной среде, состоящей из высокоэнергетических ракетных выхлопов", - сказал член команды НАСА и эксперт CFD Габриэль Настак. Под руководством специалистов по планированию миссий НАСА команда разработала многолетний план, состоящий из все более сложных симуляций, направленных на решение ключевого вопроса управляемости. В 2019 году команда провела CFD-моделирование на суперкомпьютере Summit с разрешением до 10 миллиардов элементов, чтобы охарактеризовать статическую аэродинамику транспортного средства при предполагаемых настройках дроссельной заслонки и скоростях полета в диапазоне от 2,5 до 0,8 Маха, условиях, при которых ракетные двигатели транспортного средства потребуются для первоначального торможения. В течение 2020 года интенсивные усилия по разработке кода были сосредоточены на переносе общих возможностей FUN3D в области реагирующего газа на ускорители графического процессора Summit, или GPU.
|
|
|
|
"Реализация эффективной производительности CFD-решателя с неструктурированной сеткой перед лицом сложных физических ядер является огромной проблемой в вычислительной среде на базе GPU. Но в конечном счете мы смогли реструктурировать критические сегменты кода, чтобы обеспечить производительность, к которой мы стремились", - сказал ученый-компьютерщик НАСА Аарон Уолден, возглавляющий разработку программного обеспечения с несколькими архитектурами. Эта работа подготовила почву для важной кампании 2021 года, которая позволила команде рассмотреть сложные взаимодействия ракетных двигателей на жидком кислороде/метане с марсианской атмосферой, состоящей в основном из углекислого газа и азота. Петабайт (эквивалент 1000 терабайт) выходных данных для каждого моделирования, проведенного с использованием 15 000-20 000 графических процессоров на Summit, позволил получить ключевую информацию о критических различиях в аэродинамике автомобиля по сравнению с теми, которые наблюдались при использовании допущения идеального газа в предыдущем моделировании.
|
|
|
|
Для кампании 2022 года команда сделала важный шаг вперед, внедрив в рабочий процесс современное программное обеспечение NASA для механики полета, известное как Программа оптимизации моделируемых траекторий II, или POST2. Выйдя за рамки симуляций, предполагающих статические условия полета, команда теперь стремилась "управлять" транспортным средством в виртуальной суперкомпьютерной среде. Этот тест будет представлять собой первую попытку количественной оценки и устранения критической нестационарной динамики, с которой можно столкнуться во время реального спуска на поверхность Марса. В команду были привлечены ключевые эксперты из лаборатории проектирования аэрокосмических систем Georgia Tech; эту группу возглавлял Брэд Робертсон. Эти эксперты уже потратили несколько лет на разработку алгоритма сопряжения, позволяющего заменить аэродинамические модели низкого порядка в POST2 моделями FUN3D, основанными на физике, в реальном времени, чтобы в конечном итоге реализовать высокоточное моделирование траектории, использующее сложные алгоритмы управления полетом.
|
|
|
|
"Объединение FUN3D и POST2 было довольно сложной задачей. Нам пришлось манипулировать пятью или шестью системами отсчета и преобразованиями данных между ними. Но наградой стала возможность перенять всю тяжелую работу, проделанную другими инженерами НАСА над подробными моделями наведения, навигации, контроля и двигательной установки, и объединить их все в единое, унифицированное мультифизическое моделирование", - сказал член команды Зак Эрнст, в то время докторант технологического института Джорджии, который работал с Выпускник-стажер НАСА Хейден Дин об этой работе. Включение POST2 создало дополнительную проблему. Поскольку POST2 подпадает под более строгие правила экспортного контроля, чем FUN3D, члену команды Кевину Джейкобсону было поручено разработать парадигму удаленного взаимодействия, в которой POST2 выполнялся бы на объекте НАСА, взаимодействуя в режиме реального времени с FUN3D, работающим в масштабе руководства в OLCF.
|
|
|
|
Установление и поддержание этого соединения с учетом брандмауэров, сбоев в работе сети и планировщиков заданий представляло многочисленные проблемы. Эта работа потребовала около года планирования и координации с персоналом по кибербезопасности и системными администраторами на обоих объектах. Дополнительные усилия окупились, когда команда достигла своей долгосрочной цели - пролететь значительную часть этапа снижения в виртуальной среде. Появление суперкомпьютера Frontier от OLCF не могло бы совпасть с лучшим временем для реализации проекта. Теперь, когда сверхмасштабная вычислительная мощность (квинтиллион или более вычислений в секунду) стала реальностью, команда могла позволить себе повторно внедрить желаемое физическое моделирование и другие уроки, извлеченные за время существования проекта. В 2023 году команда сосредоточилась на окончательном моделировании, на которое они надеялись годами ранее: по-настоящему автономном испытательном полете с замкнутым циклом, использующем самую мощную в мире суперкомпьютерную систему.
|
|
|
|
В то время как восемь основных двигателей используются для управления тангажем (вращение вверх-вниз) и рысканием (вращение из стороны в сторону), когда система наведения нацеливается на заданную зону посадки, POST2 также выдает команды, чтобы дать указание FUN3D периодически запускать четыре модуля системы управления реакцией, или RCS, расположенные по окружности вокруг задней части спускаемого аппарата для выполнения коррекции крена в полете. "Эти возможности будут иметь решающее значение для оценки управляемости будущих транспортных средств", - сказал Алекс Хикки из Georgia Tech, который руководил разработкой RCS-моделирования. Долгосрочная цель команды стала реальностью в конце 2023 года, поскольку сотрудники OLCF помогли в координации тщательной последовательности высокоприоритетных работ в течение двухнедельного периода в масштабе Frontier. "Впервые мы смогли вернуться к первоначальному вопросу о безопасном управлении транспортным средством такого типа в автономном полете", - сказал Нильсен.
|
|
|
|
"В типичном аэрокосмическом CFD-моделировании можно рассчитать секунду или две физического времени. Здесь Frontier позволил нам успешно выполнить 35 секунд управляемого полета, снизившись с высоты 8 километров (около 5 миль) примерно до 1 километра (0,6 мили), когда аппарат приблизился к фазе посадки. "Разрешение, физическое моделирование и временная длительность превосходят все, что мы могли бы попробовать в обычной высокопроизводительной вычислительной системе", - добавил Нильсен. "Сама скорость графических процессоров, реализованных в масштабе лидера, действительно позволяет, и мы глубоко благодарны за множество возможностей и опыт мирового класса, которыми обладает OLCF предусмотрено."
|
|
|
|
Источник
|
