Mars’a sorunsuz iniş planlanıyor

ABD’nin astronotları Mars yüzeyine indirme misyonu, NASA’nın bugüne kadar gerçekleştirdiği diğer dünya dışı inişlere benzemeyecek.

Uzay ajansı, Viking Projesi ile 1976’daki ilk yüzey görevlerinden bu yana Mars’a dokuz robotik görevi başarıyla indirmiş olsa da, insanları Mars’a güvenli bir şekilde getirmek, Mars atmosferinde uçuş için yeni teknolojiler gerektirecek. Ancak bu teknolojiler ve sistemler önceden Dünya’da kapsamlı bir şekilde test edilemez.

2019’dan beri NASA bilim adamlarından ve ortaklarından oluşan bir ekip, NASA’nın FUN3D İnsan ölçeğinde bir Mars iniş aracının hesaplamalı akışkanlar dinamiği veya CFD simülasyonlarını yürütmek için Enerji Bakanlığı’nın Oak Ridge Liderlik Bilgi İşlem Tesisi’nde (OLCF) bulunan süper bilgisayarlardaki yazılım. OLCF, DOE’nin Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’nda bulunan bir DOE Bilim Ofisi kullanıcı tesisidir.

Ekibin devam eden araştırma projesi, üzerinde insan bulunan bir aracın Mars yüzeyine güvenli bir şekilde nasıl indirileceğinin belirlenmesinde ilk adımdır.

“Doğası gereği bunun için doğrulama verimiz yok. Rüzgar tüneli gibi yer tesislerinde veya balistik menzilde değerli ancak sınırlı testler yapabiliriz, ancak bu tür yaklaşımlar Mars’ta karşılaşılacak fiziği tam olarak yakalayamaz. NASA’nın Langley Araştırma Merkezi’nde kıdemli araştırma bilimcisi ve araştırma ekibinin baş araştırmacısı Eric Nielsen, “Gerçek Mars ortamında uçuş testi yapamayız; oraya vardığımızda ya hep ya hiçtir. Süper hesaplamanın bu kadar kritik olmasının nedeni budur” dedi. OLCF’de beş yıllık çaba.

Son Mars görevlerinden farklı olarak paraşütler operasyonun bir parçası değil. Bunun yerine, insanları Mars’a indirmenin önde gelen adayı, aracın ısı kalkanına yerleştirilmiş ileriye dönük roketlerin yavaşlaması için ateşlenmesi anlamına gelen retropropulsiyondur.

Nielsen, “Daha önce hiç böyle bir şey uçurmamıştık. En başından beri temel soru şuydu: “Bu aracı güvenli bir şekilde kontrol edebilecek miyiz?” dedi Nielsen.

NASA’nın geleneksel paraşütler yerine geriye doğru itmeyi araştırmasının nedeni bir fizik meselesidir. Önceki Mars iniş araçları yaklaşık 1 ton ağırlığındaydı; Astronotları ve tüm yaşam destek sistemlerini taşıyan bir araç, 20 ila 50 kat daha fazla, yani iki katlı bir evin boyutunda olacaktır. Mars’ın ince atmosferi (Dünya’nınkinden yaklaşık 100 kat daha az yoğun), bu kadar büyük bir geminin paraşütle inişini desteklemez.

NASA ekip üyesi, “Geleneksel bir araçla çok temiz ve öngörülebilir bir ortamda uçuyoruz. Yüksek enerjili roket egzozundan oluşan son derece dinamik bir ortamda seyahat edeceğimiz bu konseptte bunların hepsi boşa çıkıyor” dedi. ve CFD uzmanı Gabriel Nastac.

Ekip, NASA görev planlamacılarının rehberliğiyle, kontrol edilebilirlik konusundaki temel soruyu hedef alan giderek daha karmaşık hale gelen simülasyonlardan oluşan çok yıllık bir plan formüle etti.

2019’da ekip, aracın roket motorlarının gerekli olacağı koşullar olan Mach 2,5’ten Mach 0,8’e kadar değişen uçuş hızlarında ve beklenen gaz kelebeği ayarlarında statik araç aerodinamiğini karakterize etmek için Summit süper bilgisayarında 10 milyar elemente varan çözünürlüklerde CFD simülasyonları gerçekleştirdi. İlk yavaşlama için.

2020 yılı boyunca yoğun bir kod geliştirme çalışması, FUN3D’nin genel reaksiyona giren gaz yeteneklerini Summit’in grafik işleme birimi veya GPU hızlandırıcılarına aktarmaya odaklandı.

“Yapısal olmayan bir ızgara CFD çözücünün karmaşık fizik yüklü çekirdekler karşısında verimli performansını gerçekleştirmek, GPU tabanlı bilgi işlem ortamında çok büyük bir zorluktur. Ancak sonuçta, istediğimiz performansı sunmak için kritik kod bölümlerini yeniden yapılandırmayı başardık. ” dedi ekibin çoklu mimari yazılım geliştirmesine liderlik eden NASA araştırma bilgisayar bilimcisi Aaron Walden.

Çalışma, ekibin sıvı oksijen/metan roket motorlarının esas olarak karbondioksit ve nitrojenden oluşan Mars atmosferiyle karmaşık etkileşimlerini ele almasına olanak tanıyan önemli bir 2021 kampanyasına zemin hazırladı. Summit’te 15.000-20.000 GPU kullanılarak gerçekleştirilen her simülasyon için bir petabayt (1.000 terabayta eşdeğer) çıktı verisi, önceki simülasyonun mükemmel gaz varsayımı kullanılarak gözlemlenenlerle karşılaştırıldığında araç aerodinamiklerindeki kritik farklılıklara ilişkin önemli bilgiler sağladı.

2022 kampanyası için ekip, Simüle Edilmiş Yörüngeleri Optimize Etme Programı II veya POST2 olarak bilinen son teknoloji ürünü NASA uçuş mekaniği yazılımını iş akışına dahil ederek ileriye doğru büyük bir adım attı. Statik uçuş durumunu varsayan simülasyonların ötesine geçen ekip, artık aracı sanal süper bilgi işlem ortamında “uçurmaya” çalıştı. Bu test, Mars yüzeyine gerçek bir motorlu iniş sırasında karşılaşılacak kritik kararsız dinamikleri ölçmek ve ele almak için ilk girişimi temsil edecek.

Ekip, Georgia Tech’in Havacılık ve Uzay Sistemleri Tasarım Laboratuvarı’ndan kilit uzmanları görevlendirdi; bu grup Brad Robertson tarafından yönetiliyordu. Bu uzmanlar, POST2’deki düşük dereceli aerodinamik modelleri gerçek zamanlı, fizik tabanlı FUN3D simülasyonlarıyla değiştirecek ve sonuçta gelişmiş uçuş kontrol algoritmalarından yararlanan yüksek kaliteli yörünge simülasyonlarını gerçekleştirecek bir birleştirme algoritması geliştirmek için birkaç yıl harcamıştı.

“FUN3D ile POST2’yi birleştirmek oldukça zorluydu. Beş veya altı referans çerçevesini ve aralarındaki veri dönüşümlerini dengelemek zorunda kaldık. Ancak ödül, diğer NASA mühendisleri tarafından ayrıntılı rehberlik, navigasyon ve kontrol konularında yapılan tüm zorlu çalışmaların benimsenebilmesiydi. ve itki modelleri ve bunların hepsini tek, birleşik, çoklu fizik simülasyonunda bir araya getirmek” dedi o zamanlar Georgia Tech doktora öğrencisi olan ve bu çaba üzerinde NASA mezunu stajyer Hayden Dean ile birlikte çalışan ekip üyesi Zach Ernst.

POST2’nin dahil edilmesi ek bir zorluk getirdi. POST2, FUN3D’den daha kısıtlayıcı ihracat kontrolü düzenlemelerine tabi olduğundan, ekip üyesi Kevin Jacobson, POST2’nin bir NASA tesisinde yürütüleceği ve aynı zamanda OLCF’de liderlik ölçeğinde çalışan FUN3D ile gerçek zamanlı iletişim kuracağı bir uzaktan bağlantı paradigması geliştirmekle görevlendirildi. .

Güvenlik duvarlarını, ağ kesintilerini ve iş planlayıcılarını hesaba katarken bu bağlantıyı kurmak ve sürdürmek çok sayıda zorluğu beraberinde getirdi. Bu çalışma, her iki tesisteki siber güvenlik personeli ve sistem yöneticileriyle yaklaşık bir yıllık planlama ve koordinasyon gerektirdi.

Ekip, alçalma aşamasının önemli bir bölümünü sanal ortamda uçurmak şeklindeki uzun vadeli hedefine ulaştığında, ek çabanın karşılığını aldı.

OLCF’lerin gelişi Sınır süper bilgisayar proje için daha iyi bir zamanda gelemezdi. Üst düzey hesaplama gücünün (saniyede bir kentilyon veya daha fazla hesaplama) artık gerçeğe dönüşmesiyle, ekip, istenen fiziksel modellemeyi ve proje süresi boyunca öğrenilen diğer dersleri yeniden sunmayı başarabildi.

2023’te ekip, yıllar önce umdukları nihai simülasyona odaklandı: dünyanın en güçlü süper bilgi işlem sisteminden yararlanan gerçek anlamda otonom, kapalı döngü bir test uçuşu.

Sekiz ana motor, yönlendirme sistemi belirlenen iniş bölgesini hedeflediği için eğimi (yukarı-aşağı dönüş) ve yalpalamayı (yan yana dönüş) kontrol etmek için kullanılırken, POST2 ayrıca FUN3D’ye periyodik olarak dört atış yapması talimatını veren komutlar da verir. Reaksiyon kontrol sistemi veya RCS, uçuş sırasında yuvarlanma düzeltmelerini gerçekleştirmek için iniş aracının arka tarafı etrafında çevresel olarak düzenlenmiş modüller.

RCS modellemesinin geliştirilmesine liderlik eden Georgia Tech’ten Alex Hickey, “Bu yetenekler gelecekteki araçların kontrol edilebilirliğini değerlendirmek için kritik öneme sahip olacak” dedi.

OLCF personelinin Frontier’da iki haftalık bir süre boyunca yüksek öncelikli işlerin dikkatli bir şekilde koordine edilmesine yardımcı olmasıyla, ekibin uzun vadeli hedefi 2023’ün sonlarında gerçeğe dönüştü.

Nielsen, “İlk kez, bu tür bir aracın otonom uçuşta güvenli bir şekilde kontrol edilmesi konusundaki orijinal soruna geri dönebildik” dedi. “Tipik bir havacılık CFD simülasyonunda, fiziksel zamanın bir veya iki saniyesi hesaplanabilir. Burada Frontier, 8 kilometre (yaklaşık 5 mil) yükseklikten yaklaşık 1 kilometreye (0,6 mil) inerek 35 saniyelik kontrollü uçuşu başarıyla uçurmamızı sağladı. ) araç iniş aşamasına yaklaşırken.

Nielsen şunları ekledi: “Çözünürlük, fiziksel modelleme ve zamansal süre, geleneksel bir yüksek performanslı bilgi işlem sisteminde deneyebileceğimiz her şeyin ötesindedir,” diye ekledi Nielsen. “Liderlik ölçeğinde uygulanan GPU’ların saf hızı gerçekten olanak sağlıyor ve biz bu katkılardan dolayı çok minnettarız. OLCF’nin sağladığı fırsatlar ve birinci sınıf uzmanlık.”