Vous avez peut-être piloté un simulateur de vol dans un jeu vidéo ou dans un musée scientifique. Atterrir sans s’écraser est toujours la partie la plus difficile. Mais ce n'est rien comparé au défi auquel sont confrontés les ingénieurs pour développer une simulation de vol des très gros véhicules nécessaires aux humains pour explorer la surface de Mars. La planète rouge pose d'innombrables défis aux astronautes, dont le moindre n'est pas d'y parvenir.

C'est là qu'interviennent les supercalculateurs du Bureau des sciences du ministère de l'Énergie. Des chercheurs de l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) du DOE travaillent avec des ingénieurs et des scientifiques de la NASA pour simuler le processus de ralentissement d'un énorme vaisseau spatial alors qu'il se dirige vers la surface de Mars. .

L'atterrissage d'un vaisseau spatial sur Mars n'est pas nouveau pour la NASA. L'agence a effectué ses premières missions sur la planète en 1976 avec le projet Viking. Depuis lors, la NASA a effectué avec succès huit atterrissages supplémentaires sur Mars.

Ce qui rend cet objectif différent, c'est le fait qu'il est beaucoup plus difficile de faire atterrir les énormes vaisseaux spatiaux nécessaires à l'exploration humaine que ceux nécessaires aux missions robotiques. Les véhicules robotiques utilisent des parachutes pour décélérer dans l'atmosphère de Mars. Mais un vaisseau spatial transportant des humains sera environ 20 à 50 fois plus lourd.

Un véhicule de cette taille ne peut tout simplement pas utiliser de parachutes. La NASA devra plutôt s’appuyer sur la rétro-propulsion. Cette technologie utilise des roquettes qui tirent vers l'avant pour ralentir le véhicule lorsqu'il s'approche de la surface.

L’utilisation de la rétropropulsion présente un certain nombre de défis. Les gaz d’échappement à haute énergie du moteur-fusée interagissent à la fois avec le véhicule et avec l’atmosphère martienne. Ces dynamiques changent la façon dont l’équipe doit guider et contrôler le véhicule. De plus, les ingénieurs ne peuvent pas reproduire entièrement comment se déroulerait un vol sur Mars sur Terre. Bien qu'ils puissent tester des vaisseaux spatiaux dans des souffleries et utiliser d'autres outils, ces outils ne constituent pas un remplacement parfait ni un analogue direct de l'environnement martien.

Pour combler ces lacunes, la NASA s'est tournée vers les supercalculateurs OLCF et leurs experts informaticiens. En théorie, des programmes exécutés sur des superordinateurs pourraient simuler entièrement l'environnement martien et bon nombre des phénomènes physiques complexes associés à l'utilisation de la rétropropulsion.

L'équipe du projet s'est appuyée sur FUN3D, une suite d'outils logiciels de longue date qui modélise la façon dont les fluides, y compris l'air, se déplacent. Les ingénieurs ont créé la première version du code à la fin des années 1980 et n’ont cessé d’apporter des améliorations majeures depuis lors. Les agences et les entreprises des technologies aéronautiques et spatiales l'ont utilisé pour relever des défis majeurs.

L’effort actuel sur Mars a commencé en 2019 sur Summit, l’ordinateur le plus rapide d’OLCF à l’époque. Les simulations initiales supposaient des conditions fixes. Ils ont simulé un seul point de la trajectoire du véhicule. Ces premières versions permettaient aux scientifiques d’évaluer les impacts des vitesses de vol, des réglages du moteur, etc. D'autres développements ont permis aux ingénieurs d'explorer les effets réels des gaz.

Ils pourraient expliquer les moteurs de fusée à oxygène liquide et l’atmosphère martienne riche en dioxyde de carbone. Même ces premières simulations aboutissaient généralement à des ensembles de données de la taille d’un pétaoctet. Il faudrait environ 1 000 ordinateurs personnels puissants pour stocker un seul pétaoctet. Mais même ces simulations n'étaient pas complètes :ce n'était pas encore possible.

L'étape suivante consistait à intégrer un tout nouveau logiciel dans la simulation :le programme d'optimisation des trajectoires simulées (POST2). La NASA a développé POST2 pour analyser la mécanique du vol pour un large éventail d'applications. Alors que les simulations initiales reposaient sur des conditions statiques, POST2 a permis aux scientifiques de « piloter » dynamiquement le véhicule dans la simulation. L'équipe a engagé des chercheurs du laboratoire de conception de systèmes aérospatiaux de Georgia Tech.

Ils avaient précédemment développé des stratégies uniques pour coupler POST2 à des simulations aérodynamiques haute fidélité. L'intégration de POST2 a également obligé les ingénieurs à modifier le flux de travail du projet. L'utilisation du logiciel a été limitée aux systèmes informatiques de la NASA pour des raisons de sécurité. En tant que telle, l'équipe devait s'assurer que les systèmes de la NASA pouvaient communiquer sans problème avec Summit à l'OLCF.

La résolution des problèmes liés aux pare-feu, aux interruptions de réseau et à d'autres programmes a nécessité une année complète de planification pour les équipes de cybersécurité et d'administration système des deux installations !

La dernière avancée consistait à déplacer l’intégralité de la simulation vers l’ordinateur le plus récent et le plus puissant de l’OLCF :Frontier. Premier ordinateur exascale au monde, Frontier est nettement plus puissant que les supercalculateurs précédents. Avec une série d'exécutions coordonnées sur une période de deux semaines, l'équipe a réalisé sa simulation de vol la plus élaborée à ce jour.

Il s’agissait d’une descente en boucle fermée de 35 secondes depuis une altitude de 5 milles jusqu’à environ 0,6 mille. La simulation a ralenti le véhicule de 1 200 milles par heure à environ 450 milles par heure. POST2 était capable de contrôler le véhicule de manière autonome et stable à l'aide de ses huit moteurs principaux et de ses quatre modules de système de contrôle de réaction.

Grâce à l'immense puissance fournie par Frontier à l'OLCF, les ingénieurs de la NASA vont de l'avant pour s'attaquer aux nouvelles frontières du voyage spatial.

Fourni par le Département américain de l'énergie