Une mission américaine visant à faire atterrir des astronautes sur la surface de Mars ne ressemblera à aucun autre atterrissage extraterrestre jamais entrepris par la NASA.
Bien que l’agence spatiale ait réussi neuf missions robotiques sur Mars depuis ses premières missions en surface en 1976 avec le projet Viking, amener des humains en toute sécurité sur Mars nécessitera de nouvelles technologies pour voler dans l’atmosphère martienne. Mais ces technologies et systèmes ne peuvent pas être testés de manière exhaustive sur Terre au préalable.
Depuis 2019, une équipe de scientifiques de la NASA et leurs partenaires utilisent le logiciel FUN3D de la NASA sur des superordinateurs situés à l'Oak Ridge Leadership Computing Facility, ou OLCF, du ministère de l'Énergie, pour effectuer des simulations informatiques de dynamique des fluides, ou CFD, d'une Mars à l'échelle humaine. atterrisseur. L'OLCF est un établissement utilisateur du Bureau scientifique du DOE situé au Laboratoire national d'Oak Ridge du DOE.
Le projet de recherche en cours de l'équipe constitue une première étape pour déterminer comment faire atterrir en toute sécurité un véhicule avec des humains à bord sur la surface de Mars.
"De par sa nature même, nous ne disposons pas de données de validation pour cela. Nous pouvons effectuer des tests précieux mais limités dans des installations au sol comme une soufflerie ou sur un champ de tir balistique, mais de telles approches ne peuvent pas pleinement capturer la physique qui sera rencontrée sur Mars. "Nous ne pouvons pas effectuer d'essais en vol dans l'environnement martien réel - c'est tout ou rien lorsque nous y arrivons. C'est pourquoi le calcul intensif est si important", a déclaré Eric Nielsen, chercheur scientifique principal au Langley Research Center de la NASA et chercheur principal du projet. effort de cinq ans à l'OLCF.
Contrairement aux récentes missions sur Mars, les parachutes ne font pas partie de l’opération. Au lieu de cela, le principal candidat pour faire atterrir des humains sur Mars est la rétropropulsion, qui consiste à tirer des fusées orientées vers l'avant intégrées au bouclier thermique de l'engin pour décélérer.
"Nous n'avons jamais volé quelque chose de pareil auparavant. La question fondamentale dès le départ était :"Allons-nous être capables de contrôler ce véhicule en toute sécurité ?", a déclaré Nielsen.
La raison pour laquelle la NASA étudie la rétropropulsion plutôt que les parachutes conventionnels est une question de physique. Les anciens atterrisseurs sur Mars pesaient environ 1 tonne ; un véhicule transportant des astronautes et tous leurs systèmes de survie pèsera 20 à 50 fois plus, soit environ la taille d'une maison à deux étages. La fine atmosphère de Mars, environ 100 fois moins dense que celle de la Terre, ne permettra pas un atterrissage en parachute pour un si gros vaisseau.
"Avec un véhicule conventionnel, nous volons dans un environnement très propre et prévisible. Tout cela passe par la fenêtre avec ce concept, où nous voyagerons dans un environnement extrêmement dynamique composé d'échappements de fusées à haute énergie", a déclaré un membre de l'équipe de la NASA. et l'expert CFD Gabriel Nastac.
Avec les conseils des planificateurs de mission de la NASA, l'équipe a formulé un plan pluriannuel composé de simulations de plus en plus sophistiquées visant la question clé de la contrôlabilité.
En 2019, l'équipe a effectué des simulations CFD sur le supercalculateur Summit à des résolutions allant jusqu'à 10 milliards d'éléments pour caractériser l'aérodynamique statique du véhicule à des réglages anticipés des gaz et à des vitesses de vol allant de Mach 2,5 à Mach 0,8, conditions dans lesquelles les moteurs-fusées du véhicule seront nécessaires. pour la décélération initiale.
Tout au long de l'année 2020, un intense effort de développement de code s'est concentré sur le portage des capacités générales de gaz réactif de FUN3D vers les accélérateurs de l'unité de traitement graphique de Summit, ou GPU.
"Réaliser des performances efficaces d'un solveur CFD à grille non structurée face à des noyaux complexes chargés de physique constitue un énorme défi dans un environnement informatique basé sur GPU. Mais nous avons finalement pu restructurer des segments critiques de code pour offrir les performances que nous recherchions. ", a déclaré Aaron Walden, informaticien de recherche à la NASA, qui dirige le développement de logiciels multi-architectures de l'équipe.
Ces travaux ont ouvert la voie à une importante campagne 2021 qui a permis à l’équipe d’aborder les interactions complexes des moteurs de fusée à oxygène liquide/méthane avec l’atmosphère martienne, composée principalement de dioxyde de carbone et d’azote. Un pétaoctet (équivalent à 1 000 téraoctets) de données de sortie pour chaque simulation réalisée à l'aide de 15 000 à 20 000 GPU sur Summit a fourni des informations clés sur les différences critiques dans l'aérodynamique des véhicules par rapport à celles observées à l'aide de l'hypothèse de gaz parfait de la simulation précédente.
Pour la campagne 2022, l’équipe a franchi une étape majeure en intégrant le logiciel de mécanique de vol de pointe de la NASA, connu sous le nom de Programme d’optimisation des trajectoires simulées II, ou POST2, dans le flux de travail. Au-delà des simulations qui supposent des conditions de vol statiques, l'équipe a désormais cherché à « faire voler » le véhicule dans un environnement de calcul virtuel. Ce test représenterait une première tentative de quantification et de traitement des dynamiques instables critiques qui seraient rencontrées lors d'une véritable descente motorisée vers la surface martienne.
L'équipe a fait appel à des experts clés du laboratoire de conception de systèmes aérospatiaux de Georgia Tech ; ce groupe était dirigé par Brad Robertson. Ces experts avaient déjà passé plusieurs années à développer un algorithme de couplage pour remplacer les modèles aérodynamiques d'ordre inférieur dans POST2 par des simulations FUN3D en temps réel basées sur la physique pour finalement réaliser des simulations de trajectoire haute fidélité qui exploitent des algorithmes de contrôle de vol sophistiqués.
"Coupler FUN3D et POST2 était tout un défi. Nous avons dû jongler avec cinq ou six cadres de référence et les transformations de données entre eux. Mais la récompense a été de pouvoir adopter tout le travail acharné effectué par d'autres ingénieurs de la NASA sur le guidage détaillé, la navigation, le contrôle. et de propulsion et de les regrouper tous dans une simulation multiphysique unique et unifiée", a déclaré Zach Ernst, membre de l'équipe, doctorant à Georgia Tech à l'époque, qui a travaillé avec Hayden Dean, stagiaire diplômé de la NASA, sur cet effort.
L'intégration de POST2 a apporté un défi supplémentaire. Étant donné que POST2 est soumis à des réglementations de contrôle des exportations plus restrictives que FUN3D, Kevin Jacobson, membre de l'équipe, a été chargé de développer un paradigme de couplage à distance dans lequel POST2 s'exécuterait sur une installation de la NASA tout en communiquant en temps réel avec FUN3D fonctionnant à une échelle de leadership à l'OLCF. .
L'établissement et le maintien de cette connexion tout en tenant compte des pare-feux, des interruptions du réseau et des planificateurs de tâches présentaient de nombreux défis. Ce travail a nécessité environ un an de planification et de coordination avec le personnel de cybersécurité et les administrateurs système des deux installations.
Cet effort supplémentaire a porté ses fruits lorsque l'équipe a atteint son objectif à long terme :effectuer une partie substantielle de la phase de descente dans l'environnement virtuel.
L'arrivée du supercalculateur Frontier d'OLCF ne pouvait pas mieux tomber pour le projet. La puissance de calcul exascale (un quintillion ou plus de calculs par seconde) étant désormais une réalité, l'équipe pouvait se permettre de réintroduire la modélisation physique souhaitée et d'autres leçons apprises au cours de la vie du projet.
En 2023, l'équipe s'est concentrée sur la simulation ultime qu'elle espérait des années plus tôt :un vol d'essai en boucle fermée véritablement autonome exploitant le système de supercalculateur le plus puissant au monde.
Alors que les huit moteurs principaux sont utilisés pour contrôler le tangage (rotation de haut en bas) et le lacet (rotation d'un côté à l'autre) lorsque le système de guidage vise la zone d'atterrissage désignée, POST2 émet également des commandes pour demander à FUN3D de tirer périodiquement quatre moteurs. Système de contrôle de réaction, ou RCS, modules disposés circonférentiellement autour de l'arrière de l'atterrisseur pour effectuer des corrections de roulis en vol.
"Ces capacités seront essentielles pour évaluer la contrôlabilité des futurs véhicules", a déclaré Alex Hickey de Georgia Tech, qui a dirigé le développement de la modélisation RCS.
L'objectif à long terme de l'équipe est devenu réalité fin 2023, lorsque le personnel de l'OLCF a aidé à coordonner une séquence minutieuse de tâches hautement prioritaires sur une période de deux semaines à grande échelle sur Frontier.
"Pour la première fois, nous avons pu revenir à la question initiale du contrôle en toute sécurité de ce type de véhicule en vol autonome", a déclaré Nielsen. "Dans une simulation CFD aérospatiale typique, on pourrait calculer une seconde ou deux de temps physique. Ici, Frontier nous a permis de voler avec succès 35 secondes de vol contrôlé, en descendant de 8 kilomètres (environ 5 miles) d'altitude à environ 1 kilomètre (0,6 miles). ) alors que le véhicule approchait de sa phase d'atterrissage.
"La résolution, la modélisation physique et la durée temporelle dépassent tout ce que nous pourrions tenter sur un système informatique haute performance conventionnel", a ajouté Nielsen. "La vitesse même des GPU mis en œuvre à l'échelle du leadership est vraiment habilitante, et nous sommes profondément reconnaissants pour les nombreux opportunités et l'expertise de classe mondiale que l'OLCF a fournies. "
Plus d'informations : Jan-Renee Carlson et al, Simulations haute fidélité des trajectoires de descente des atterrisseurs martiens à l'échelle humaine, Forum AIAA AVIATION 2023 (2023). DOI :10.2514/6.2023-3693
Ashley M. Korzun et al, Application d'une approche de simulation de Foucault détachée avec chimie à taux fini aux environnements d'exploitation de rétropropulsion pertinents pour Mars, Forum AIAA SCITECH 2022 (2022). DOI :10.2514/6.2022-2298
Gabriel Nastac et al, Enquête informatique sur l'effet de la chimie sur les environnements de rétropropulsion supersonique de Mars, Forum AIAA SCITECH 2022 (2022). DOI :10.2514/6.2022-2299
Fourni par le Laboratoire national d'Oak Ridge
