Você pode ter pilotado um simulador de vôo em um jogo de computador ou em um museu de ciências. Aterrissar sem bater é sempre a parte mais difícil. Mas isso não é nada comparado com o desafio que os engenheiros enfrentam para desenvolver uma simulação de voo dos grandes veículos necessários para os humanos explorarem a superfície de Marte. O Planeta Vermelho apresenta inúmeros desafios aos astronautas, e um deles é chegar lá.



É aí que entram os supercomputadores das instalações do usuário do Departamento de Energia do Escritório de Ciência. Pesquisadores do Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) do DOE estão trabalhando com engenheiros e cientistas da NASA para simular o processo de desaceleração de uma enorme espaçonave à medida que ela se move em direção à superfície de Marte. .

O pouso de espaçonaves em Marte não é novidade para a NASA. A agência realizou suas primeiras missões ao planeta em 1976 com o projeto Viking. Desde então, a NASA realizou com sucesso oito pousos adicionais em Marte.

O que torna este objectivo diferente é o facto de ser muito mais difícil aterrar as enormes naves espaciais necessárias para a exploração humana do que para missões robóticas. Os veículos robóticos usam pára-quedas para desacelerar na atmosfera de Marte. Mas uma espaçonave transportando humanos será cerca de 20 a 50 vezes mais pesada.

Um veículo deste tamanho simplesmente não pode usar pára-quedas. Em vez disso, a NASA precisará contar com a retropropulsão. Essa tecnologia usa foguetes que disparam para frente para desacelerar o veículo conforme ele se aproxima da superfície.

Vários desafios surgem com o uso da retropropulsão. O escapamento do motor do foguete de alta energia interage tanto com o veículo quanto com a atmosfera marciana. Essas dinâmicas mudam a forma como a equipe precisa guiar e controlar o veículo. Além disso, os engenheiros não conseguem replicar totalmente como seria um voo em Marte na Terra. Embora possam testar naves espaciais em túneis de vento e usar outras ferramentas, essas ferramentas não são um substituto perfeito ou um análogo direto do ambiente marciano.

Para preencher as lacunas, a NASA recorreu aos supercomputadores OLCF e aos seus cientistas informáticos especializados. Em teoria, os programas executados em supercomputadores poderiam simular totalmente o ambiente marciano e muitas das complexas físicas associadas ao uso da retropropulsão.

A equipe do projeto confiou no FUN3D, um conjunto de ferramentas de software de longa data que modela como os fluidos – incluindo o ar – se movem. Os engenheiros criaram a primeira versão do código no final da década de 1980 e têm feito grandes melhorias continuamente desde então. Agências e empresas de aeronáutica e tecnologia espacial têm-no utilizado para enfrentar grandes desafios.

O esforço atual em Marte começou em 2019 no Summit, o computador mais rápido do OLCF na época. As simulações iniciais assumiram condições fixas. Eles simularam apenas um ponto ao longo da trajetória do veículo. Essas primeiras versões permitiram aos cientistas avaliar os impactos das velocidades de vôo, configurações do motor e muito mais. Desenvolvimentos adicionais permitiram aos engenheiros explorar os efeitos reais dos gases.

Eles poderiam explicar os motores do foguete de oxigênio-metano líquido e a atmosfera marciana rica em dióxido de carbono. Mesmo essas simulações iniciais normalmente resultavam em conjuntos de dados do tamanho de petabytes. Seriam necessários cerca de 1.000 computadores domésticos poderosos para armazenar um único petabyte. Mas mesmo estas não eram simulações completas – isso ainda não era possível.

O próximo passo foi incorporar um software totalmente novo à simulação – o Programa para Otimizar Trajetórias Simuladas (POST2). A NASA desenvolveu o POST2 para analisar a mecânica de vôo para uma ampla gama de aplicações. Embora as simulações iniciais dependessem de condições estáticas, o POST2 permitiu aos cientistas “voar” dinamicamente o veículo na simulação. A equipe contratou pesquisadores do Laboratório de Design de Sistemas Aeroespaciais da Georgia Tech.

Eles já haviam desenvolvido estratégias exclusivas para acoplar o POST2 a simulações aerodinâmicas de alta fidelidade. A incorporação do POST2 também exigiu que os engenheiros alterassem o fluxo de trabalho do projeto. O uso do software foi restrito aos sistemas de computação da NASA por razões de segurança. Como tal, a equipe precisava garantir que os sistemas da NASA pudessem se comunicar sem problemas com o Summit no OLCF.

A resolução de problemas com firewalls, interrupções de rede e outros programas exigiu um ano inteiro de planejamento para as equipes de segurança cibernética e administração de sistemas em ambas as instalações!

O avanço mais recente envolveu mover toda a simulação para o computador mais novo e poderoso da OLCF – Frontier. O primeiro computador em exaescala do mundo, o Frontier é extremamente mais poderoso que os supercomputadores anteriores. Com uma série de execuções coordenadas durante um período de duas semanas, a equipe executou a simulação de voo mais elaborada até o momento.

Foi uma descida em circuito fechado de 35 segundos de 5 milhas de altitude para aproximadamente 0,6 milhas. A simulação reduziu a velocidade do veículo de 1.900 quilômetros por hora para aproximadamente 450 quilômetros por hora. O POST2 foi capaz de controlar o veículo de forma autônoma e estável usando seus oito motores principais e quatro módulos do sistema de controle de reação.

Com o imenso poder fornecido pela Frontier na OLCF, os engenheiros da NASA estão avançando para enfrentar novas fronteiras nas viagens espaciais.

Fornecido pelo Departamento de Energia dos EUA