Les futurs engins spatiaux à destination de la lune ou au-delà bénéficieront des simulations informatiques de haute puissance en cours à l'Université du Michigan qui modélisent le chaos particulaire déclenché par les atterrissages propulsés par des propulseurs de fusée.

Lors de la descente, les panaches d'échappement fluidifient les sols et les poussières de surface, former des cratères et secouer l'atterrisseur avec du gros, particules abrasives. Cette action présente une foule de variables qui peuvent compromettre un atterrissage. Notre compréhension actuelle de ces millions d'interactions est basée sur des données qui sont, dans certains cas, 40 à 50 ans.

« Une grande partie des données disponibles utilisées dans la phase de conception, y compris pour la prochaine mission Mars 2020, est basé sur les données de l'ère Apollo, " dit Jesse Capecelatro, professeur adjoint de génie mécanique à l'U-M.

« Les données relatives à l'atterrissage sont très difficiles à générer car vous ne pouvez pas simplement mener une expérience sur Terre. Les modèles mathématiques existants s'effondrent dans ces conditions plus extrêmes lorsque les particules approchent des vitesses supersoniques. Notre groupe développe de nouveaux algorithmes numériques qui permettent de telles simulations. "

Capecelatro dirige une équipe qui développe des modèles basés sur la physique qui peuvent être intégrés aux codes utilisés par la NASA pour aider à prédire ce qui se passera lorsqu'un vaisseau spatial tentera d'atterrir à des millions de kilomètres de chez lui.

Il est spécialisé dans les « écoulements turbulents désordonnés » et dans la simulation du comportement de fluides constitués de deux phases de matière, en l'occurrence des particules solides en suspension dans un gaz.

Le Mars 2020 Perseverance devrait décoller de Cap Canaveral le 30 juillet et atterrir le 18 février. 2021. Capecelatro analysera ses données de descente et les intégrera dans ses modèles.

Ce que nous savons et pourquoi cela ne suffit pas

Les atterrissages de l'ère Apollo ont montré que les matériaux de surface perturbés peuvent s'étendre jusqu'à un demi-mile, posant des risques non seulement sur l'atterrisseur lui-même, mais aussi pour les véhicules ou les sites d'atterrissage voisins. Malgré les progrès réalisés au cours des années qui ont suivi, les atterrissages restent lourds de dangers potentiels.

Il y a huit ans, un capteur de vent du rover Curiosity a été endommagé lors de son atterrissage sur Mars. Et en avril 2019, L'atterrisseur SpaceIL d'Israël, Beresheet, était à quelques minutes de l'atterrissage sur la lune lorsque les communications ont échoué et que l'engin s'est écrasé.

Alors que la NASA se dirige vers de nouvelles missions en équipage dans le cadre du programme Artemis, ce travail devient plus vital. Non seulement les humains à bord font monter les enchères, ils signifient des charges utiles plus importantes et, ensuite, des panaches d'échappement plus forts interagissant avec la surface de la planète.

Vers des modèles prédictifs avancés basés sur la physique

Une grande partie du travail est effectuée sur les Grands Lacs, Le plus récent cluster de calcul haute performance d'U-M. Cela permet à l'équipe de recherche de répartir le problème sur des centaines, et même des milliers, de processeurs simultanément. Par conséquent, chaque processeur effectue une partie du travail et n'a besoin de stocker qu'une petite fraction du total des données.

Mais même les ordinateurs les plus puissants au monde à l'heure actuelle ne peuvent résoudre qu'un certain nombre de ces interactions. Pour aller plus loin, Capecelatro utilise des modèles - les meilleures estimations basées sur toutes les données disponibles - pour pousser les simulations plus loin. L'objectif est de fournir un cadre que la NASA peut utiliser pour mieux prédire l'impact des différentes conceptions sur le sol et l'atterrissage, et ajuster.

« Les plus gros supercalculateurs actuels peuvent peut-être gérer un millier de particules où nous capturons directement toute la physique des flux, " a dit Capecelatro. " Donc, faire un plein, un site d'atterrissage d'un kilomètre carré est hors de question.

"Nos simulations fournissent les informations fondamentales sur la physique des écoulements nécessaires pour développer des modèles mathématiques améliorés dont leurs codes ont besoin pour simuler un événement d'atterrissage à grande échelle."