O tipo de veículo que levará as pessoas ao Planeta Vermelho está se moldando para ser "como uma casa de dois andares que você está tentando pousar em outro planeta. O escudo térmico na frente do veículo tem pouco mais de 16 metros de diâmetro , e o próprio veículo, durante o pouso, pesa dezenas de toneladas. É enorme, "disse Ashley Korzun, um engenheiro de pesquisa aeroespacial no Langley Research Center da NASA.

Um veículo para exploração humana pesará consideravelmente mais do que o familiar, veículos espaciais do tamanho de um carro, como o Curiosity, que foram implantados na superfície planetária por paraquedas.

"Você não pode usar pára-quedas para pousar cargas úteis muito grandes na superfície de Marte, "Korzun disse." A física simplesmente falha. Você tem que fazer outra coisa. "

A NASA espera que os humanos viajem a Marte em meados da década de 2030, portanto, os engenheiros estão na mesa de redação há algum tempo. Agora, eles têm uma solução promissora em retropropulsão, ou desaceleração motorizada.

"Em vez de empurrá-lo para a frente, motores de retropropulsão diminuem sua velocidade, como freios, "Korzun disse.

Liderado por Eric Nielsen, um cientista pesquisador sênior da NASA Langley, uma equipe de cientistas e engenheiros, incluindo Korzun, está usando o Summit, o supercomputador mais rápido do mundo no Laboratório Nacional Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE), para simular a retropropulsão para pousar humanos em Marte.

"Somos capazes de demonstrar um desempenho bastante revolucionário na Summit em relação ao que estávamos acostumados com uma abordagem de computação convencional, "Nielsen disse.

A equipe usa seu código de dinâmica de fluidos computacional (CFD) chamado FUN3D para modelar a descida marciana do veículo. Os aplicativos CFD usam grandes sistemas de equações para simular as interações em pequena escala de fluidos (incluindo gases) durante o fluxo e turbulência - neste caso, para capturar os efeitos aerodinâmicos criados pelo veículo de pouso e pela atmosfera.

"FUN3D e a própria capacidade de computação mudaram completamente o jogo, permitindo-nos avançar com o desenvolvimento de tecnologia para retropropulsão, que tem aplicações na Terra, a lua e Marte, "Korzun disse.

Furar o pouso

A NASA já implantou com sucesso oito landers em Marte, incluindo laboratórios de ciências móveis equipados com câmeras, sensores, e dispositivos de comunicação - e os pesquisadores estão familiarizados com os desafios de outro mundo do planeta.

A atmosfera marciana é cerca de 100 vezes mais fina (menos densa) do que a da Terra, o que resulta em uma descida rápida da órbita - cerca de seis a sete minutos, em vez do tempo de reentrada de 35 a 40 minutos para a Terra.

"Não podemos comparar todas as físicas relevantes em testes de solo ou de vôo na Terra, então dependemos muito da capacidade computacional, "Korzun disse." Esta é realmente a primeira oportunidade - neste nível de fidelidade e resolução - que fomos capazes de ver o que acontece com o veículo quando ele desacelera com seus motores ligados. "

Durante a retropropulsão, o veículo é sensível a grandes variações nas forças aerodinâmicas, o que pode afetar o desempenho do motor e a capacidade da tripulação de controlar e pousar o veículo em um local-alvo.

A equipe precisa de um supercomputador poderoso como o Summit de 200 petaflop para simular o veículo inteiro enquanto ele navega por uma variedade de condições atmosféricas e do motor.

Para prever o que acontecerá na atmosfera marciana e como os motores devem ser projetados e controlados para o sucesso e a segurança da tripulação, os pesquisadores precisam investigar fluxos instáveis ​​e turbulentos em escalas de comprimento e tempo - de centímetros a quilômetros e de frações de segundo a minutos. Para reproduzir com precisão essas condições longínquas, a equipe deve modelar as grandes dimensões do módulo de pouso e seus motores, as condições atmosféricas locais, e as condições dos motores ao longo da trajetória de descida.

Na Cimeira, a equipe está modelando o módulo de pouso em vários pontos em sua descida de seis a sete minutos. Para caracterizar os comportamentos de fluxo em velocidades que variam de supersônico a subsônico, os pesquisadores executam conjuntos (suítes de simulações individuais) para resolver a dinâmica dos fluidos com uma resolução de até 10 bilhões de elementos com até 200 terabytes de informações armazenadas por corrida.

"Um dos principais benefícios da Summit para nós é a velocidade da máquina, "Nielsen disse.

Velocidade celestial

A equipe de Nielsen passou vários anos otimizando FUN3D - um código que tem modelagem aerodinâmica avançada por várias décadas - para uma nova tecnologia de GPU usando CUDA, uma plataforma de programação que atua como intermediária entre GPUs e linguagens de programação tradicionais como C ++. Aproveitando a velocidade das GPUs da Summit, A equipe da Nielsen relata um aumento de 35 vezes no desempenho por nó de computação.

"Normalmente, esperaríamos de cinco a seis meses para obter uma resposta equivalente usando a tecnologia de CPU em um ambiente de capacidade, o que significa muitas execuções menores. Na Cimeira, receberemos essas respostas em cerca de quatro a cinco dias, "disse ele." Além disso, A Summit nos permite realizar cinco ou seis dessas simulações simultaneamente, em última análise, reduzindo o tempo de resposta de dois ou três anos para uma semana de trabalho. "

A equipe de pesquisa inclui especialistas em visualização no Ames Research Center da NASA, que pegam os dados quantitativos e os transformam em uma cena de ação do que está acontecendo.

"A visualização é uma grande lição da capacidade do Summit, o que nos permitiu capturar estruturas de fluxo muito pequenas, bem como estruturas de fluxo realmente grandes, "Korzun disse." Eu posso ver o que está acontecendo bem na saída do bocal do motor do foguete, bem como dezenas de metros à frente na direção em que o veículo está viajando. "

À medida que os membros da equipe continuam a coletar novos dados do Summit, eles estão pensando sobre os próximos passos para projetar um veículo de exploração humana para Marte.

"Mesmo que estejamos voltando para a Lua, O objetivo de longo prazo da NASA é a exploração humana da superfície de Marte. Esses resultados são informativos para o teste, como teste de túnel de vento, que faremos nos próximos anos, "Korzun disse." Portanto, esses dados serão úteis por um longo tempo. "