顶峰超级计算机模拟人类在火星着陆期间将如何刹车

可以载人到“红色星球”的车辆的形状正逐渐形成“就像您要降落在另一个星球上的两层楼房屋。车辆前部的隔热罩直径刚好超过16米，而且飞机本身在着陆时重达数十公吨。它非常庞大。”美国宇航局Langley研究中心的研究航空航天工程师Ashley Korzun说。

用于人类探索的车辆的重量将比通过降落伞部署到行星表面的熟悉的汽车大小的漫游车(如好奇号)的重量大得多。

科尔宗说：“您不能使用降落伞在火星表面上降落非常大的有效载荷。”“物理学刚破裂。你必须做其他事情。”

NASA期望人类在2030年代中期至后期航行至火星，因此工程师们已经在制图委员会工作了一段时间。现在，他们在逆向驱动或发动机驱动的减速方面有一个有希望的解决方案。

科尔宗说：“后推发动机并没有像推动刹车那样使你减速，就像刹车一样。”

在美国宇航局Langley资深研究科学家埃里克·尼尔森(Eric Nielsen)的带领下，包括科尔佐恩(Korzun)在内的科学家和工程师团队正在使用美国能源部(DOE)橡树岭国家实验室(ORNL)上世界上最快的超级计算机Summit来模拟人类登陆火星。

尼尔森说：“与传统的计算方法相比，我们能够在Summit上展示出相当革命性的性能。”

该团队使用其称为FUN3D的计算流体动力学(CFD)代码对车辆的火星下降建模。CFD应用程序使用大型方程组来模拟流体(包括气体)在流动和湍流过程中的小规模相互作用，在这种情况下，是为了捕获着陆飞行器和大气所产生的空气动力学效应。

科尔宗说：“ FUN3D和计算能力本身已经彻底改变了游戏规则，使我们能够推进反推进技术的开发，反推进技术已在地球，月球和火星上得到了应用。”

坚持着陆

NASA已经成功在火星上部署了8个着陆器，包括配备了照相机，传感器和通信设备的移动科学实验室，而且研究人员熟悉了地球的超现实挑战。

火星的大气层比地球的大气层稀薄(密度较小)大约100倍，这导致轨道快速下降-大约6至7分钟，而不是地球35至40分钟的重返时间。

科尔宗说：“我们无法在地球上的地面或飞行测试中匹配所有相关的物理学，因此我们非常依赖于计算能力。”“在如此高的保真度和分辨率下，这确实是第一个机会，我们已经能够看到随着发动机的开动而减速的情况。”

在反向推进期间，车辆对空气动力的大变化敏感，这会影响发动机性能以及机组人员控制车辆并将其降落在目标位置的能力。

该团队需要一台功能强大的超级计算机(例如200 petaflop的Summit)来模拟整个车辆在一定范围的大气和发动机条件下行驶。

为了预测火星大气层中会发生什么，以及如何设计和控制发动机以确保机组人员的成功和安全，研究人员需要研究跨越长度和时间范围(从厘米到千米，从几分之一秒到分钟。为了准确地复制这些遥远的条件，团队必须对着陆器及其发动机的大尺寸，局部大气条件以及沿下降轨迹的发动机条件建模。

在Summit上，团队将在6到7分钟的下降时间内在多个位置对着陆器进行建模。为了表征从超音速到亚音速的各种速度下的流动行为，研究人员运行了集成体(适用于单个模拟)，以高达100亿个元素的分辨率解析流体动力学，每次运行可存储200 TB的信息。

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