可以載人到“紅色星球”的車輛的形狀正逐漸形成“就像您要降落在另一個(gè)星球上的兩層樓房屋。車輛前部的隔熱罩直徑剛好超過(guò)16米，而且飛機(jī)本身在著陸時(shí)重達(dá)數(shù)十公噸。它非常龐大。”美國(guó)宇航局Langley研究中心的研究航空航天工程師Ashley Korzun說(shuō)。

用于人類探索的車輛的重量將比通過(guò)降落傘部署到行星表面的熟悉的汽車大小的漫游車(如好奇號(hào))的重量大得多。

科爾宗說(shuō)：“您不能使用降落傘在火星表面上降落非常大的有效載荷。”“物理學(xué)剛破裂。你必須做其他事情。”

NASA期望人類在2030年代中期至后期航行至火星，因此工程師們已經(jīng)在制圖委員會(huì)工作了一段時(shí)間?，F(xiàn)在，他們?cè)谀嫦蝌?qū)動(dòng)或發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的減速方面有一個(gè)有希望的解決方案。

科爾宗說(shuō)：“后推發(fā)動(dòng)機(jī)并沒(méi)有像推動(dòng)剎車那樣使你減速，就像剎車一樣。”

在美國(guó)宇航局Langley資深研究科學(xué)家埃里克·尼爾森(Eric Nielsen)的帶領(lǐng)下，包括科爾佐恩(Korzun)在內(nèi)的科學(xué)家和工程師團(tuán)隊(duì)正在使用美國(guó)能源部(DOE)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)上世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)Summit來(lái)模擬人類登陸火星。

尼爾森說(shuō)：“與傳統(tǒng)的計(jì)算方法相比，我們能夠在Summit上展示出相當(dāng)革命性的性能。”

該團(tuán)隊(duì)使用其稱為FUN3D的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)代碼對(duì)車輛的火星下降建模。CFD應(yīng)用程序使用大型方程組來(lái)模擬流體(包括氣體)在流動(dòng)和湍流過(guò)程中的小規(guī)模相互作用，在這種情況下，是為了捕獲著陸飛行器和大氣所產(chǎn)生的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。

科爾宗說(shuō)：“ FUN3D和計(jì)算能力本身已經(jīng)徹底改變了游戲規(guī)則，使我們能夠推進(jìn)反推進(jìn)技術(shù)的開(kāi)發(fā)，反推進(jìn)技術(shù)已在地球，月球和火星上得到了應(yīng)用。”

堅(jiān)持著陸

NASA已經(jīng)成功在火星上部署了8個(gè)著陸器，包括配備了照相機(jī)，傳感器和通信設(shè)備的移動(dòng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，而且研究人員熟悉了地球的超現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)。

火星的大氣層比地球的大氣層稀薄(密度較小)大約100倍，這導(dǎo)致軌道快速下降-大約6至7分鐘，而不是地球35至40分鐘的重返時(shí)間。

科爾宗說(shuō)：“我們無(wú)法在地球上的地面或飛行測(cè)試中匹配所有相關(guān)的物理學(xué)，因此我們非常依賴于計(jì)算能力。”“在如此高的保真度和分辨率下，這確實(shí)是第一個(gè)機(jī)會(huì)，我們已經(jīng)能夠看到隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)動(dòng)而減速的情況。”

在反向推進(jìn)期間，車輛對(duì)空氣動(dòng)力的大變化敏感，這會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能以及機(jī)組人員控制車輛并將其降落在目標(biāo)位置的能力。

該團(tuán)隊(duì)需要一臺(tái)功能強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)(例如200 petaflop的Summit)來(lái)模擬整個(gè)車輛在一定范圍的大氣和發(fā)動(dòng)機(jī)條件下行駛。

為了預(yù)測(cè)火星大氣層中會(huì)發(fā)生什么，以及如何設(shè)計(jì)和控制發(fā)動(dòng)機(jī)以確保機(jī)組人員的成功和安全，研究人員需要研究跨越長(zhǎng)度和時(shí)間范圍(從厘米到千米，從幾分之一秒到分鐘。為了準(zhǔn)確地復(fù)制這些遙遠(yuǎn)的條件，團(tuán)隊(duì)必須對(duì)著陸器及其發(fā)動(dòng)機(jī)的大尺寸，局部大氣條件以及沿下降軌跡的發(fā)動(dòng)機(jī)條件建模。

在Summit上，團(tuán)隊(duì)將在6到7分鐘的下降時(shí)間內(nèi)在多個(gè)位置對(duì)著陸器進(jìn)行建模。為了表征從超音速到亞音速的各種速度下的流動(dòng)行為，研究人員運(yùn)行了集成體(適用于單個(gè)模擬)，以高達(dá)100億個(gè)元素的分辨率解析流體動(dòng)力學(xué)，每次運(yùn)行可存儲(chǔ)200 TB的信息。