Le type de véhicule qui transportera les gens sur la planète rouge s'annonce comme « une maison à deux étages que vous essayez d'atterrir sur une autre planète. Le bouclier thermique à l'avant du véhicule mesure un peu plus de 16 mètres de diamètre. , et le véhicule lui-même, lors de l'atterrissage, pèse des dizaines de tonnes. C'est énorme, " a déclaré Ashley Korzun, un ingénieur de recherche en aérospatiale au Langley Research Center de la NASA.

Un véhicule pour l'exploration humaine pèsera considérablement plus que le familier, des rovers de la taille d'une voiture comme Curiosity, qui ont été déployés à la surface de la planète par parachute.

"Vous ne pouvez pas utiliser de parachutes pour faire atterrir de très grosses charges utiles à la surface de Mars, " dit Korzun. " La physique s'effondre. Il faut faire autre chose."

La NASA s'attend à ce que les humains voyagent vers Mars d'ici le milieu à la fin des années 2030, les ingénieurs sont donc à la planche à dessin depuis un certain temps. Maintenant, ils ont une solution prometteuse en rétropropulsion, ou décélération moteur.

"Au lieu de te pousser en avant, les moteurs à rétropropulsion vous ralentissent, comme les freins, " dit Korzoun.

Dirigé par Eric Nielsen, chercheur principal à la NASA Langley, une équipe de scientifiques et d'ingénieurs dont Korzun utilise Summit, le supercalculateur le plus rapide du monde au laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du département américain de l'Énergie (DOE), pour simuler la rétropropulsion pour l'atterrissage d'humains sur Mars.

« Nous sommes en mesure de démontrer des performances assez révolutionnaires sur Summit par rapport à ce à quoi nous étions habitués avec une approche informatique conventionnelle, " a déclaré Nielsen.

L'équipe utilise son code de dynamique des fluides computationnelle (CFD) appelé FUN3D pour modéliser la descente martienne du véhicule. Les applications CFD utilisent de grands systèmes d'équations pour simuler les interactions à petite échelle des fluides (y compris les gaz) pendant l'écoulement et la turbulence - dans ce cas, pour capturer les effets aérodynamiques créés par le véhicule d'atterrissage et l'atmosphère.

"FUN3D et la capacité informatique elle-même ont complètement changé la donne, nous permettant d'avancer dans le développement technologique de la rétropropulsion, qui a des applications sur Terre, la lune et Mars, " dit Korzoun.

Coller l'atterrissage

La NASA a déjà déployé avec succès huit atterrisseurs sur Mars, dont des laboratoires scientifiques mobiles équipés de caméras, capteurs, et les appareils de communication – et les chercheurs connaissent bien les défis d'un autre monde de la planète.

L'atmosphère martienne est environ 100 fois plus mince (moins dense) que celle de la Terre, ce qui entraîne une descente rapide de l'orbite - environ six à sept minutes plutôt que le temps de rentrée de 35 à 40 minutes pour la Terre.

"Nous ne pouvons pas égaler toute la physique pertinente dans les essais au sol ou en vol sur Terre, nous sommes donc très dépendants de la capacité de calcul, " a déclaré Korzun. " C'est vraiment la première opportunité - à ce niveau de fidélité et de résolution - que nous ayons pu voir ce qui arrive au véhicule lorsqu'il ralentit avec ses moteurs allumés. "

Lors de la rétropropulsion, le véhicule est sensible à de fortes variations d'efforts aérodynamiques, ce qui peut avoir un impact sur les performances du moteur et la capacité de l'équipage à contrôler et à faire atterrir le véhicule à un endroit ciblé.

L'équipe a besoin d'un supercalculateur puissant comme le Summit de 200 pétaflops pour simuler l'ensemble du véhicule alors qu'il navigue dans une gamme de conditions atmosphériques et de moteur.

Prédire ce qui se passera dans l'atmosphère martienne et comment les moteurs doivent être conçus et contrôlés pour le succès et la sécurité de l'équipage, les chercheurs doivent étudier les écoulements instables et turbulents sur des échelles de longueur et de temps, des centimètres aux kilomètres et des fractions de seconde aux minutes. Pour reproduire avec précision ces conditions lointaines, l'équipe doit modéliser les grandes dimensions de l'atterrisseur et de ses moteurs, les conditions atmosphériques locales, et les conditions des moteurs le long de la trajectoire de descente.

Au sommet, l'équipe modélise l'atterrisseur à plusieurs points de sa descente de six à sept minutes. Pour caractériser les comportements d'écoulement à des vitesses allant du supersonique au subsonique, les chercheurs exécutent des ensembles (suites de simulations individuelles) pour résoudre la dynamique des fluides à une résolution allant jusqu'à 10 milliards d'éléments avec jusqu'à 200 téraoctets d'informations stockées par exécution.

"L'un des principaux avantages de Summit pour nous est la vitesse de la machine, " a déclaré Nielsen.

Vitesse céleste

L'équipe de Nielsen a passé plusieurs années à optimiser FUN3D - un code qui a avancé la modélisation aérodynamique depuis plusieurs décennies - pour la nouvelle technologie GPU utilisant CUDA, une plate-forme de programmation qui sert d'intermédiaire entre les GPU et les langages de programmation traditionnels comme le C++. En tirant parti de la vitesse des GPU Summit, L'équipe de Nielsen signale une augmentation de 35 fois des performances par nœud de calcul.

« Nous attendrions généralement cinq à six mois pour obtenir une réponse équivalente en utilisant la technologie CPU dans un environnement de capacité, ce qui signifie beaucoup de petites pistes. Au sommet, nous obtenons ces réponses dans environ quatre à cinq jours, " dit-il. " De plus, Summit nous permet d'effectuer cinq ou six simulations de ce type simultanément, réduisant finalement le temps d'exécution de deux ou trois ans à une semaine de travail."

L'équipe de recherche comprend des spécialistes de la visualisation du centre de recherche Ames de la NASA, qui prennent les données quantitatives et les transforment en un plan d'action de ce qui se passe.

"La visualisation est un gros point à retenir de la capacité Summit, ce qui nous a permis de capturer des structures à très petits débits ainsi que de très grandes structures à débits, " dit Korzun. " Je peux voir ce qui se passe juste à la sortie de la tuyère du moteur-fusée, ainsi que des dizaines de mètres plus loin dans la direction dans laquelle se déplace le véhicule."

Alors que les membres de l'équipe continuent de collecter de nouvelles données Summit, ils réfléchissent aux prochaines étapes de la conception d'un véhicule d'exploration humaine pour Mars.

"Même si nous retournons sur la Lune, L'objectif à long terme de la NASA est l'exploration humaine de la surface de Mars. Ces résultats informent les tests, comme les essais en soufflerie, que nous ferons dans les prochaines années, " dit Korzun. "Donc, ces données seront utiles pendant très longtemps."