Посадочный модуль NASA успешно достиг поверхности Марса... Правда, пока только в симуляции суперкомпьютера

Марс — самая загадочная и привлекательная планета в нашей Солнечной системе. Уже десятилетия ученые и исследователи мечтают о том, чтобы отправить человека на Красную планету и раскрыть ее секреты. Но какие технологические и научные проблемы нужно решить, чтобы сделать эту мечту реальностью?

Давайте же рассмотрим, как NASA планирует посадить астронавтов на поверхность Марса, используя суперкомпьютеры и современное программное обеспечение. Мы узнаем, какие физические условия и динамика полета ожидают будущих марсиан, и как команда ученых и инженеров NASA симулирует и тестирует новый тип посадочного модуля, оснащенный ракетными двигателями.

Почему посадка на Марс такая сложная?

Посадка на Марс — это одна из самых сложных и рискованных операций в космической истории. Марсианская атмосфера очень тонкая и состоит в основном из углекислого газа и азота. Это означает, что традиционные методы торможения и управления, такие как парашюты и аэродинамические поверхности, не работают для больших и тяжелых транспортных средств, которые необходимы для перевозки людей и их жизнеобеспечения.

Предыдущие миссии NASA на Марс, такие как Viking, Pathfinder, Spirit, Opportunity, Curiosity и Perseverance, использовали различные комбинации парашютов, ракетных двигателей, воздушных подушек и кранов, чтобы посадить на поверхность роботизированные зонды и роверы. Но эти аппараты весили не более одной тонны, в то время как посадочный модуль с людьми на борту будет весить от 20 до 50 тонн, и быть размером примерно с двухэтажный дом.

Кроме того, посадка на Марс должна быть полностью автономной, так как связь между Землей и Марсом занимает от 4 до 24 минут в зависимости от расстояния между планетами. Это означает, что никакие команды или корректировки не могут быть отправлены в реальном времени, и посадочный модуль должен самостоятельно реагировать на изменяющиеся условия и непредвиденные ситуации.

Как NASA симулирует посадку на Марс?

Для того, чтобы разработать и протестировать новый тип посадочного модуля, который может безопасно доставить людей на Марс, NASA использует суперкомпьютеры и современное программное обеспечение. С 2019 года команда ученых и инженеров NASA и их партнеров проводит вычислительные симуляции динамики жидкости, или CFD, марсианского посадочного модуля человеческого масштаба на суперкомпьютерах, расположенных в Центре лидерства в вычислениях Ок-Ридж Департамента энергетики США, или OLCF.

CFD — это метод, который позволяет моделировать и анализировать потоки жидкостей и газов, таких как воздух и вода, с помощью математических уравнений и численных алгоритмов. CFD широко используется в аэрокосмической, автомобильной, энергетической и других отраслях для оптимизации дизайна и производительности различных систем и устройств.

Для симуляции посадки на Марс команда NASA использует программное обеспечение FUN3D, которое было разработано в Научно-исследовательском центре Лэнгли NASA. FUN3D — это универсальный CFD-калькулятор, который может моделировать различные типы потоков, включая сжимаемые, несжимаемые, реагирующие, многокомпонентные и многорежимные. FUN3D также может учитывать различные физические эффекты, такие как теплопередача, химические реакции, турбулентность и вязкость.

Для проведения CFD-симуляций команда NASA использует суперкомпьютеры OLCF, такие как Summit и Frontier. Summit — это самый мощный суперкомпьютер в США, который может выполнять до 200 квадриллионов вычислений в секунду. Frontier — это первый в мире эксафлопсный суперкомпьютер, который может выполнять до квинтиллиона (1000 квадриллионов) вычислений в секунду. Эти суперкомпьютеры имеют тысячи графических процессоров, которые ускоряют вычисления и позволяют проводить симуляции с высоким разрешением и детализацией.

Как выглядит новый тип посадочного модуля?

Новый тип посадочного модуля, который рассматривает NASA для высадки людей на Марс, называется ретропропульсией. Это означает, что посадочный модуль использует восемь ракетных двигателей, встроенных в тепловой щит, который защищает аппарат от высоких температур при входе в атмосферу. Эти двигатели стреляют вперед, чтобы замедлить посадочный модуль и контролировать его траекторию.

Какие результаты дали симуляции посадки на Марс?

Симуляции посадки на Марс, проведенные командой NASA на суперкомпьютерах OLCF, дали ценные знания и понимание физики и динамики полета посадочного модуля с ретропропульсией. Команда NASA провела несколько кампаний симуляций, каждая из которых была направлена на решение определенной проблемы или вопроса.

В 2019 году команда NASA провела CFD-симуляции с разрешением до 10 миллиардов элементов, чтобы характеризовать статическую аэродинамику посадочного модуля при разных скоростях и настройках двигателей. Эти симуляции показали, как меняется сила сопротивления, подъемная сила и моменты, действующие на посадочный модуль, в зависимости от угла атаки, числа Маха и коэффициента тяги.

В 2020 году команда NASA сосредоточилась на адаптации программного обеспечения FUN3D к графическим процессорам Summit, чтобы увеличить скорость и эффективность симуляций. Команда NASA также провела CFD-симуляции, чтобы учесть сложные взаимодействия ракетных выхлопов с марсианской атмосферой, которая состоит из реагирующих газов. Эти симуляции показали, как выхлопы влияют на температуру, давление, плотность и скорость потока вокруг посадочного модуля, а также на его аэродинамические характеристики.

В 2021 году команда NASA сделала большой прорыв, соединив программное обеспечение FUN3D с программным обеспечением POST2, которое моделирует механику полета и управление посадочным модулем. Это позволило команде NASA провести первые симуляции динамического полета посадочного модуля в виртуальной среде, используя реальные алгоритмы навигации, руководства и контроля. Эти симуляции показали, как посадочный модуль реагирует на различные возмущения и сценарии, такие как ветер, ошибки измерений, несоответствия двигателей и т. д.

В 2022 году команда NASA усовершенствовала свои симуляции, добавив моделирование системы реактивного управления, или RCS, которая используется для коррекции крена посадочного модуля в полете. Это позволило команде NASА оценить управляемость и стабилизацию посадочного модуля при разных углах крена и скоростях вращения.

В 2023 году команда NASA достигла своей долгосрочной цели, проведя полный и автономный испытательный полет посадочного модуля в виртуальной среде на суперкомпьютере Frontier. Это была самая сложная и детальная симуляция, которая включала все физические модели, алгоритмы управления и сценарии полета, которые были разработаны и проверены на протяжении всего проекта. Эта симуляция показала, как посадочный модуль снижается с высоты 8 километров до 1 километра, контролируя свою скорость, траекторию и ориентацию, и приближается к фазе посадки.

Какие перспективы у миссии NASA по высадке людей на Марс?

Миссия NASA по высадке людей на Марс — это амбициозный и долгосрочный проект, который требует многих научных и технологических инноваций. Симуляции посадки на Марс, проведенные командой NASA на суперкомпьютерах OLCF, являются важным шагом в подготовке и проверке нового типа посадочного модуля с ретропропульсией. Эти симуляции дали команде NASA ценную информацию и понимание физики и динамики полета, а также возможных проблем и рисков, связанных с посадкой на Марс.

Однако симуляции не могут полностью заменить реальные испытания и эксперименты. Команда NASA планирует провести дальнейшие исследования и разработки, чтобы улучшить дизайн и производительность посадочного модуля, а также провести наземные и полетные тесты в аналогичных условиях. Команда NASA также надеется получить обратную связь и сотрудничество от других участников космической индустрии и научного сообщества.

Миссия NASA по высадке людей на Марс — это не только технический, но и научный и образовательный проект, который может принести множество пользы для человечества. Посадка на Марс может расширить наши знания и понимание нашей солнечной системы, истории и будущего нашей планеты, а также возможности жизни за ее пределами. Посадка на Марс также может стимулировать новые открытия и изобретения в области науки, технологии, инженерии и математики, а также вдохновлять и мотивировать молодое поколение исследователей и путешественников.