Uma missão dos EUA para pousar astronautas na superfície de Marte será diferente de qualquer outro pouso extraterrestre já realizado pela NASA.



Embora a agência espacial tenha conseguido realizar nove missões robóticas em Marte desde as suas primeiras missões à superfície em 1976 com o Projecto Viking, trazer humanos com segurança para Marte exigirá novas tecnologias para voar através da atmosfera marciana. Mas estas tecnologias e sistemas não podem ser testados de forma abrangente na Terra de antemão.

Desde 2019, uma equipe de cientistas da NASA e seus parceiros têm usado o software FUN3D da NASA em supercomputadores localizados no Oak Ridge Leadership Computing Facility, ou OLCF, do Departamento de Energia, para conduzir simulações de dinâmica de fluidos computacional, ou CFD, de Marte em escala humana. pousador. O OLCF é uma instalação de usuário do DOE Office of Science localizada no Laboratório Nacional Oak Ridge do DOE.

O projeto de pesquisa em andamento da equipe é o primeiro passo para determinar como pousar com segurança um veículo com humanos a bordo na superfície de Marte.

"Pela sua própria natureza, não temos dados de validação para isso. Podemos fazer testes valiosos, mas limitados, em instalações terrestres, como um túnel de vento ou em um campo balístico, mas tais abordagens não podem capturar totalmente a física que será encontrada em Marte. Não podemos fazer testes de voo no ambiente marciano real – é tudo ou nada quando chegarmos lá. É por isso que a supercomputação é tão importante”, disse Eric Nielsen, cientista sênior do Centro de Pesquisa Langley da NASA e investigador principal do. esforço de cinco anos no OLCF.

Ao contrário das recentes missões a Marte, os pára-quedas não fazem parte da operação. Em vez disso, o principal candidato para pousar humanos em Marte é a retropropulsão – disparando foguetes voltados para a frente embutidos no escudo térmico da nave para desacelerar.

"Nunca voamos nada assim antes. A questão fundamental desde o início foi:'Seremos capazes de controlar este veículo com segurança?'", Disse Nielsen.

A razão pela qual a NASA está investigando a retropropulsão em vez dos pára-quedas convencionais é uma questão de física. As sondas anteriores em Marte pesavam cerca de 1 tonelada; um veículo que transporta astronautas e todos os seus sistemas de suporte à vida pesará de 20 a 50 vezes mais, ou aproximadamente o tamanho de uma casa de dois andares. A fina atmosfera de Marte – cerca de 100 vezes menos densa que a da Terra – não suportará um pouso de pára-quedas para uma nave tão grande.

“Com um veículo convencional, voamos através de um ambiente muito limpo e previsível. Tudo isso desaparece com este conceito, onde viajaremos através de um ambiente extremamente dinâmico que consiste em gases de escape de foguetes de alta energia”, disse membro da equipe da NASA. e o especialista em CFD Gabriel Nastac.

Com a orientação dos planejadores de missão da NASA, a equipe formulou um plano plurianual que consiste em simulações cada vez mais sofisticadas voltadas para a questão-chave da controlabilidade.

Em 2019, a equipe conduziu simulações CFD no supercomputador Summit com resoluções de até 10 bilhões de elementos para caracterizar a aerodinâmica estática do veículo em configurações de aceleração previstas e velocidades de vôo variando de Mach 2,5 a Mach 0,8, condições nas quais os motores de foguete do veículo serão necessários. para desaceleração inicial.

Ao longo de 2020, um intenso esforço de desenvolvimento de código se concentrou em portar os recursos gerais de gás de reação do FUN3D para os aceleradores da unidade de processamento gráfico, ou GPU, da Summit.

"Realizar o desempenho eficiente de um solucionador de CFD de grade não estruturada diante de kernels complexos carregados de física é um enorme desafio em um ambiente de computação baseado em GPU. Mas, no final das contas, conseguimos reestruturar segmentos críticos de código para fornecer o desempenho que buscávamos ”, disse o cientista da computação da NASA Aaron Walden, que lidera o desenvolvimento de software multiarquitetura da equipe.

O trabalho preparou o terreno para uma importante campanha de 2021 que permitiu à equipa abordar as complexas interações dos motores do foguete de oxigénio líquido/metano com a atmosfera marciana, que consiste principalmente em dióxido de carbono e azoto. Um petabyte (equivalente a 1.000 terabytes) de dados de saída para cada simulação conduzida usando 15.000–20.000 GPUs no Summit rendeu insights importantes sobre diferenças críticas na aerodinâmica do veículo em comparação com aquelas observadas usando a suposição de gás perfeito da simulação anterior.

Para a campanha de 2022, a equipe deu um grande passo ao incorporar o software de mecânica de voo de última geração da NASA conhecido como Programa para Otimizar Trajetórias Simuladas II, ou POST2, no fluxo de trabalho. Indo além das simulações que assumem uma condição de voo estático, a equipe procurou agora “voar” o veículo no ambiente virtual de supercomputação. Este teste representaria uma primeira tentativa de quantificar e abordar dinâmicas instáveis ​​críticas que seriam encontradas durante uma descida real à superfície marciana.

A equipe recrutou especialistas importantes do Laboratório de Design de Sistemas Aeroespaciais da Georgia Tech; este grupo foi liderado por Brad Robertson. Esses especialistas já haviam passado vários anos desenvolvendo um algoritmo de acoplamento para substituir os modelos aerodinâmicos de baixa ordem no POST2 por simulações FUN3D baseadas em física em tempo real para, em última análise, realizar simulações de trajetória de alta fidelidade que aproveitam sofisticados algoritmos de controle de voo.

"Acoplar FUN3D e POST2 foi um grande desafio. Tivemos que conciliar cinco ou seis quadros de referência e as transformações de dados entre eles. Mas a recompensa foi ser capaz de adotar todo o trabalho árduo feito por outros engenheiros da NASA em orientação detalhada, navegação, controle e modelos de propulsão e trazê-los todos para uma simulação multifísica única e unificada", disse o membro da equipe Zach Ernst, um estudante de doutorado da Georgia Tech na época, que trabalhou com o estagiário da NASA Hayden Dean no esforço.

A incorporação do POST2 trouxe um desafio adicional. Como o POST2 está sujeito a regulamentações de controle de exportação mais restritivas do que o FUN3D, o membro da equipe Kevin Jacobson foi encarregado de desenvolver um paradigma de acoplamento remoto no qual o POST2 seria executado em uma instalação da NASA enquanto se comunicava em tempo real com o FUN3D rodando em escala de liderança no OLCF. .

Estabelecer e manter essa conexão considerando firewalls, interrupções de rede e agendadores de tarefas apresentou inúmeros desafios. Este trabalho exigiu cerca de um ano de planejamento e coordenação com o pessoal de segurança cibernética e administradores de sistemas em ambas as instalações.

O esforço adicional foi recompensado quando a equipe alcançou seu objetivo de longo prazo de voar uma parte substancial da fase de descida no ambiente virtual.

A chegada do supercomputador Frontier da OLCF não poderia ter ocorrido em melhor hora para o projeto. Com o poder de computação em exaescala (um quintilhão ou mais de cálculos por segundo) agora uma realidade, a equipe poderia se dar ao luxo de reintroduzir a modelagem física desejada e outras lições aprendidas ao longo da vida do projeto.

Em 2023, a equipe se concentrou na simulação definitiva que esperavam anos antes:um voo de teste em circuito fechado verdadeiramente autônomo, aproveitando o sistema de supercomputação mais poderoso do mundo.

Enquanto os oito motores principais são usados ​​para controlar a inclinação (rotação para cima e para baixo) e a guinada (rotação lateral) enquanto o sistema de orientação aponta para a zona de pouso designada, o POST2 também emite comandos para instruir o FUN3D a disparar periodicamente quatro sistema de controle de reação, ou RCS, módulos dispostos circunferencialmente ao redor da parte traseira do módulo de pouso para realizar correções de rotação em vôo.

“Essas capacidades serão críticas para avaliar a controlabilidade de veículos futuros”, disse Alex Hickey, da Georgia Tech, que liderou o desenvolvimento da modelagem RCS.

O objetivo de longo prazo da equipa tornou-se realidade no final de 2023, quando o pessoal do OLCF ajudou a coordenar uma sequência cuidadosa de trabalhos de alta prioridade durante um período de duas semanas em grande escala na Frontier.

“Pela primeira vez, conseguimos regressar à questão original de controlar com segurança este tipo de veículo em voo autónomo”, disse Nielsen. "Em uma simulação CFD aeroespacial típica, pode-se calcular um ou dois segundos de tempo físico. Aqui, o Frontier nos permitiu voar com sucesso 35 segundos de vôo controlado, descendo de 8 quilômetros (cerca de 5 milhas) de altitude para cerca de 1 quilômetro (0,6 milhas) ) conforme o veículo se aproximava da fase de pouso.

"A resolução, a modelagem física e a duração temporal estão além de qualquer coisa que poderíamos tentar em um sistema de computação convencional de alto desempenho", acrescentou Nielsen. "A velocidade absoluta das GPUs implementadas em escala de liderança é realmente capacitadora, e estamos profundamente gratos pelos muitos oportunidades e conhecimentos de classe mundial que o OLCF forneceu."

Mais informações: Jan-Renee Carlson et al, High-Fidelity Simulations of Human-Scale Mars Lander Descent Trajectories, AIAA AVIATION 2023 Forum (2023). DOI:10.2514/6.2023-3693
Ashley M. Korzun et al, Application of a Detached Eddy Simulation Approach with Finite-Rate Chemistry to Mars-Relevant Retropropulsion Operating Environments, AIAA SCITECH 2022 Forum (2022). DOI:10.2514/6.2022-2298

Gabriel Nastac et al, Investigação Computacional do Efeito da Química em Ambientes de Retropropulsão Supersônica de Marte, Fórum AIAA SCITECH 2022 (2022). DOI:10.2514/6.2022-2299

Fornecido pelo Laboratório Nacional de Oak Ridge